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Analysis of doping contrast in PN junction SEM images of Si and SiC MOSFETs
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摘要:
PN结是半导体器件结构的基础，对PN结掺杂剂分布的量测直接关系到器件的性能和可靠性。对于掺杂剂分析，二次电子图像展示了巨大的潜力。基于扫描电子显微镜对硅基MOSFET和碳化硅MOSFET的PN结进行量测，发现硅和碳化硅两种材料的掺杂衬度存在明显差异。为探究该差异产生机理，利用样品电流法测量相关材料的二次电子发射系数。分析测试结果发现，掺杂半导体衬度产生与表面态有关，对二次电子图像在半导体量测中的应用具有指导意义。
Abstract:PN junction is the foundation of semiconductor device structure. And the measurement of doping distribution in PN junction directly relates to the performance and reliability of devices. For doping analysis, secondary electron image shows great potential. Based on scanning electron microscopy, the PN junction doping profiles of silicon-based MOSFETs and silicon carbide MOSFETs were measured, revealing significant differences in doping profiles between silicon and silicon carbide materials. To elucidate the underlying mechanisms of the observed differences, the secondary electron emission coefficients of the pertinent materials were determined by the sample current method. The analysis of the obtained results indicates that the variations in the secondary electron emission are associated with surface states, which holds significant implications for the application of secondary electron imaging in semiconductor measurements.
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PN结是半导体器件的基础结构，贯穿于电子器件的整个制造过程，从晶圆到器件的转变离不开PN结的形成。实现PN结的精确量测能够为提升半导体器件性能和可靠性提供依据。
目前，半导体产业正按照摩尔规律快速发展，随着半导体器件集成度的增加和复杂度的提高，PN结量测技术需求越来越高。美国半导体工业协会提出下一代掺杂剖析成像技术的发展方向：1）当杂质浓度在1016～1020 cm−3范围内时，灵敏度足够高；2）当空间尺度小于10 nm时，量测精度大于10%；3）能进行二维剖析[1]。由于二次电子图像拥有高分辨率、高灵敏度的特点，所以扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）量测有望成为下一代掺杂剖析成像的主要技术。
