碳化硅與氮化鎵功率器件中的膜厚測量：外延層、柵氧層與場氧化層

新能源車、充電樁、光伏逆變器都在搶碳化硅和氮化鎵的產能。這兩種寬禁帶半導體的性能很大程度上取決于外延層和柵氧層的膜厚精度，偏幾個納米就可能影響擊穿電壓和導通電阻。這篇文章把 SiC 和 GaN 器件里幾個關鍵的膜厚測量點梳理一遍，從外延到柵氧，從 R&D 到產線。

目錄：

l                      SiC 和 GaN 為什么對膜厚這么敏感

l                      SiC 外延層：厚度和均勻性測量

l                      SiC 柵氧層：最薄的膜，最大的影響

l                      GaN HEMT 外延結構：多層膜疊加

l                      場氧化層與鈍化層

l                      測量方法選型：反射法、橢偏儀還是 XRR

l                      總結

1. SiC 和 GaN 為什么對膜厚這么敏感

SiC MOSFET 的柵氧層只有 50-100 nm 厚，這個厚度直接決定閾值電壓 Vth 和柵極可靠性。偏 5 nm，Vth 可能漂移 0.5 V 以上。SiC 外延層的厚度和摻雜濃度共同決定了器件的擊穿電壓，1200 V 器件需要約 10 μm 的外延層，厚度偏差超過 5% 就可能達不到額定耐壓。

GaN HEMT 的 2DEG 溝道導電性對 AlGaN 勢壘層厚度極度敏感，幾個納米的偏差就能讓溝道載流子濃度變化 10% 以上。所以在寬禁帶半導體里，膜厚不是錦上添花，是決定器件能不能用的硬指標。

硅基器件對膜厚偏差的容忍度通常在一個數量級以上。SiC 和 GaN 把電壓和電場推到更高，薄膜厚度這個參數就從常規質量控制變成了器件的設計約束條件。測不準，等于設計參數沒落地。

2. SiC 外延層：厚度和均勻性測量

SiC 外延層用 CVD 在 SiC 襯底上生長，厚度從幾 μm 到幾十 μm 不等。測量難點在于：SiC 襯底和外延層是同質材料，光學上幾乎沒有界面反射對比度，常規反射法不好測。

主流方案是用 FTIR（傅里葉變換紅外光譜）測外延層厚度，利用 SiC 在中紅外波段的微弱折射率差異。另一種方法是先在外延層上做臺階刻蝕再用臺階儀測。產線上 FTIR 是常用的，速度快、非接觸，精度可以到 ±0.1 μm。但 FTIR 需要知道外延層的折射率，而 SiC 的折射率隨多型（4H-SiC vs 6H-SiC）和摻雜濃度變化，需要提前標定。

均勻性是另一個需要關注的維度。6 英寸或 8 英寸 SiC 晶圓上，外延層厚度的片內均勻性通常要求在 ±3% 以內。FTIR 配合多點自動 Mapping 可以快速給出整片的厚度分布圖。需要注意的是，高摻雜濃度的緩沖層和低摻雜濃度的漂移層之間存在折射率差異，如果 FTIR 只做單層擬合，可能會把緩沖層厚度也算進去，導致整體偏差。

3. SiC 柵氧層：最薄的膜，最大的影響

SiC MOSFET 的柵氧層通常用熱氧化或 CVD 沉積 SiO?，厚度 50-100 nm。這個膜太薄了，常規反射法在可見光波段幾乎沒有足夠的干涉條紋來擬合。

解決思路是把波長擴展到深紫外（DUV 190 nm），短波長處的干涉信號更強。或者用光譜橢偏儀，橢偏儀測偏振態變化，對超薄膜的靈敏度遠高于反射法，精度可以到 ±0.1 nm。

柵氧層還有一個特殊問題：SiC 熱氧化的速率比 Si 慢得多，而且氧化層 / SiC 界面的碳殘留會影響光學常數，需要專門的界面層模型來處理。如果直接用 Si 上 SiO?的光學常數去擬合 SiC 上的氧化層，擬合殘差會偏大，厚度結果可能系統性地偏 1-2 nm。所以 SiC 柵氧層的橢偏建模里，界面層（interface layer）不是一個可選參數，是必須放進模型里的。

4. GaN HEMT 外延結構：多層膜疊加

GaN HEMT 的典型外延結構從下到上是：襯底（Si/SiC/ 藍寶石）、成核層（AlN，幾十 nm）、緩沖層（GaN 或 AlGaN 超晶格，1-3 μm）、溝道層（GaN，幾百 nm）、勢壘層（AlGaN，15-25 nm）、帽層（GaN 或 SiN，2-5 nm）。

