Dreieckiger Defekt
Dreieckige Defekte stellen die gravierendsten morphologischen Defekte in SiC-Epitaxieschichten dar. Zahlreiche Veröffentlichungen belegen einen Zusammenhang zwischen der Bildung dreieckiger Defekte und der 3C-Kristallform. Aufgrund unterschiedlicher Wachstumsmechanismen weist die Morphologie vieler dreieckiger Defekte auf der Oberfläche der Epitaxieschicht jedoch erhebliche Unterschiede auf. Sie lassen sich grob in folgende Typen unterteilen:
(1) Es gibt dreieckige Defekte mit großen Partikeln an der Oberseite
Dieser dreieckige Defekt weist an seiner Spitze ein großes kugelförmiges Partikel auf, das möglicherweise durch herabfallende Objekte während des Wachstumsprozesses verursacht wurde. Von dieser Spitze aus ist nach unten ein kleiner, dreieckiger Bereich mit rauer Oberfläche zu erkennen. Dies liegt daran, dass sich während des Epitaxieprozesses in diesem Bereich nacheinander zwei verschiedene 3C-SiC-Schichten bilden. Die erste Schicht keimt an der Grenzfläche und wächst durch den 4H-SiC-Stufenfluss. Mit zunehmender Dicke der Epitaxieschicht keimt die zweite Schicht des 3C-Polytyps und wächst in kleineren dreieckigen Vertiefungen. Da die 4H-Wachstumsstufe den 3C-Polytypbereich jedoch nicht vollständig bedeckt, bleibt die V-förmige Rille des 3C-SiC deutlich sichtbar.
(2) An der Oberseite befinden sich kleine Partikel und dreieckige Defekte mit rauer Oberfläche.
Die Partikel an den Ecken dieses dreieckigen Defekts sind deutlich kleiner, wie in Abbildung 4.2 dargestellt. Der größte Teil der dreieckigen Fläche ist vom Stufenfluss des 4H-SiC bedeckt, d. h. die gesamte 3C-SiC-Schicht ist vollständig unter der 4H-SiC-Schicht eingebettet. Auf der Oberfläche des dreieckigen Defekts sind lediglich die Wachstumsstufen des 4H-SiC sichtbar, diese sind jedoch wesentlich größer als die herkömmlichen Wachstumsstufen des 4H-Kristalls.
(3) Dreieckige Defekte mit glatter Oberfläche
Dieser Typ dreieckiger 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 an der Oberfläche wächst feiner und glatter.
Epitaxiale Grubenfehler
Epitaxiale Vertiefungen (Pits) gehören zu den häufigsten Oberflächenmorphologiedefekten. Ihre typische Oberflächenmorphologie und ihr struktureller Aufbau sind in Abbildung 4.4 dargestellt. Die Lage der nach KOH-Ätzung auf der Rückseite des Bauelements beobachteten Korrosionsgruben durch Versetzungen (TD) stimmt klar mit der Lage der epitaxialen Vertiefungen vor der Bauelementpräparation überein. Dies deutet darauf hin, dass die Bildung epitaxialer Vertiefungsdefekte mit Versetzungen zusammenhängt.
Karottenfehler
Karottenförmige Defekte sind ein häufiger Oberflächenfehler in 4H-SiC-Epitaxieschichten. Ihre typische Morphologie ist in Abbildung 4.5 dargestellt. Es wird berichtet, dass diese Defekte durch das Zusammentreffen von fränkischen und prismatischen Stapelfehlern auf der Basalebene entstehen, die durch stufenförmige Versetzungen verbunden sind. Die Bildung dieser Defekte steht in Zusammenhang mit der Oberflächenspannung im Substrat. Tsuchida et al. fanden heraus, dass die Dichte der karottenförmigen Defekte in der Epitaxieschicht proportional zur Dichte der Oberflächenspannung im Substrat ist. Durch den Vergleich der Oberflächenmorphologie vor und nach dem Epitaxiewachstum konnte gezeigt werden, dass alle beobachteten karottenförmigen Defekte der Oberflächenspannung im Substrat entsprechen. Wu et al. charakterisierten die Defekte mittels Raman-Streuung und stellten fest, dass sie nicht die 3C-Kristallform, sondern ausschließlich den 4H-SiC-Polytyp aufweisen.
