Dreieckiger Defekt
Dreieckige Defekte sind die schwerwiegendsten morphologischen Defekte in SiC-Epitaxieschichten. Zahlreiche Literaturberichte haben gezeigt, dass die Bildung dreieckiger Defekte mit der 3C-Kristallform zusammenhängt. Aufgrund unterschiedlicher Wachstumsmechanismen ist die Morphologie vieler dreieckiger Defekte auf der Oberfläche der Epitaxieschicht jedoch recht unterschiedlich. Man kann sie grob in folgende Typen einteilen:
(1) Es gibt dreieckige Defekte mit großen Partikeln an der Spitze
Bei dieser Art von dreieckigem Defekt befindet sich an der Spitze ein großes kugelförmiges Partikel, das durch herabfallende Gegenstände während des Wachstumsprozesses verursacht werden kann. Von diesem Scheitelpunkt aus ist ein kleiner dreieckiger Bereich mit rauer Oberfläche zu erkennen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass während des Epitaxieprozesses nacheinander zwei verschiedene 3C-SiC-Schichten im Dreiecksbereich gebildet werden, von denen die erste Schicht an der Grenzfläche keimt und durch den 4H-SiC-Stufenfluss wächst. Mit zunehmender Dicke der Epitaxieschicht bildet sich die zweite Schicht des 3C-Polytyps und wächst in kleineren dreieckigen Vertiefungen, aber der 4H-Wachstumsschritt deckt den Bereich des 3C-Polytyps nicht vollständig ab, wodurch der V-förmige Rillenbereich von 3C-SiC immer noch deutlich sichtbar wird sichtbar
(2) Oben befinden sich kleine Partikel und dreieckige Defekte mit rauer Oberfläche
Die Partikel an den Spitzen eines solchen dreieckigen Defekts sind viel kleiner, wie in Abbildung 4.2 dargestellt. Und der größte Teil der Dreiecksfläche wird vom Stufenfluss von 4H-SiC bedeckt, d. h. die gesamte 3C-SiC-Schicht ist vollständig unter der 4H-SiC-Schicht eingebettet. Auf der dreieckigen Defektoberfläche sind nur die Wachstumsschritte von 4H-SiC zu erkennen, diese sind jedoch viel größer als die herkömmlichen 4H-Kristallwachstumsschritte.
(3) Dreieckige Defekte mit glatter Oberfläche
Diese Art von dreieckigem Defekt weist eine glatte Oberflächenmorphologie auf, wie in Abbildung 4.3 dargestellt. Bei solchen dreieckigen Defekten wird die 3C-SiC-Schicht durch den Stufenfluss von 4H-SiC bedeckt und die 4H-Kristallform auf der Oberfläche wird feiner und glatter.
Defekte epitaktischer Vertiefungen
Epitaxiale Vertiefungen (Pits) gehören zu den häufigsten Defekten in der Oberflächenmorphologie. Ihre typische Oberflächenmorphologie und Strukturumrisse sind in Abbildung 4.4 dargestellt. Die Lage der Korrosionsgruben mit Gewindeversetzungen (TD), die nach dem KOH-Ätzen auf der Rückseite des Geräts beobachtet wurden, stimmt eindeutig mit der Lage der Epitaxiegruben vor der Gerätevorbereitung überein, was darauf hindeutet, dass die Bildung von Epitaxiegrubendefekten mit Gewindeversetzungen zusammenhängt.
Karottenfehler
Karottendefekte sind ein häufiger Oberflächendefekt in 4H-SiC-Epitaxieschichten und ihre typische Morphologie ist in Abbildung 4.5 dargestellt. Es wird berichtet, dass der Karottendefekt durch den Schnittpunkt von fränkischen und prismatischen Stapelfehlern entsteht, die sich auf der Basisebene befinden und durch stufenartige Versetzungen verbunden sind. Es wurde auch berichtet, dass die Bildung von Karottendefekten mit TSD im Substrat zusammenhängt. Tsuchida H. et al. fanden heraus, dass die Dichte der Karottendefekte in der Epitaxieschicht proportional zur TSD-Dichte im Substrat ist. Und durch den Vergleich der Oberflächenmorphologiebilder vor und nach dem epitaktischen Wachstum kann festgestellt werden, dass alle beobachteten Karottendefekte der TSD im Substrat entsprechen. Wu H. et al. verwendeten einen Raman-Streutest zur Charakterisierung und stellten fest, dass die Karottendefekte nicht die 3C-Kristallform, sondern nur den 4H-SiC-Polytyp enthielten.
