عيب مثلثي
تُعدّ العيوب المثلثية من أخطر العيوب المورفولوجية في طبقات السيليكون كاربيد المُرَسَّبة. وقد أظهرت العديد من الدراسات المنشورة أن تكوّن هذه العيوب يرتبط بالبنية البلورية 3C. ومع ذلك، ونظرًا لاختلاف آليات النمو، فإن مورفولوجيا العديد من العيوب المثلثية على سطح الطبقة المُرَسَّبة تختلف اختلافًا كبيرًا. ويمكن تصنيفها تقريبًا إلى الأنواع التالية:
(1) توجد عيوب مثلثة الشكل ذات جسيمات كبيرة في الأعلى
يتميز هذا النوع من العيوب المثلثية بوجود جسيم كروي كبير في قمته، والذي قد يكون ناتجًا عن سقوط أجسام أثناء عملية النمو. ويمكن ملاحظة منطقة مثلثة صغيرة ذات سطح خشن أسفل هذه القمة. ويعود ذلك إلى أنه خلال عملية الترسيب الطبقي، تتشكل طبقتان مختلفتان من كربيد السيليكون 3C-SiC بالتتابع في المنطقة المثلثية، حيث تتشكل الطبقة الأولى عند السطح البيني وتنمو عبر تدفق كربيد السيليكون 4H-SiC التدريجي. ومع ازدياد سمك الطبقة المترسبة طبقيًا، تتشكل الطبقة الثانية من النمط البلوري 3C وتنمو في حفر مثلثة أصغر، إلا أن خطوة نمو 4H لا تغطي منطقة النمط البلوري 3C بالكامل، مما يجعل منطقة الأخدود على شكل حرف V لكربيد السيليكون 3C-SiC واضحة للعيان.
(2) توجد جزيئات صغيرة في الأعلى وعيوب مثلثة الشكل ذات سطح خشن
تكون الجسيمات الموجودة عند رؤوس هذا النوع من العيوب المثلثية أصغر بكثير، كما هو موضح في الشكل 4.2. وتُغطى معظم المساحة المثلثية بتدفق متدرج من كربيد السيليكون 4H، أي أن طبقة كربيد السيليكون 3C بأكملها مغمورة تمامًا تحت طبقة كربيد السيليكون 4H. ولا يمكن رؤية سوى خطوات نمو كربيد السيليكون 4H على سطح العيب المثلثي، إلا أن هذه الخطوات أكبر بكثير من خطوات نمو بلورات 4H التقليدية.
(3) عيوب مثلثة ذات سطح أملس
يتميز هذا النوع من العيوب المثلثية بسطح أملس، كما هو موضح في الشكل 4.3. بالنسبة لهذه العيوب المثلثية، يتم تغطية طبقة 3C-SiC بتدفق متدرج من 4H-SiC، ويصبح شكل بلورة 4H على السطح أدق وأكثر نعومة.
عيوب الحفر فوق المحورية
تُعدّ الحفر الناتجة عن الترسيب الطبقي (الحفر) من أكثر عيوب مورفولوجيا السطح شيوعًا، ويظهر شكلها السطحي النموذجي ومخططها البنيوي في الشكل 4.4. يتطابق موقع حفر التآكل الناتجة عن الانخلاعات الخيطية (TD) التي لوحظت بعد التخريش باستخدام هيدروكسيد البوتاسيوم على ظهر الجهاز تطابقًا واضحًا مع موقع الحفر الناتجة عن الترسيب الطبقي قبل تحضير الجهاز، مما يشير إلى أن تكوّن عيوب الحفر الناتجة عن الترسيب الطبقي مرتبط بالانخلاعات الخيطية.
عيوب الجزر
تُعدّ عيوب الجزرة من العيوب السطحية الشائعة في طبقات 4H-SiC المُرَسَّبة، ويظهر شكلها النموذجي في الشكل 4.5. وقد ذُكر أن عيب الجزرة يتشكّل نتيجة تقاطع عيوب التراص الفرانكونية والمنشورية الموجودة على المستوى القاعدي، والمتصلة بانخلاعات متدرجة. كما ذُكر أن تشكّل عيوب الجزرة مرتبط بتشوه التراص في الركيزة. ووجد تسوتشيدا وزملاؤه أن كثافة عيوب الجزرة في الطبقة المُرَسَّبة تتناسب طرديًا مع كثافة تشوه التراص في الركيزة. وبمقارنة صور مورفولوجيا السطح قبل وبعد النمو المُرَسَّب، تبيّن أن جميع عيوب الجزرة المرصودة تتوافق مع تشوه التراص في الركيزة. واستخدم وو وزملاؤه اختبار تشتت رامان لتحديد أن عيوب الجزرة لا تحتوي على الشكل البلوري 3C، بل على النمط البلوري 4H-SiC فقط.
