分析检测中心技术探秘：SCM表征PN特性

随着电子技术的不断演进，半导体材料及器件对高精度表征的需求愈发迫切，但传统手段如SIMS和SEM难以获取纳米尺度的掺杂分布信息。扫描电容显微镜（SCM）将原子力显微镜（AFM）与电容测量相结合，精准呈现样品表面局部掺杂分布与失效点位，为器件设计优化、工艺改进及可靠性评估提供了关键技术支撑[1-2]。

a)    本方案涉及的机台为原子力显微镜AFM（Park NX20），通过在导电探针和样品之间施加电场来测量半导体表面电容的空间变化。
b)    可获取的信息：掺杂类型、掺杂分布及尺寸、失效点位。
c)    样品处理：截面样品需要研磨，top view样品需要去除顶部结构层。
d)    优势：相较于SIMS、SRP技术，SCM不受掺杂元素和深度的制约并能提供纳米尺度的二维空间分布图像；相较于SEM技术，SCM对载流子浓度的分辨率更高。

在高功率器件中，离子注入异常会造成耐压的降低/反向漏电流的增加（IDSS过高）、阈值电压的漂移、导通电阻异常等。因此，离子注入的表征在生产过程监控/失效分析中均起到了极其重要的作用。常见的表征方法如SEM/SIMS可以满足一般需求，但对于掺杂浓度接近的样品，SEM无法准确表征，对于特殊结构/小样品，SIMS亦不适用。此外，硅基样品即使在进行染结后，也难以区分各离子注入结构边界（如图1所示）。SCM为特殊样品表征提供了可行方案。

图1. Si基样品cross section的SEM图像

图2为Si基样品cross section的SCM图像，SCM可以清晰地分辨掺杂类型、分布及特征结构的尺寸，对于掺杂相近的区域也可以从Amplitude图像中进行区分。

图2. 硅基样品截面Phase及Amplitude图像

除Si基样品外，SCM还可以用于测量第三代半导体材料，如图3所示。图4展示了SiC器件top view及cross section的SCM结果。与SEM对比，SCM可以明显地分辨出器件的NS、JFET及PW结构。作为AFM的高阶模式，SCM的空间分辨率可以达到纳米级别，更好助力工艺监控及失效表征等工作的进行。

图3.SiC器件SCM Quad data图像

图4.SiC器件top view、cross section的SCM与SEM结果对比

深圳平湖实验室分析检测中心聚焦半导体分析检测专业领域，致力于成为产业发展的坚实后盾，提供从前端到后端全流程、全方位的服务包括样品制备、失效分析、显微结构分析、材料分析与工程产品封装、电性测试及可靠性测试，以根因剖析导向满足客户及市场的需求。专注为产业提供全面、细致且高效的解决方案。

中心硕博占比80%，资深工程师（工作经验5年以上）占比50%，主要来自于闳康、EAG、胜科纳米、中芯国际、台积电、英诺赛科等知名企业。

何光泽
分析检测中心首席专家
毕业于台湾中央大学，曾担任闳康科技失效分析处长，TPCA构装委员会委员，近30年失效分析经验，在新失效分析技术研发方面亦有丰富经验。

参考文献

[1] J. Smoliner, B. Basnar, S. Golka, and E. Gornik. Mechanism of bias-dependent contrast in scanning-capacitance-microscopy images, Applied Physics Letters. 2001,79,3182.
[2] Chen Chen, Saptarsi Ghosh, Francesca Adams, Menno J. Kappers, David J. Wallis and Rachel A. Oliver. Scanning capacitance microscopy of GaN-based high electron mobility transistor structures: A practical guide, Ultramicroscopy. 2023, 254, 113833.