SiC-substraatin ja epitaksiaalisten materiaalien vaikutukset MOSFET-laitteen ominaisuuksiin

Kolmiomainen vika

Kolmion muotoiset viat ovat tappavimpia piikarbidin epitaksiaalisten kerrosten morfologisia vikoja. Lukuisat kirjallisuusraportit ovat osoittaneet, että kolmiomaisten vikojen muodostuminen liittyy 3C-kidemuotoon. Erilaisista kasvumekanismeista johtuen monien kolmiomaisten vikojen morfologia epitaksiaalikerroksen pinnalla on kuitenkin melko erilainen. Se voidaan karkeasti jakaa seuraaviin tyyppeihin:

(1) Siinä on kolmion muotoisia vikoja, joiden yläosassa on suuria hiukkasia

Tämän tyyppisessä kolmiomaisessa viassa on suuri pallomainen hiukkanen yläosassa, joka voi johtua putoavista esineistä kasvuprosessin aikana. Tästä kärjestä alaspäin voidaan havaita pieni kolmiomainen alue, jolla on karkea pinta. Tämä johtuu siitä, että epitaksiaalisessa prosessissa kolmioalueelle muodostuu peräkkäin kaksi erilaista 3C-SiC-kerrosta, joista ensimmäinen kerros on nukleoitunut rajapinnalla ja kasvaa 4H-SiC-vaihevirtauksen läpi. Kun epitaksiaalikerroksen paksuus kasvaa, toinen 3C-polytyypin kerros nukleoituu ja kasvaa pienempiin kolmiomaisiin kuoppiin, mutta 4H-kasvuvaihe ei peitä kokonaan 3C-polytyypin aluetta, joten 3C-SiC:n V-muotoinen urapinta-ala on edelleen selvästi. näkyvissä

(2) Yläosassa on pieniä hiukkasia ja kolmion muotoisia vikoja, joilla on karkea pinta

Tämän tyyppisen kolmiomaisen vian kärjessä olevat hiukkaset ovat paljon pienempiä, kuten kuvasta 4.2 näkyy. Ja suurin osa kolmion muotoisesta alueesta on peitetty 4H-SiC:n askelvirtauksella, eli koko 3C-SiC-kerros on kokonaan upotettu 4H-SiC-kerroksen alle. Vain 4H-SiC:n kasvuvaiheet voidaan nähdä kolmiomaisella vikapinnalla, mutta nämä vaiheet ovat paljon suurempia kuin perinteiset 4H-kiteen kasvuvaiheet.

(3) Kolmion muotoisia vikoja sileällä pinnalla

Tämän tyyppisellä kolmiomaisella vialla on sileän pinnan morfologia, kuten kuvassa 4.3 näkyy. Tällaisissa kolmiomaisissa vioissa 3C-SiC-kerros peitetään 4H-SiC:n askelvirtauksella, ja pinnalla oleva 4H-kidemuoto kasvaa hienommaksi ja tasaisemmiksi.

Epitaksiaalisen kuopan viat

Epitaksiaaliset kuopat (Pits) ovat yksi yleisimmistä pintamorfologiavirheistä, ja niiden tyypillinen pintamorfologia ja rakenteelliset ääriviivat on esitetty kuvassa 4.4. KOH-etsauksen jälkeen laitteen takaosassa havaittu kierteityksen dislokaatio (TD) korroosiokuoppien sijainti vastaa selkeästi epitaksiaalisten kuoppien sijaintia ennen laitteen valmistelua, mikä osoittaa, että epitaksiaalisten kuoppavikojen muodostuminen liittyy kierteityshäiriöihin.

porkkanan vikoja

Porkkanavauriot ovat yleinen pintavika 4H-SiC epitaksiaalisissa kerroksissa, ja niiden tyypillinen morfologia on esitetty kuvassa 4.5. Porkkanavian kerrotaan muodostuneen frankonilaisten ja prismaattisten pinoamisvirheiden risteyksestä, jotka sijaitsevat tyvitasolla, joita yhdistävät askelmaiset sijoitukset. On myös raportoitu, että porkkanavirheiden muodostuminen liittyy substraatin TSD:hen. Tsuchida H. et ai. havaitsi, että porkkanavirheiden tiheys epitaksiaalisessa kerroksessa on verrannollinen TSD:n tiheyteen substraatissa. Ja vertaamalla pinnan morfologiakuvia ennen ja jälkeen epitaksiaalisen kasvun, kaikki havaitut porkkanavirheet voidaan havaita vastaavan substraatin TSD:tä. Wu H. et ai. käytti Raman-sirontatestin karakterisointia havaitakseen, että porkkanavirheet eivät sisältäneet 3C-kidemuotoa, vaan vain 4H-SiC-polytyyppiä.

