Défaut triangulaire
Les défauts triangulaires sont les défauts morphologiques les plus problématiques dans les couches épitaxiales de SiC. De nombreuses études ont montré que leur formation est liée à la structure cristalline 3C. Cependant, en raison de différents mécanismes de croissance, la morphologie de nombreux défauts triangulaires à la surface de la couche épitaxiale est très variable. On peut les classer en plusieurs types :
(1) Il existe des défauts triangulaires avec de grosses particules à leur sommet.
Ce type de défaut triangulaire présente une grosse particule sphérique à son sommet, probablement due à la chute d'objets pendant la croissance. Une petite zone triangulaire à surface rugueuse est visible en contrebas de ce sommet. Ceci s'explique par la formation successive, lors de l'épitaxie, de deux couches de 3C-SiC différentes dans cette zone triangulaire. La première couche se forme par nucléation à l'interface et croît par la méthode de croissance par étapes du 4H-SiC. À mesure que l'épaisseur de la couche épitaxiale augmente, la seconde couche de polytype 3C se forme et croît dans des cavités triangulaires plus petites. Cependant, la croissance du 4H ne recouvre pas complètement la zone de polytype 3C, laissant ainsi la rainure en forme de V du 3C-SiC encore clairement visible.
(2) Il y a de petites particules en surface et des défauts triangulaires à surface rugueuse.
Les particules aux sommets de ce type de défaut triangulaire sont beaucoup plus petites, comme le montre la figure 4.2. La majeure partie de la zone triangulaire est recouverte par les marches de croissance du 4H-SiC ; autrement dit, la couche de 3C-SiC est entièrement enrobée sous la couche de 4H-SiC. Seules les marches de croissance du 4H-SiC sont visibles à la surface du défaut triangulaire, mais ces marches sont beaucoup plus importantes que les marches de croissance cristalline classiques du 4H.
(3) Défauts triangulaires à surface lisse
Ce type de défaut triangulaire présente une morphologie de surface lisse, comme le montre la figure 4.3. Pour de tels défauts triangulaires, la couche 3C-SiC est recouverte par le flux de marches de 4H-SiC, et la forme cristalline 4H sur la surface devient plus fine et plus lisse.
défauts épitaxiaux ponctuels
Les piqûres épitaxiales (Pits) sont l'un des défauts de morphologie de surface les plus courants, et leur morphologie de surface typique et leur contour structurel sont illustrés sur la figure 4.4. L'emplacement des piqûres de corrosion par dislocations traversantes (TD) observées après gravure KOH sur la face arrière du dispositif correspond clairement à l'emplacement des piqûres épitaxiales avant la préparation du dispositif, ce qui indique que la formation de défauts de piqûres épitaxiales est liée aux dislocations traversantes.
défauts de carottes
Les défauts en forme de carotte sont des défauts de surface courants dans les couches épitaxiales de 4H-SiC, et leur morphologie typique est illustrée sur la figure 4.5. Ces défauts se forment à l'intersection de défauts d'empilement franconiens et prismatiques situés sur le plan basal et reliés par des dislocations en forme de marche. Il a également été montré que la formation de ces défauts est liée à la présence de défauts d'empilement topologiques (TSD) dans le substrat. Tsuchida et al. ont constaté que la densité de défauts en forme de carotte dans la couche épitaxiale est proportionnelle à la densité de TSD dans le substrat. En comparant les images de morphologie de surface avant et après la croissance épitaxiale, on observe que tous les défauts en forme de carotte correspondent aux TSD du substrat. Wu et al. ont utilisé la spectroscopie Raman pour caractériser ces défauts et ont montré qu'ils ne contiennent pas la phase cristalline 3C, mais uniquement le polytype 4H-SiC.
Influence des défauts triangulaires sur les caractéristiques des transistors MOSFET
La figure 4.7 est un histogramme de la distribution statistique de cinq caractéristiques d'un dispositif présentant des défauts triangulaires. La ligne pointillée bleue représente la limite de dégradation des caractéristiques du dispositif, tandis que la ligne pointillée rouge représente la limite de défaillance. Les défauts triangulaires ont un impact considérable sur la défaillance, avec un taux supérieur à 93 %. Ceci est principalement dû à leur influence sur les caractéristiques de courant de fuite inverse. Jusqu'à 93 % des dispositifs présentant des défauts triangulaires présentent une augmentation significative de ce courant. De plus, ces défauts affectent également de manière significative les caractéristiques de courant de fuite de grille, avec un taux de dégradation de 60 %. Comme indiqué dans le tableau 4.2, l'impact des défauts triangulaires sur la dégradation de la tension de seuil et des caractéristiques de la diode de corps est faible, avec des taux de dégradation respectifs de 26 % et 33 %. Enfin, leur impact sur l'augmentation de la résistance à l'état passant est faible, avec un taux de dégradation d'environ 33 %.
Influence des défauts de type puits épitaxiaux sur les caractéristiques des transistors MOSFET
La figure 4.8 est un histogramme de la distribution statistique de cinq caractéristiques d'un dispositif présentant des défauts de type piqûre épitaxiale. La ligne pointillée bleue représente la limite de dégradation des caractéristiques du dispositif, tandis que la ligne pointillée rouge représente la limite de défaillance. On constate que le nombre de dispositifs présentant des défauts de type piqûre épitaxiale dans l'échantillon de MOSFET SiC est équivalent au nombre de dispositifs présentant des défauts triangulaires. L'impact des défauts de type piqûre épitaxiale sur les caractéristiques du dispositif diffère de celui des défauts triangulaires. En termes de défaillance, le taux de défaillance des dispositifs présentant des défauts de type piqûre épitaxiale n'est que de 47 %. Comparé aux défauts triangulaires, l'impact des défauts de type piqûre épitaxiale sur les caractéristiques de courant de fuite inverse et de courant de fuite de grille du dispositif est nettement atténué, avec des taux de dégradation respectifs de 53 % et 38 %, comme indiqué dans le tableau 4.3. En revanche, l'impact des défauts de type puits épitaxial sur les caractéristiques de tension de seuil, les caractéristiques de conduction de la diode de corps et la résistance à l'état passant est plus important que celui des défauts triangulaires, avec un taux de dégradation atteignant 38 %.
En général, deux types de défauts morphologiques, à savoir les triangles et les piqûres épitaxiales, ont un impact significatif sur la défaillance et la dégradation des caractéristiques des transistors MOSFET en SiC. La présence de défauts triangulaires est la plus critique, avec un taux de défaillance pouvant atteindre 93 %, se manifestant principalement par une augmentation significative du courant de fuite inverse du dispositif. Les dispositifs présentant des piqûres épitaxiales affichent un taux de défaillance plus faible (47 %). Cependant, ces dernières ont un impact plus important sur la tension de seuil, les caractéristiques de conduction de la diode de corps et la résistance à l'état passant que les défauts triangulaires.
Date de publication : 16 avril 2024