Auswirkung dreieckiger Defekte auf die Eigenschaften von MOSFET-Geräten
Abbildung 4.7 ist ein Histogramm der statistischen Verteilung von fünf Merkmalen eines Geräts, das dreieckige Defekte enthält. Die blau gepunktete Linie ist die Trennlinie für die Verschlechterung der Geräteeigenschaften und die rot gepunktete Linie ist die Trennlinie für Gerätefehler. Bei Geräteausfällen haben Dreiecksfehler große Auswirkungen und die Ausfallrate liegt bei über 93 %. Dies wird hauptsächlich auf den Einfluss von Dreiecksfehlern auf die Rückstromeigenschaften von Geräten zurückgeführt. Bis zu 93 % der Geräte mit dreieckigen Defekten weisen eine deutlich erhöhte Rückwärtsleckage auf. Darüber hinaus haben die dreieckigen Defekte mit einer Verschlechterungsrate von 60 % auch einen gravierenden Einfluss auf die Gate-Leckageeigenschaften. Wie in Tabelle 4.2 gezeigt, ist der Einfluss von Dreiecksfehlern auf die Verschlechterung der Schwellenspannung und der Eigenschaften der Bodydiode gering und die Verschlechterungsanteile betragen 26 % bzw. 33 %. Im Hinblick auf eine Erhöhung des Einschaltwiderstands ist der Einfluss dreieckiger Defekte gering und die Degradationsrate beträgt etwa 33 %.
Auswirkung epitaktischer Pit-Defekte auf die Eigenschaften von MOSFET-Geräten
Abbildung 4.8 ist ein Histogramm der statistischen Verteilung von fünf Merkmalen eines Geräts, das epitaktische Pit-Defekte enthält. Die blau gepunktete Linie ist die Trennlinie für die Verschlechterung der Geräteeigenschaften und die rot gepunktete Linie ist die Trennlinie für den Geräteausfall. Daraus ist ersichtlich, dass die Anzahl der Bauelemente mit epitaktischen Pit-Defekten in der SiC-MOSFET-Probe der Anzahl der Bauelemente mit dreieckigen Defekten entspricht. Der Einfluss von epitaktischen Pit-Defekten auf die Geräteeigenschaften unterscheidet sich von dem von dreieckigen Defekten. Was den Geräteausfall betrifft, beträgt die Ausfallrate von Geräten mit epitaktischen Pit-Defekten nur 47 %. Im Vergleich zu dreieckigen Defekten ist der Einfluss epitaktischer Pit-Defekte auf die Reverse-Leckage-Eigenschaften und Gate-Leckage-Eigenschaften des Bauelements mit Degradationsraten von 53 % bzw. 38 % deutlich geringer, wie in Tabelle 4.3 dargestellt. Andererseits ist der Einfluss epitaktischer Pit-Defekte auf die Schwellenspannungseigenschaften, die Leitungseigenschaften der Body-Diode und den Einschaltwiderstand größer als der von dreieckigen Defekten, wobei die Degradationsrate 38 % erreicht.
Im Allgemeinen haben zwei morphologische Defekte, nämlich Dreiecke und epitaktische Vertiefungen, einen erheblichen Einfluss auf den Ausfall und die charakteristische Verschlechterung von SiC-MOSFET-Bauelementen. Das Vorhandensein dreieckiger Defekte ist mit einer Ausfallrate von bis zu 93 % am schwerwiegendsten und äußert sich hauptsächlich in einem deutlichen Anstieg der Rückwärtsleckage des Geräts. Geräte mit epitaktischen Pit-Defekten hatten eine geringere Ausfallrate von 47 %. Epitaxiale Pit-Defekte haben jedoch einen größeren Einfluss auf die Schwellenspannung, die Leitungseigenschaften der Body-Diode und den Einschaltwiderstand des Geräts als dreieckige Defekte.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. April 2024