Kolmiomaisten vikojen vaikutus MOSFET-laitteen ominaisuuksiin

Kuva 4.7 on histogrammi kolmen kolmiomaisia ​​vikoja sisältävän laitteen viiden ominaisuuden tilastollisesta jakautumisesta. Sininen katkoviiva on laitteen ominaisuuksien heikkenemisen jakoviiva ja punainen katkoviiva on laitevian jakoviiva. Laitteen vioissa kolmiomaisilla vioilla on suuri vaikutus, ja vikaprosentti on yli 93%. Tämä johtuu pääasiassa kolmiomaisten vikojen vaikutuksesta laitteiden käänteisvuodon ominaisuuksiin. Jopa 93 % kolmiomaisia ​​vikoja sisältävistä laitteista on lisännyt merkittävästi käänteisvuotoja. Lisäksi kolmiomaisilla vioilla on myös vakava vaikutus portin vuotoominaisuuksiin, ja niiden hajoamisaste on 60 %. Kuten taulukosta 4.2 näkyy, kynnysjännitteen heikkenemisen ja runkodiodin ominaisuuden huononemisen osalta kolmiomaisten vikojen vaikutus on pieni ja huononemisosuudet ovat vastaavasti 26 % ja 33 %. On-resistenssin lisäämisen kannalta kolmiomaisten vikojen vaikutus on heikko ja hajoamissuhde on noin 33 %.

Epitaksiaalisten kuoppavikojen vaikutus MOSFET-laitteen ominaisuuksiin

Kuva 4.8 on histogrammi viiden ominaisuuden tilastollisesta jakautumisesta laitteelle, joka sisältää epitaksiaalisia kuoppavikoja. Sininen katkoviiva on laitteen ominaisuuksien heikkenemisen jakoviiva ja punainen katkoviiva on laitevian jakoviiva. Tästä voidaan nähdä, että SiC MOSFET -näytteessä olevien laitteiden lukumäärä, joissa on epitaksiaalisia kuoppavikoja, on yhtä suuri kuin kolmiomaisia ​​vikoja sisältävien laitteiden lukumäärä. Epitaksiaalisten kuoppavikojen vaikutus laitteen ominaisuuksiin on erilainen kuin kolmiomaisten vikojen vaikutus. Laitevikojen osalta epitaksiaalisia kuoppavikoja sisältävien laitteiden vikaantuvuus on vain 47 %. Kolmiomaisiin vioihin verrattuna epitaksiaalisten kuoppavikojen vaikutus laitteen käänteisvuodon ominaisuuksiin ja portin vuotoominaisuuksiin on heikentynyt merkittävästi, ja huononemissuhteet ovat 53 % ja 38 %, kuten taulukosta 4.3 näkyy. Toisaalta epitaksiaalisten kuoppavikojen vaikutus kynnysjännitteen ominaisuuksiin, runkodiodin johtavuusominaisuuksiin ja päällekytkentävastukseen on suurempi kuin kolmiomaisten vikojen, jolloin hajoamissuhde on 38 %.

Yleisesti ottaen kahdella morfologisella vialla, nimittäin kolmioilla ja epitaksiaalikuopilla, on merkittävä vaikutus SiC MOSFET -laitteiden vikaantumiseen ja ominaisen heikkenemiseen. Kolmiomaisten vikojen olemassaolo on kohtalokkain, jopa 93 %:n vikaantuminen, mikä ilmenee pääasiassa laitteen käänteisvuodon merkittävänä lisääntymisenä. Epitaksiaalisia kuoppavikoja sisältävillä laitteilla vikaprosentti oli pienempi, 47 %. Kuitenkin epitaksiaalisilla kuoppavirheillä on suurempi vaikutus laitteen kynnysjännitteeseen, rungon diodin johtavuusominaisuuksiin ja päällekytkentävastukseen kuin kolmiomaisilla vioilla.