Kesan substrat SiC dan bahan epitaxial pada ciri peranti MOSFET

Kecacatan segi tiga

Kecacatan segi tiga adalah kecacatan morfologi yang paling mematikan dalam lapisan epitaxial SiC. Sebilangan besar laporan literatur telah menunjukkan bahawa pembentukan kecacatan segi tiga berkaitan dengan bentuk kristal 3C. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh mekanisme pertumbuhan yang berbeza, morfologi banyak kecacatan segi tiga pada permukaan lapisan epitaxial agak berbeza. Ia boleh dibahagikan secara kasar kepada jenis berikut:

(1) Terdapat kecacatan segi tiga dengan zarah besar di bahagian atas

Jenis kecacatan segi tiga ini mempunyai zarah sfera yang besar di bahagian atas, yang mungkin disebabkan oleh objek yang jatuh semasa proses pertumbuhan. Kawasan segi tiga kecil dengan permukaan kasar boleh diperhatikan ke bawah dari puncak ini. Ini disebabkan oleh fakta bahawa semasa proses epitaxial, dua lapisan 3C-SiC yang berbeza terbentuk secara berturut-turut di kawasan segi tiga, di mana lapisan pertama dinukleuskan pada antara muka dan berkembang melalui aliran langkah 4H-SiC. Apabila ketebalan lapisan epitaxial meningkat, lapisan kedua polytype 3C nukleus dan tumbuh dalam lubang segi tiga yang lebih kecil, tetapi langkah pertumbuhan 4H tidak sepenuhnya meliputi kawasan polytype 3C, menjadikan kawasan alur berbentuk V 3C-SiC masih jelas. nampak

(2) Terdapat zarah kecil di bahagian atas dan kecacatan segi tiga dengan permukaan kasar

Zarah-zarah pada bucu jenis kecacatan segi tiga ini adalah lebih kecil, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.2. Dan kebanyakan kawasan segi tiga diliputi oleh aliran langkah 4H-SiC, iaitu keseluruhan lapisan 3C-SiC tertanam sepenuhnya di bawah lapisan 4H-SiC. Hanya langkah pertumbuhan 4H-SiC boleh dilihat pada permukaan kecacatan segi tiga, tetapi langkah-langkah ini jauh lebih besar daripada langkah pertumbuhan kristal 4H konvensional.

(3) Kecacatan segi tiga dengan permukaan licin

Jenis kecacatan segi tiga ini mempunyai morfologi permukaan yang licin, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.3. Untuk kecacatan segi tiga sedemikian, lapisan 3C-SiC diliputi oleh aliran langkah 4H-SiC, dan bentuk kristal 4H pada permukaan tumbuh lebih halus dan licin.

Kecacatan lubang epitaxial

Lubang epitaxial (Pits) adalah salah satu kecacatan morfologi permukaan yang paling biasa, dan morfologi permukaan tipikal dan garis strukturnya ditunjukkan dalam Rajah 4.4. Lokasi lubang kakisan kehelan benang (TD) yang diperhatikan selepas goresan KOH pada bahagian belakang peranti mempunyai korespondensi yang jelas dengan lokasi lubang epitaxial sebelum penyediaan peranti, menunjukkan bahawa pembentukan kecacatan lubang epitaxial berkaitan dengan kehelan benang.

kecacatan lobak merah

Kecacatan lobak merah adalah kecacatan permukaan biasa dalam lapisan epitaxial 4H-SiC, dan morfologi tipikalnya ditunjukkan dalam Rajah 4.5. Kecacatan lobak merah dilaporkan terbentuk oleh persilangan sesar susun Franconian dan prismatik yang terletak pada satah basal yang disambungkan oleh kehelan seperti langkah. Ia juga telah dilaporkan bahawa pembentukan kecacatan lobak merah berkaitan dengan TSD dalam substrat. Tsuchida H. et al. mendapati bahawa ketumpatan kecacatan lobak merah dalam lapisan epitaxial adalah berkadar dengan ketumpatan TSD dalam substrat. Dan dengan membandingkan imej morfologi permukaan sebelum dan selepas pertumbuhan epitaxial, semua kecacatan lobak merah yang diperhatikan boleh didapati sepadan dengan TSD dalam substrat. Wu H. et al. menggunakan pencirian ujian taburan Raman untuk mendapati bahawa kecacatan lobak merah tidak mengandungi bentuk kristal 3C, tetapi hanya politaip 4H-SiC.