1957年，Oatley和Everhart利用SEM观察PN结，并在二次电子图像中发现结的位置有明显的明暗变化[2]。1967年，Chang和Nixon发现P型区较N型区显亮色[3]。自此，利用SEM成像技术进行掺杂剖析越来越多，但SEM图像中掺杂半导体衬度的产生机制仍存在较大争议。文献[4-7]认为空间电荷区的内建电场延伸到样品表面上方，对从N型区出射的二次电子起减速作用、对P型区出射的二次电子起加速作用，从而探测器接收到的二次电子数目存在差异，产生了掺杂衬度。但是在单独测量N型半导体和P型半导体的二次电子发射系数（electron emission yield, SEY）时，二者之间仍存在差异，该理论不能充分解释。部分研究者认为掺杂衬度产生与半导体表面变化有关。文献[8-10]提出在样品制备过程中表面吸附污染物形成了碳氢化合物薄膜，该薄膜与N型区形成肖特基接触，与P型区形成欧姆接触，所以二次电子从N型区和P型区发射需要的能量产生差异，于是产生掺杂衬度。文献[11-12]认为存在表面态导致能带发生弯曲，P型区价带能级大于N型区价带能级，从而产生掺杂衬度。但是，对于P型区价带能级大于N型区价带能级这一说法缺乏依据。
以上理论缺乏实验数据支撑，并且没有结合宽能谱SEY分析。目前，功率半导体器件因其在高效能量转换的关键作用成为研究热点，因此本文以功率半导体器件为例，基于硅和碳化硅的MOSFET中PN结二次电子图像，结合SEY宽能谱测试分析，补充阐释了SEM图像中掺杂半导体衬度的产生机制。
1. SEM量测分析
1.1 SEM实验过程
PN结量测是功率器件性能提升和可靠性评估的有效方法。文献[13]研究表明，SiC MOSFET的体内二极管的退化与P体区掺杂有关，量测其中的P+掺杂深度可以帮助评估MOSFET体内二极管的可靠性。文献[14]表示P体区掺杂分布会影响MOSFET栅氧层界面态电荷，通过对器件量测了解掺杂的分布情况，可以针对性地优化设计，改善器件开关特性等。
本实验选用Infineon公司商用MOSFET器件IPA95R450P7和CREE公司商用MOSFET器件C2M0080120D。其中，IPA95R450P7是硅基功率器件，C2M0080120D是碳化硅功率器件。为了对器件剖面进行观察，本文利用金相切片方法对3种器件制样，并基于场发射扫描电子显微镜（FESEM, Zeiss Gemini 500）进行半导体样品的量测。
1.2 剖面结构量测和发现
硅基IPA95R450P7和碳化硅AIMW120R080M1均为平面栅MOSFET，其剖面结构设计图如图1a所示。图1b是IPA95R450P7器件的SEM图像，其中加速电压为5 kV。在图中，栅极区域较硅和金属区域显暗色，而不同掺杂类型的硅之间没有明显的明暗差异。沿图中直线提取灰度值如图1c，金属区域灰度平均值为117.4，栅极区域灰度平均值为103.6，硅的灰度值没有因掺杂类型发生明显变化，在132～135之间波动，不能用SEM图像直接区分不同掺杂类型的硅。
图1d是AIMW120R080M1器件的SEM图像，其中加速电压为5 kV。在图中，栅极和不同掺杂类型的碳化硅之间出现明显的明暗差异。沿图中直线提取灰度值如图1e，N+型碳化硅灰度平均值为30.3，P型碳化硅灰度平均值为52.6，N−型碳化硅灰度平均值为39.1，3个区域的灰度值有明显差别，可以用SEM图像直接区分不同掺杂类型的碳化硅。参考器件的剖面结构设计图，可以对不同掺杂的区域进行划分，并提取器件参数，得到N+阱深度为0.38 μm，P阱深度为1.16 μm。
综上所述，硅MOSFET中PN结在SEM图像中没有明显的明暗变化，而碳化硅MOSFET中PN结在SEM图像中显现出明暗变化，且P型区显亮色，N型区显暗色。为了更直接地对比量测结果，可测量相关材料的SEY。
2. 功能层材料的SEY发射特性分析
2.1 SEY测量方法
在SEY测量中，本文采用收集法[15-16]测试导电性差的样品，用样品电流法[17]测试导电性好的样品。样品电流法测量SEY在场发射扫描电子显微镜（FESEM, Zeiss Gemini 500）中进行，该腔体的真空度要优于2×10−6 Torr，出射电子能量范围为20～