تأثير العيوب المثلثية على خصائص جهاز MOSFET
الشكل 4.7 هو رسم بياني يوضح التوزيع الإحصائي لخمس خصائص لجهاز يحتوي على عيوب مثلثة. يمثل الخط الأزرق المتقطع الحد الفاصل لتدهور خصائص الجهاز، بينما يمثل الخط الأحمر المتقطع الحد الفاصل لفشل الجهاز. بالنسبة لفشل الجهاز، تُحدث العيوب المثلثة تأثيرًا كبيرًا، حيث تتجاوز نسبة الفشل 93%. يُعزى ذلك بشكل أساسي إلى تأثير هذه العيوب على خصائص التسريب العكسي للأجهزة، إذ يُلاحظ ارتفاع ملحوظ في التسريب العكسي لدى 93% من الأجهزة التي تحتوي على عيوب مثلثة. بالإضافة إلى ذلك، تُؤثر العيوب المثلثة بشكل كبير على خصائص تسريب البوابة، حيث تصل نسبة التدهور إلى 60%. كما هو موضح في الجدول 4.2، بالنسبة لتدهور جهد العتبة وتدهور خصائص ثنائي الجسم، يكون تأثير العيوب المثلثة ضئيلاً، حيث تبلغ نسب التدهور 26% و33% على التوالي. أما فيما يتعلق بزيادة مقاومة التشغيل، فإن تأثير العيوب المثلثة ضعيف، حيث تبلغ نسبة التدهور حوالي 33%.
تأثير عيوب الحفرة فوق الطبقة على خصائص جهاز MOSFET
الشكل 4.8 عبارة عن رسم بياني يوضح التوزيع الإحصائي لخمس خصائص لجهاز يحتوي على عيوب حفرية في الطبقة الرقيقة. يمثل الخط الأزرق المتقطع الحد الفاصل لتدهور خصائص الجهاز، بينما يمثل الخط الأحمر المتقطع الحد الفاصل لفشل الجهاز. يتضح من ذلك أن عدد الأجهزة التي تحتوي على عيوب حفرية في الطبقة الرقيقة في عينة MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) يعادل عدد الأجهزة التي تحتوي على عيوب مثلثية. يختلف تأثير العيوب الحفرية في الطبقة الرقيقة على خصائص الجهاز عن تأثير العيوب المثلثية. من حيث فشل الجهاز، يبلغ معدل فشل الأجهزة التي تحتوي على عيوب حفرية في الطبقة الرقيقة 47% فقط. بالمقارنة مع العيوب المثلثية، فإن تأثير العيوب الحفرية في الطبقة الرقيقة على خصائص التسرب العكسي وخصائص تسرب البوابة للجهاز يضعف بشكل ملحوظ، حيث تبلغ نسب التدهور 53% و38% على التوالي، كما هو موضح في الجدول 4.3. من ناحية أخرى، فإن تأثير عيوب الحفرة فوق الطبقة على خصائص جهد العتبة وخصائص توصيل ثنائي الجسم والمقاومة في حالة التشغيل أكبر من تأثير العيوب المثلثية، حيث تصل نسبة التدهور إلى 38٪.
بشكل عام، يؤثر عيبان مورفولوجيان، هما المثلثات والحفر فوق الطبقة الرقيقة، بشكل كبير على فشل أجهزة MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون وتدهور خصائصها. يُعد وجود العيوب المثلثية الأكثر خطورة، حيث تصل نسبة الفشل إلى 93%، ويتجلى ذلك بشكل رئيسي في زيادة ملحوظة في التسرب العكسي للجهاز. أما الأجهزة التي تحتوي على عيوب الحفر فوق الطبقة الرقيقة، فقد سجلت نسبة فشل أقل بلغت 47%. ومع ذلك، فإن عيوب الحفر فوق الطبقة الرقيقة تؤثر بشكل أكبر على جهد العتبة للجهاز، وخصائص توصيل ثنائي الجسم، ومقاومة التشغيل، مقارنةً بالعيوب المثلثية.
تاريخ النشر: 16 أبريل 2024