基于深度分辨光電導(dǎo)法的半導(dǎo)體缺陷檢測(cè)---Freiberg Instruments MDP技術(shù)
隨著半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)向多層化、薄層化發(fā)展，傳統(tǒng)載流子壽命檢測(cè)技術(shù)已難以滿足精度需求。固定激發(fā)深度的測(cè)量方法無法區(qū)分表面重組效應(yīng)與體材料/界面缺陷，導(dǎo)致工藝優(yōu)化缺乏針對(duì)性指導(dǎo)。Freiberg Instruments公司在相關(guān)期刊發(fā)表的突破性研究表明，其新型微波檢測(cè)光電導(dǎo)率系統(tǒng)（MDP）通過可編程脈沖激光激發(fā)與深度關(guān)聯(lián)算法，首次實(shí)現(xiàn)5-300μm范圍內(nèi)缺陷分布的三維可視化(圖1)。
圖1. 厚度為300 µm的樣品在短脈沖 (200 ns) 激發(fā)和穩(wěn)定狀態(tài)(200 µs)激發(fā)后產(chǎn)生的模擬載流子分布
核心技術(shù)原理
1. 可變脈沖激光激發(fā)系統(tǒng)
·脈沖寬度連續(xù)調(diào)節(jié)：200ns至10ms，覆蓋瞬態(tài)至準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量
·深度控制方程：；其中表示載流子滲透深度（檢測(cè)深度），是載流子擴(kuò)散系數(shù)（材料相關(guān)常數(shù)），為激光脈沖寬度（系統(tǒng)可控變量），為材料光吸收系數(shù)（與波長相關(guān)），代表入射光子通量（與激光功率相關(guān)）
·可實(shí)現(xiàn)從表層（5μm）到基板界面（>50μm）的逐層掃描。
2. 高靈敏度微波檢測(cè)(圖2)
·9.3GHz共振腔：信噪比較傳統(tǒng)系統(tǒng)提升100倍
·雙相位鎖定放大：可檢測(cè)最低1E8 cm?³載流子濃度
圖2。靈敏度提高100倍的示例；50 µm p摻雜硅外延層位于高摻雜硅基板上3. 深度分辨算法
基于載流子擴(kuò)散模型的逆向求解，將不同脈沖寬度下的壽命測(cè)量值轉(zhuǎn)換為深度分布函數(shù)，空間分辨率達(dá)±2μm。
a. 表面與體缺陷分離能力(圖3)
對(duì)30μm n型硅外延層的測(cè)試顯示：
·短脈沖（500ns）：壽命值2.7μs（表面重組主導(dǎo)）
·長脈沖（5ms）：壽命值升至9.1μs（體材料缺陷顯現(xiàn)）
·低注入條件（Δn=1E13 cm?³）：界面缺陷響應(yīng)靈敏度提升5倍
b. 超薄層檢測(cè)極限
在5μm碳化硅外延層的對(duì)比測(cè)試中：
·MDP系統(tǒng)信噪比達(dá)23:1
·可識(shí)別表面10nm氧化層導(dǎo)致的壽命降低（Δτ＞15%）
c. 效率提升驗(yàn)證
·單點(diǎn)檢測(cè)速度：200ms（傳統(tǒng)方法＞3s）
·全深度掃描效率：15組脈沖參數(shù)僅需45s
圖3. 用熱氧化物鈍化的6 µm n-Si 外延層 (a)和用非晶Si鈍化的30 µm n-Si外延層(b)在不同脈沖寬度下的注入相關(guān)壽命曲線。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)與價(jià)值
1. 三維缺陷可視化
·通過脈沖寬度掃描生成壽命-深度曲線，直接輸出：
·表面重組速率（S）
·體材料壽命（τbulk）
·界面態(tài)密度
2. 超薄材料分析能力
·支持≥5μm薄層檢測(cè)（傳統(tǒng)方法極限：20μm）
·表面粗糙度容忍度提升300%
3. 全流程兼容性
·非接觸測(cè)量：避免探針損傷，適用于在線工藝監(jiān)控
·寬溫區(qū)測(cè)試：-190℃~300℃
技術(shù)應(yīng)用方向
1.外延生長工藝優(yōu)化
o實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外延層缺陷密度梯度
o量化評(píng)估生長速率波動(dòng)對(duì)界面質(zhì)量的影響
2.鈍化層質(zhì)量評(píng)估
o檢測(cè)表面鈍化層厚度均勻性
o分析界面態(tài)密度與鈍化工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)性
3.先進(jìn)器件研發(fā)
oSiC/GaN功率器件失效分析
o超薄SOI晶圓界面缺陷定位
綜上，F(xiàn)reiberg instruments公司的MDP技術(shù)以其變脈沖長度測(cè)量、高靈敏度、對(duì)多層結(jié)構(gòu)材料的精準(zhǔn)分析能力、定量數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)以及廣泛的應(yīng)用前景，成為材料檢測(cè)領(lǐng)域的卓越技術(shù)。無論是在科研機(jī)構(gòu)探索材料的微觀世界，還是在工業(yè)生產(chǎn)中保障產(chǎn)品質(zhì)量，MDP技術(shù)都發(fā)揮著不可替代的作用，引領(lǐng)著材料檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，為材料科學(xué)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步注入了強(qiáng)大動(dòng)力。