30000 eV，电子束流范围为50～2000 pA，具体测量原理如图2所示。测试过程中，放大倍数为500倍，此时视场测量的面积为220×150 μm2，扫描周期设定为330 ms。测试主要过程：首先将电子枪移动到法拉第筒正上方并调节焦距，使电子束聚焦于测量平面；在0.05～10 keV范围内改变电子束能量，并调节焦距保证电子束聚焦于法拉第杯开口位置，利用FESEM自带的皮安表测量不同电子束能量对应的入射电子束电流IP；然后将电子枪移动到样品正上方，在0.05～10 keV范围内改变电子束能量，并调节焦距保证电子束聚焦于样品表面，测量不同电子束能量下的样品电流IS。那么，可根据式(1)计算材料的SEY：$$ \sigma = 1 - \frac{{{I_{\text{S}}}}}{{{I_{\text{P}}}}} $$ (1) 基于SEM的样品电流法不仅能及时观测测量区域的微观形貌，同时充分利用了电子束流的高稳定性和电子能量的宽范围可调的特性，能在宽能量范围内较为稳定地测得材料的二次电子发射特性。
2.2 SEY测试结果分析
对SEM量测过程中涉及的部分材料进行SEY测量。图3是不同掺杂类型的硅和碳化硅的SEY测试结果。N型硅的SEY最大值为σmax=2.12，P型硅的SEY最大值为σmax=2.35，并且在出射电子能量满足0.05 keV＜Ep＜10 keV时，P型硅的SEY大于N型硅的SEY。N型碳化硅的SEY最大值为σmax=2.20，P型碳化硅的SEY最大值为σmax=2.59，且在测量范围内，P型碳化硅的SEY大于N型碳化硅的SEY。
当材料的SEY较大时，材料表面的次级电子发射效率较高，在SEM图像中将体现为该区域显亮色。根据掺杂半导体硅和碳化硅材料SEY曲线变化，当初始电子能量在0.05～10 keV范围内，P型掺杂区SEY大于N型掺杂区SEY，则P型掺杂区显亮色，N型掺杂区显暗色。在SEM量测剖面结构过程中，设定的入射电子束能量Ep=5 keV，所以碳化硅的SEM图像中，P型碳化硅显亮色，N型碳化硅显暗色。
为了更好地体现SEM图像中的明暗差异，N型掺杂区和P型掺杂区之间的衬度可由该区域的SEY的比率表示：
$$ {C_{{\text{pn}}}} = \left| {\frac{{{\sigma _{\text{n}}}}}{{{\sigma _{\text{p}}}}} - 1} \right| $$ (2) 式中，Cpn表示N型掺杂区和P型掺杂区之间的衬度；σn表示N型掺杂区的SEY；σp表示P型掺杂区的SEY。
对不同掺杂类型的硅和碳化硅的SEY测试结果进行处理，图4展示了掺杂衬度Cpn随初始电子能量Ep的变化情况。根据图4可知，硅和碳化硅的Cpn随Ep的增大整体呈先增大后减小的趋势。硅的掺杂衬度的峰值Cpnmax=0.13，达到该峰值对应的初始电子能量Epmax=0.8 keV；碳化硅的掺杂衬度的峰值Cpnmax=0.25，达到该峰值对应的初始电子能量Epmax=2 keV。当Ep在300 eV～10 keV之间变化时，硅的Cpn几乎全部小于0.13，而碳化硅的Cpn几乎全部大于0.13。也就是说，硅的Cpn小于碳化硅的Cpn，在SEM图像中N型碳化硅和P型碳化硅之间比N型硅和P型硅之间掺杂衬度更大。
在SEM量测剖面结构过程中，设定的初始电子能量为5 keV，硅的掺杂衬度Cpn=0.08，碳化硅的掺杂衬度Cpn=0.16，所以SEM图像中N型碳化硅和P型碳化硅之间明暗差异明显，N型硅和P型硅之间没有明显差异，能利用SEM进行碳化硅PN结的量测而不能进行硅基PN结的量测。
3. 掺杂衬度产生原理
从二次电子发射角度对不同半导体材料掺杂后SEY的变化进行解释。当入射电子与原子相互作用激发出部分电子，也就是内二次电子。内二次电子只有运动到样品表面并克服表面势垒，它们才能以二次电子的形式逸出固体表面，然后被探测器捕获。考虑到样品的功函数φ和费米能级EF，激发电子的能量E'只有满足E' >φ+EF，该电子才能克服表面势垒，以二次电子的形式发射出来。
本文SEM量测中，主要涉及Si、SiC、Al和SiO2 这4种材料，此外GaN、GaAs、Au、Cu和Al2O3均为常见材料，对这些半导体、金属和氧化物进行了SEY测试，结果如图5所示。其中，用红色图标表示半导体材料，用蓝色图标表示金属材料，用绿色图标表示氧化物材料，用★表示量测中涉及的材料。可以发现，氧化物材料的SEY明显大于金属材料和半导体材料的SEY。