Kesan kecacatan segi tiga pada ciri peranti MOSFET

Rajah 4.7 ialah histogram taburan statistik lima ciri peranti yang mengandungi kecacatan segi tiga. Garis putus-putus biru ialah garis pemisah untuk kemerosotan ciri peranti, dan garis putus-putus merah ialah garis pemisah untuk kegagalan peranti. Untuk kegagalan peranti, kecacatan segi tiga mempunyai kesan yang besar, dan kadar kegagalan lebih besar daripada 93%. Ini terutamanya disebabkan oleh pengaruh kecacatan segi tiga pada ciri kebocoran terbalik peranti. Sehingga 93% peranti yang mengandungi kecacatan segi tiga telah meningkatkan kebocoran terbalik dengan ketara. Di samping itu, kecacatan segi tiga juga mempunyai kesan yang serius terhadap ciri kebocoran pintu, dengan kadar degradasi sebanyak 60%. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 4.2, untuk kemerosotan voltan ambang dan kemerosotan ciri diod badan, kesan kecacatan segi tiga adalah kecil, dan perkadaran kemerosotan masing-masing adalah 26% dan 33%. Dari segi menyebabkan peningkatan dalam rintangan, kesan kecacatan segi tiga adalah lemah, dan nisbah degradasi adalah kira-kira 33%.

Kesan kecacatan lubang epitaxial pada ciri peranti MOSFET

Rajah 4.8 ialah histogram taburan statistik lima ciri peranti yang mengandungi kecacatan lubang epitaxial. Garis putus-putus biru ialah garis pemisah untuk kemerosotan ciri peranti, dan garis putus-putus merah ialah garis pemisah untuk kegagalan peranti. Dari sini dapat dilihat bahawa bilangan peranti yang mengandungi kecacatan lubang epitaxial dalam sampel MOSFET SiC adalah bersamaan dengan bilangan peranti yang mengandungi kecacatan segi tiga. Kesan kecacatan lubang epitaxial pada ciri peranti adalah berbeza daripada kecacatan segi tiga. Dari segi kegagalan peranti, kadar kegagalan peranti yang mengandungi kecacatan lubang epitaxial hanya 47%. Berbanding dengan kecacatan segi tiga, kesan kecacatan lubang epitaxial pada ciri kebocoran terbalik dan ciri kebocoran pintu peranti adalah lemah dengan ketara, dengan nisbah degradasi masing-masing 53% dan 38%, seperti ditunjukkan dalam Jadual 4.3. Sebaliknya, kesan kecacatan pit epitaxial pada ciri voltan ambang, ciri pengaliran diod badan dan pada rintangan adalah lebih besar daripada kecacatan segi tiga, dengan nisbah degradasi mencapai 38%.

Secara umumnya, dua kecacatan morfologi, iaitu segi tiga dan lubang epitaxial, mempunyai kesan yang ketara terhadap kegagalan dan kemerosotan ciri peranti SiC MOSFET. Kewujudan kecacatan segi tiga adalah yang paling membawa maut, dengan kadar kegagalan setinggi 93%, terutamanya ditunjukkan sebagai peningkatan ketara dalam kebocoran terbalik peranti. Peranti yang mengandungi kecacatan lubang epitaxial mempunyai kadar kegagalan yang lebih rendah sebanyak 47%. Walau bagaimanapun, kecacatan lubang epitaxial mempunyai kesan yang lebih besar pada voltan ambang peranti, ciri pengaliran diod badan dan rintangan-on berbanding kecacatan segi tiga.