該文章翻譯于Freiberg Instruments機(jī)構(gòu)研究的工作。本文發(fā)表于Aip Conference American Institute of Physics中，詳情可查閱：Injection Dependent Lifetime Spectroscopy with a Varying Pulse Length
圖1. 厚度為300 µm的樣品在短脈沖 (200 ns) 激發(fā)和穩(wěn)定狀態(tài)(200 µs)激發(fā)后產(chǎn)生的模擬載流子分布核心技術(shù)原理
1. 可變脈沖激光激發(fā)系統(tǒng)
·脈沖寬度連續(xù)調(diào)節(jié)：200ns至10ms，覆蓋瞬態(tài)至準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量
·深度控制方程：；其中表示載流子滲透深度（檢測(cè)深度），是載流子擴(kuò)散系數(shù)（材料相關(guān)常數(shù)），為激光脈沖寬度（系統(tǒng)可控變量），為材料光吸收系數(shù)（與波長相關(guān)），代表入射光子通量（與激光功率相關(guān)）
·可實(shí)現(xiàn)從表層（5μm）到基板界面（>50μm）的逐層掃描。
2. 高靈敏度微波檢測(cè)(圖2)
·9.3GHz共振腔：信噪比較傳統(tǒng)系統(tǒng)提升100倍
·雙相位鎖定放大：可檢測(cè)最低1E8 cm?³載流子濃度
圖2。靈敏度提高100倍的示例；50 µm p摻雜硅外延層位于高摻雜硅基板上3. 深度分辨算法基于載流子擴(kuò)散模型的逆向求解，將不同脈沖寬度下的壽命測(cè)量值轉(zhuǎn)換為深度分布函數(shù)，空間分辨率達(dá)±2μm。
a. 表面與體缺陷分離能力(圖3)
對(duì)30μm n型硅外延層的測(cè)試顯示：
·短脈沖（500ns）：壽命值2.7μs（表面重組主導(dǎo)）
·長脈沖（5ms）：壽命值升至9.1μs（體材料缺陷顯現(xiàn)）
·低注入條件（Δn=1E13 cm?³）：界面缺陷響應(yīng)靈敏度提升5倍
b. 超薄層檢測(cè)極限
在5μm碳化硅外延層的對(duì)比測(cè)試中：
·MDP系統(tǒng)信噪比達(dá)23:1
·可識(shí)別表面10nm氧化層導(dǎo)致的壽命降低（Δτ＞15%）
c. 效率提升驗(yàn)證
·單點(diǎn)檢測(cè)速度：200ms（傳統(tǒng)方法＞3s）
·全深度掃描效率：15組脈沖參數(shù)僅需45s
圖3. 用熱氧化物鈍化的6 µm n-Si 外延層 (a)和用非晶Si鈍化的30 µm n-Si外延層(b)在不同脈沖寬度下的注入相關(guān)壽命曲線。技術(shù)優(yōu)勢(shì)與價(jià)值
1. 三維缺陷可視化
·通過脈沖寬度掃描生成壽命-深度曲線，直接輸出：
·表面重組速率（S）
·體材料壽命（τbulk）
·界面態(tài)密度
2. 超薄材料分析能力
·支持≥5μm薄層檢測(cè)（傳統(tǒng)方法極限：20μm）
·表面粗糙度容忍度提升300%
3. 全流程兼容性
·非接觸測(cè)量：避免探針損傷，適用于在線工藝監(jiān)控
·寬溫區(qū)測(cè)試：-190℃~300℃
技術(shù)應(yīng)用方向
1.外延生長工藝優(yōu)化
o實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外延層缺陷密度梯度
o量化評(píng)估生長速率波動(dòng)對(duì)界面質(zhì)量的影響
2.鈍化層質(zhì)量評(píng)估
o檢測(cè)表面鈍化層厚度均勻性
o分析界面態(tài)密度與鈍化工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)性
3.先進(jìn)器件研發(fā)
oSiC/GaN功率器件失效分析
o超薄SOI晶圓界面缺陷定位
綜上，F(xiàn)reiberg instruments公司的MDP技術(shù)以其變脈沖長度測(cè)量、高靈敏度、對(duì)多層結(jié)構(gòu)材料的精準(zhǔn)分析能力、定量數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)以及廣泛的應(yīng)用前景，成為材料檢測(cè)領(lǐng)域的卓越技術(shù)。無論是在科研機(jī)構(gòu)探索材料的微觀世界，還是在工業(yè)生產(chǎn)中保障產(chǎn)品質(zhì)量，MDP技術(shù)都發(fā)揮著不可替代的作用，引領(lǐng)著材料檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，為材料科學(xué)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步注入了強(qiáng)大動(dòng)力。
該文章翻譯于Freiberg Instruments機(jī)構(gòu)研究的工作。本文發(fā)表于Aip Conference American Institute of Physics中，詳情可查閱：Injection Dependent Lifetime Spectroscopy with a Varying Pulse Length