在金属材料中，入射电子与导带自由电子、声子相互作用，导致能量损失，产生的二次电子在逸出时与导带电子也会进行多次碰撞进，抑制了二次电子发射。氧化物材料导带中的电子很少，减少了二次电子与导带电子的碰撞概率，增大了二次电子逸出几率[18-20]。相比之下，半导体材料禁带宽度窄，电子容易从价带跃迁到导带，所以电子平均自由程比氧化物材料小，导致SEY要小于氧化物。根据上述分析，氧化物中低导带电子密度和长平均自由程是其SEY高于金属和半导体的主要原因。
SEM图像中掺杂衬度产生同样与材料表面性质有关[9, 21]。通常情况下，半导体材料的表面因为存在缺陷或杂质而失去原有的周期性结构，从而产生表面态。表面态吸引内部载流子，在材料表面引起电偶极矩的形成，有时甚至会导致净电荷的累积。该现象使表面费米能级向禁带中心位置偏移，能带发生弯曲，如图6所示。
在N型半导体表面，内部费米能级比表面费米能级高，能带向上弯曲，在样品表面形成一个由体内指向表面的内建电场。在内建电场的作用下，部分能量较低的内二次电子不能从材料表面射出，探测器接收到的二次电子数目减少。同样的道理，P型半导体表面，能带向下弯曲，在样品表面形成一个由表面指向体内的内建电场。可以使部分能量较低的内二次电子加速，离开样品表面，探测器接收到的二次电子数目增多。综上所述，N型半导体抑制二次电子从样品表面出射，P型半导体促进二次电子从样品表面出射，导致P型半导体比N型半导体SEY更大，二者在SEM图像中存在明暗差异。
N型和P型两种掺杂类型的材料SEY的大小与表面内建电场的大小有关。一方面，碳原子比硅原子的原子半径小，那么碳化硅材料表面悬挂键密度比硅材料表面的悬挂键密度更大。在文献[22-23]中，测得碳化硅表面态密度1013 cm−2·eV−1，大于硅单晶表面态密度1011 cm−2·eV−1。由于悬挂键的存在，材料表面可与体内交换电子和空穴，使半导体表面呈耗尽状态。另一方面，硅是一种简单的共价晶体，表面的原子排列比较规则。而碳化硅是化合物材料，包含了多种原子和化学键，晶体结构比硅的晶体结构更加复杂，在碳化硅表面较容易形成表面原子排列的不规则性和表面缺陷。所以，硅和碳化硅两种材料对比，碳化硅材料产生的表面态密度更大，表面内建电场也更大，所以碳化硅PN结衬度比硅基PN结衬度大，能利用SEM进行碳化硅PN结的量测而不能进行硅基PN结的量测。
为探究掺杂浓度和SEY的关系，测试了N型和P型不同掺杂浓度的硅的SEY曲线，如图7所示。图7a中，对于N型掺杂，随着掺杂浓度的增加，SEY呈减小趋势；图7b中，对P型掺杂，掺杂浓度增加，SEY减小，但在重掺杂和中掺杂中基本相同。随着掺杂浓度的增加，内二次电子的有效逃逸深度减小[24]。有效逃逸深度是影响SEY的一个关键参数，有效逃逸深度越小，二次电子逃逸到真空中的可能性降低。另外，掺杂浓度增加导致导带自由电子增多，增加了电子-电子散射作用，减小了平均自由程，抑制了二次电子的逸出[19-20, 25]。也就是说掺杂浓度增大对SEY有抑制作用。
4. 结束语
本文基于硅基MOSFET和碳化硅MOSFET中PN结的二次电子图像，实验测量并结合理论分析，探讨了二次电子图像中掺杂半导体衬度的产生机制，得出以下结论。
1）利用SEM进行了硅基MOSFET和碳化硅MOSFET器件的量测，在SEM图像中直观体现出硅和碳化硅的PN结衬度差异：N型硅和P型硅之间没有明显的图像对比度而N型碳化硅和P型碳化硅有明显的明暗对比，且P型区显亮色、N型区显暗色。
2）基于SEM用样品电流法测量了不同掺杂类型的硅和碳化硅的SEY，比较分析测试结果得出：P型区的SEY比N型区大；硅的掺杂衬度小于碳化硅的掺杂衬度。所以利用SEM可以实现碳化硅PN结的量测，而不能进行硅基PN结的量测。
3）碳化硅和硅的衬度差异和材料表面性质密切相关。由于表面态的存在，能带发生弯曲，产生表面内建电场，所以P型半导体的SEY大于N型半导体；由于碳化硅材料产生的表面态密度更大，表面内建电场更强，所以碳化硅PN结衬度相对较大，能利用SEM进行碳化硅PN结的量测而不能进行硅基PN结的量测。
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