Einfluss dreieckiger Defekte auf die Eigenschaften von MOSFET-Bauelementen
Abbildung 4.7 zeigt ein Histogramm der statistischen Verteilung von fünf Kennlinien eines Bauelements mit dreieckigen Defekten. Die blaue gestrichelte Linie markiert die Grenze für die Verschlechterung der Kennlinien, die rote gestrichelte Linie die Grenze für den Geräteausfall. Dreieckige Defekte haben einen großen Einfluss auf den Geräteausfall; die Ausfallrate liegt bei über 93 %. Dies ist hauptsächlich auf den Einfluss der dreieckigen Defekte auf die Sperrstromcharakteristik zurückzuführen. Bei bis zu 93 % der Bauelemente mit dreieckigen Defekten ist der Sperrstrom signifikant erhöht. Darüber hinaus beeinträchtigen die dreieckigen Defekte auch die Gate-Leckstromcharakteristik erheblich; die Verschlechterungsrate beträgt 60 %. Wie Tabelle 4.2 zeigt, ist der Einfluss dreieckiger Defekte auf die Verschlechterung der Schwellenspannung und der Body-Diode gering; die Verschlechterungsanteile liegen bei 26 % bzw. 33 %. Auch der Einfluss dreieckiger Defekte auf den Einschaltwiderstand ist gering; der Verschlechterungsanteil beträgt etwa 33 %.
Einfluss von Epitaxiegruben auf die Eigenschaften von MOSFET-Bauelementen
Abbildung 4.8 zeigt ein Histogramm der statistischen Verteilung von fünf Kennlinien eines Bauelements mit Epitaxiegruben. Die blaue gestrichelte Linie markiert die Grenze für die Verschlechterung der Kennlinien, die rote gestrichelte Linie die Grenze für den Ausfall des Bauelements. Daraus ist ersichtlich, dass die Anzahl der Bauelemente mit Epitaxiegruben in der SiC-MOSFET-Probe der Anzahl der Bauelemente mit dreieckigen Defekten entspricht. Der Einfluss von Epitaxiegruben auf die Bauelementkennlinien unterscheidet sich von dem dreieckiger Defekte. Die Ausfallrate der Bauelemente mit Epitaxiegruben beträgt lediglich 47 %. Im Vergleich zu dreieckigen Defekten ist der Einfluss von Epitaxiegruben auf die Sperr- und Gate-Leckstromkennlinien des Bauelements deutlich geringer, mit Verschlechterungsraten von 53 % bzw. 38 % (siehe Tabelle 4.3). Andererseits ist der Einfluss von Epitaxiegrubenfehlern auf die Schwellenspannungscharakteristik, die Leitfähigkeit der Body-Diode und den Einschaltwiderstand größer als der von Dreiecksfehlern, wobei das Degradationsverhältnis 38 % erreicht.
Im Allgemeinen haben zwei morphologische Defekte, nämlich Dreiecke und Epitaxiegruben, einen signifikanten Einfluss auf das Versagen und die Verschlechterung der Eigenschaften von SiC-MOSFETs. Dreieckige Defekte sind mit einer Ausfallrate von bis zu 93 % am schwerwiegendsten und äußern sich hauptsächlich in einem signifikanten Anstieg des Sperrstroms. Bauelemente mit Epitaxiegruben weisen eine geringere Ausfallrate von 47 % auf. Epitaxiegruben beeinflussen jedoch die Schwellenspannung, die Leitfähigkeit der Body-Diode und den Durchlasswiderstand stärker als dreieckige Defekte.
Veröffentlichungsdatum: 16. April 2024