Dreieckiger Defekt
Dreieckige Defekte sind die schwerwiegendsten morphologischen Defekte in SiC-Epitaxieschichten. Zahlreiche Literaturberichte belegen, dass die Entstehung dreieckiger Defekte mit der 3C-Kristallform zusammenhängt. Aufgrund unterschiedlicher Wachstumsmechanismen ist die Morphologie vieler dreieckiger Defekte auf der Oberfläche der Epitaxieschicht jedoch sehr unterschiedlich. Sie lässt sich grob in folgende Typen unterteilen:
(1) Es gibt dreieckige Defekte mit großen Partikeln an der Spitze
Dieser Dreiecksdefekttyp weist an der Spitze ein großes kugelförmiges Partikel auf, das durch herabfallende Gegenstände während des Wachstums verursacht werden kann. Von diesem Scheitelpunkt aus ist unterhalb ein kleiner dreieckiger Bereich mit rauer Oberfläche zu erkennen. Dies liegt daran, dass sich während des Epitaxieprozesses im Dreiecksbereich nacheinander zwei verschiedene 3C-SiC-Schichten bilden, von denen die erste Schicht an der Grenzfläche keimt und durch den 4H-SiC-Stufenfluss wächst. Mit zunehmender Dicke der Epitaxieschicht keimt die zweite Schicht des 3C-Polytyps und wächst in kleineren dreieckigen Vertiefungen. Der 4H-Wachstumsschritt bedeckt den 3C-Polytypbereich jedoch nicht vollständig, sodass der V-förmige Rillenbereich des 3C-SiC noch deutlich sichtbar ist.
(2) Es gibt kleine Partikel an der Spitze und dreieckige Defekte mit rauer Oberfläche
Die Partikel an den Scheitelpunkten dieses Dreiecksdefekttyps sind deutlich kleiner, wie in Abbildung 4.2 dargestellt. Der größte Teil der Dreiecksfläche 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 Dreiecksdefekts sind lediglich die Wachstumsstufen des 4H-SiC sichtbar, die jedoch deutlich größer sind als die herkömmlichen 4H-Kristallwachstumsstufen.
(3) Dreieckige Defekte mit glatter Oberfläche
Diese Art von Dreiecksdefekt weist eine glatte Oberflächenmorphologie auf, wie in Abbildung 4.3 dargestellt. Bei solchen Dreiecksdefekten wird die 3C-SiC-Schicht durch den Stufenfluss von 4H-SiC bedeckt, und die 4H-Kristallform an der Oberfläche wird feiner und glatter.
Epitaktische Grubendefekte
Epitaktische Vertiefungen (Pits) zählen zu den häufigsten Oberflächendefekten. Ihre typische Oberflächenmorphologie und Struktur sind in Abbildung 4.4 dargestellt. Die Position der nach dem KOH-Ätzen auf der Geräterückseite beobachteten Korrosionsversetzungen (TD) entspricht eindeutig der Position der epitaktischen Vertiefungen vor der Geräteherstellung. Dies deutet darauf hin, dass die Entstehung epitaktischer Vertiefungsdefekte mit den Versetzungen zusammenhängt.
Karottenfehler
Karottendefekte sind ein häufiger Oberflächendefekt in epitaktischen 4H-SiC-Schichten, und ihre typische Morphologie ist in Abbildung 4.5 dargestellt. Der Karottendefekt entsteht Berichten zufolge durch die Schnittstelle von fränkischen und prismatischen Stapelfehlern auf der Basalebene, die durch stufenförmige Versetzungen verbunden sind. Es wurde auch berichtet, dass die Entstehung von Karottendefekten mit TSD im Substrat zusammenhängt. Tsuchida H. et al. fanden heraus, dass die Dichte der Karottendefekte in der epitaktischen Schicht proportional zur Dichte der TSD im Substrat ist. Und durch Vergleich der Bilder der Oberflächenmorphologie vor und nach dem epitaktischen Wachstum kann festgestellt werden, dass alle beobachteten Karottendefekte den TSD im Substrat entsprechen. Wu H. et al. verwendeten eine Charakterisierung mittels Raman-Streuungstest, um herauszufinden, dass die Karottendefekte nicht die 3C-Kristallform enthielten, sondern nur den 4H-SiC-Polytyp.