勢壘層是最關鍵的一層，厚度和 Al 組分直接決定 2DEG 的面密度。15-25 nm 的 AlGaN 在可見光波段反射信號很弱，需要紫外波段加橢偏儀聯合分析。多層結構疊加在一起，各層之間的光學常數耦合會讓擬合變得復雜。

常用的策略是逐層測量：每生長一層就測一次，用已測數據約束后續擬合。比如先測緩沖層的 GaN 厚度，把它作為已知量固定，再去擬合勢壘層 AlGaN 的厚度和 Al 組分。這樣做的好處是大幅減少擬合自由度，結果更穩定。但逐層測量的前提是能在生長過程中做在線測量，或者每爐取片離線測，對工藝流程有一定要求。

另外需要注意的是，AlGaN 的折射率隨 Al 組分變化明顯，Al 組分 0.2 和 0.3 的 AlGaN 在 400 nm 處的 n 值差約 0.05，如果 Al 組分不準，膜厚擬合也會跟著偏。

5. 場氧化層與鈍化層

SiC MOSFET 的場氧化層（Field Oxide）通常比柵氧層厚得多，在 0.5-2 μm 范圍，主要起邊緣電場管理和隔離作用。GaN HEMT 的鈍化層（通常是 SiN）在 50-200 nm，用來抑制電流崩塌效應。

場氧化層厚度大，反射法在可見光波段就能測得很準，常規膜厚儀就能搞定。需要注意的是場氧化層通常不是單層結構，可能是 SiO?加 SiN 的疊層，兩層之間的折射率差需要提前標定。

鈍化層 SiN 的厚度和折射率需要同時監控，因為 SiN 的折射率隨 Si/N 比變化，而折射率變化又會影響后續光刻工藝的 CD 控制。PECVD 沉積的 SiN，n 值可以從 1.90 變到 2.10，對應 Si/N 比從富 Si 到富 N。如果只監控厚度不管 n 值，等于漏掉了一個關鍵的工藝一致性指標。

對于 GaN HEMT 的 SiN 鈍化層，還有一個特殊點：SiN 直接沉積在 AlGaN 勢壘層上，SiN/AlGaN 界面的電荷狀態會影響 2DEG 濃度。所以 SiN 厚度的工藝窗口比常規鈍化層更窄，偏差通常控制在 ±5% 以內。

6. 測量方法選型：反射法、橢偏儀還是 XRR

SiC/GaN 領域常用的膜厚測量方法各有適用場景，核心是看膜層厚度范圍和材料特性來選。

表 1 寬禁帶半導體薄膜測量方法對比表

選型邏輯總結：R&D 階段橢偏儀是主力，能建光學常數模型、能測超薄膜。產線上 FTIR 測外延層、反射法測厚膜是標配。柵氧層這種超薄關鍵層，建議定期用橢偏儀或 XRR 做交叉驗證。

XRR（X 射線反射法）在 SiC/GaN 領域更多是作為參考標準用，精度但速度慢、樣品要求平整，不適合產線。通常是用 XRR 標定一批樣品的膜厚后，再用光學方法做日常監控，兩者之間建立關聯曲線。

還有一個容易被忽略的點：紫外波段的光源和探測器比可見光波段貴且壽命短，DUV 反射法的運營成本比可見光反射法高不少，所以產線上如果不是非用不可，優先選可見光方案。

7. 總結

SiC 和 GaN 對膜厚的要求比硅基器件高一個量級。外延層偏差影響耐壓，柵氧層偏差影響 Vth，勢壘層偏差影響溝道濃度。把膜厚測準不是錦上添花，是器件能不能達到設計指標的硬條件。

對工藝工程師來說，關鍵是根據膜層特點和精度要求選對測量方法：超薄膜上橢偏儀，厚膜上反射法，外延層上 FTIR，然后定期交叉校準。測量方法沒有萬能的，但組合使用可以把盲區降到較低。

寬禁帶半導體的工藝還在快速演進，SiC 從 4 英寸向 8 英寸遷移，GaN 從 6 英寸向 8 英寸遷移，晶圓尺寸變大意味著均勻性要求更高、測量點更多。在這個趨勢下，測量方案能不能跟上工藝節奏，會成為區分量產水平和實驗室水平的一個分水嶺。