Einfluss dreieckiger Defekte auf die Eigenschaften von MOSFET-Bauelementen
Abbildung 4.7 zeigt ein Histogramm der statistischen Verteilung von fünf Kennlinien eines Bauelements mit Dreiecksdefekten. Die blau gepunktete Linie markiert die Verschlechterung der Bauelementeigenschaften, die rot gepunktete Linie den Ausfall. Dreiecksdefekte haben einen großen Einfluss auf Bauelementausfälle, die Ausfallrate liegt bei über 93 %. Dies ist hauptsächlich auf den Einfluss der Dreiecksdefekte auf die Sperrleckeigenschaften der Bauelemente zurückzuführen. Bis zu 93 % der Bauelemente mit Dreiecksdefekten weisen einen deutlich erhöhten Sperrleckstrom auf. Darüber hinaus haben Dreiecksdefekte auch einen erheblichen Einfluss auf die Gate-Leckstromeigenschaften mit einer Verschlechterungsrate von 60 %. Wie Tabelle 4.2 zeigt, ist der Einfluss der Dreiecksdefekte auf die Verschlechterung der Schwellenspannung und der Body-Dioden-Eigenschaften gering, die Verschlechterungsanteile betragen 26 % bzw. 33 %. Hinsichtlich der Erhöhung des Durchlasswiderstands ist der Einfluss der Dreiecksdefekte gering, die Verschlechterungsrate liegt bei etwa 33 %.
Einfluss epitaktischer Pitdefekte auf die Eigenschaften von MOSFET-Bauelementen
Abbildung 4.8 zeigt ein Histogramm der statistischen Verteilung von fünf Eigenschaften eines Bauelements mit epitaktischen Pitdefekten. Die blau gepunktete Linie markiert die Verschlechterung der Bauelementeigenschaften, die rot gepunktete Linie den Ausfall. Wie ersichtlich, entspricht die Anzahl der Bauelemente mit epitaktischen Pitdefekten in der SiC-MOSFET-Probe der Anzahl der Bauelemente mit Dreiecksdefekten. Epitaktische Pitdefekte haben einen anderen Einfluss auf die Bauelementeigenschaften als Dreiecksdefekte. Die Ausfallrate von Bauelementen mit epitaktischen Pitdefekten beträgt lediglich 47 %. Im Vergleich zu Dreiecksdefekten ist der Einfluss epitaktischer Pitdefekte auf die Sperrleckeigenschaften und die Gate-Leckeigenschaften des Bauelements deutlich geringer, mit Verschlechterungsraten von 53 % bzw. 38 %, wie in Tabelle 4.3 dargestellt. Andererseits ist der Einfluss epitaktischer Pit-Defekte auf die Schwellenspannungseigenschaften, die Leitfähigkeitseigenschaften der Body-Diode und den Einschaltwiderstand größer als der von Dreiecksdefekten, wobei die Degradationsrate 38 % erreicht.
Im Allgemeinen haben zwei morphologische Defekte, nämlich Dreiecke und epitaktische Gruben, einen erheblichen Einfluss auf den Ausfall und die Verschlechterung der Eigenschaften von SiC-MOSFET-Bauelementen. Dreieckige Defekte sind mit einer Ausfallrate von bis zu 93 % am schwerwiegendsten und äußern sich hauptsächlich in einem deutlichen Anstieg des Sperrstroms des Bauelements. Bauelemente mit epitaktischen Grubendefekten wiesen eine geringere Ausfallrate von 47 % auf. Epitaktische Grubendefekte haben jedoch einen größeren Einfluss auf die Schwellenspannung, die Leitfähigkeitseigenschaften der Bodydiode und den Einschaltwiderstand des Bauelements als dreieckige Defekte.
Veröffentlichungszeit: 16. April 2024