SiC-substraatin ja epitaksiaalisten materiaalien vaikutukset MOSFET-laitteiden ominaisuuksiin

Kolmionmuotoinen vika

Kolmionmuotoiset viat ovat piikarbidin epitaksiaalikerrosten kohtalokkaimmat morfologiset viat. Lukuisat kirjallisuusraportit ovat osoittaneet, että kolmionmuotoisten vikojen muodostuminen liittyy 3C-kidemuotoon. Erilaisten kasvumekanismien vuoksi monien epitaksiaalikerroksen pinnalla olevien kolmionmuotoisten vikojen morfologia on kuitenkin melko erilainen. Ne voidaan karkeasti jakaa seuraaviin tyyppeihin:

(1) Yläosassa on kolmionmuotoisia virheitä, joiden päällä on suuria hiukkasia

Tämän tyyppisessä kolmionmuotoisessa viassa on yläosassa suuri pallomainen hiukkanen, joka voi syntyä putoavien esineiden seurauksena kasvuprosessin aikana. Tästä kärjestä alaspäin voidaan havaita pieni kolmionmuotoinen alue, jolla on karkea pinta. Tämä johtuu siitä, että epitaksiaalisen prosessin aikana kolmionmuotoiselle alueelle muodostuu peräkkäin kaksi erilaista 3C-SiC-kerrosta, joista ensimmäinen kerros ydintyy rajapinnassa ja kasvaa 4H-SiC-vaihevirtauksen läpi. Epitaksiaalisen kerroksen paksuuden kasvaessa 3C-polytyypin toinen kerros ydintyy ja kasvaa pienempinä kolmionmuotoisina kuoppina, mutta 4H-kasvuvaihe ei peitä kokonaan 3C-polytyypin aluetta, joten 3C-SiC:n V-muotoinen ura-alue on edelleen selvästi näkyvissä.

(2) Yläosassa on pieniä hiukkasia ja kolmionmuotoisia virheitä, joilla on karkea pinta

Tämän tyyppisen kolmionmuotoisen vian kärjessä olevat hiukkaset ovat paljon pienempiä, kuten kuvassa 4.2 on esitetty. Ja suurin osa kolmionmuotoisesta alueesta on 4H-SiC:n porrastetun virtauksen peitossa, eli koko 3C-SiC-kerros on kokonaan 4H-SiC-kerroksen alla. Kolmionmuotoisen vian pinnalla näkyvät vain 4H-SiC:n kasvuvaiheet, mutta nämä vaiheet ovat paljon suurempia kuin perinteisissä 4H-kiteen kasvuvaiheissa.

(3) Kolmionmuotoiset viat, joilla on sileä pinta

Tämän tyyppisellä kolmionmuotoisella virheellä on sileä pintamorfologia, kuten kuvassa 4.3 on esitetty. Tällaisissa kolmionmuotoisissa virheissä 3C-SiC-kerros peittyy 4H-SiC:n porrastetusti virtaavan rakenteen alle, ja pinnalla oleva 4H-kidemuoto hienonee ja tasaantuu.

Epitaksiaaliset kuoppavirheet

Epitaksiaaliset kuopat (Pits) ovat yksi yleisimmistä pintamorfologiavirheistä, ja niiden tyypillinen pintamorfologia ja rakenteellinen ääriviiva on esitetty kuvassa 4.4. Laitteen takaosassa KOH-etsauksen jälkeen havaittujen kierteitysdislokaatioiden (TD) korroosiokuoppien sijainti vastaa selvästi epitaksiaalisten kuoppien sijaintia ennen laitteen valmistusta, mikä osoittaa, että epitaksiaalisten kuoppavirheiden muodostuminen liittyy kierteitysdislokaatioihin.

porkkanavirheet

Porkkanavirheet ovat yleinen pintavirhe 4H-SiC:n epitaksiaalisissa kerroksissa, ja niiden tyypillinen morfologia on esitetty kuvassa 4.5. Porkkanavirheen on raportoitu muodostuvan perustasossa sijaitsevien frankonilaisten ja prismaattisten pinoamisvirheiden leikkauskohdasta, joita yhdistävät porrasmaiset dislokaatiot. On myös raportoitu, että porkkanavirheiden muodostuminen liittyy substraatin läpivirtaushajaannukseen (TSD). Tsuchida H. ym. havaitsivat, että porkkanavirheiden tiheys epitaksiaalisessa kerroksessa on verrannollinen substraatin läpivirtaushajaannuksen tiheyteen. Ja vertaamalla pintamorfologiakuvia ennen epitaksiaalista kasvua ja sen jälkeen, kaikkien havaittujen porkkanavirheiden voidaan havaita vastaavan substraatin läpivirtaushajaantumista (TSD). Wu H. ym. käyttivät Raman-sirontatestiä havaitakseen, että porkkanavirheet eivät sisältäneet 3C-kidemuotoa, vaan ainoastaan ​​4H-SiC-polytyyppiä.

Kolmiomuotoisten virheiden vaikutus MOSFET-laitteen ominaisuuksiin

Kuva 4.7 on histogrammi, joka esittää viiden ominaisuuden tilastollista jakaumaa laitteessa, joka sisältää kolmiomuotoisia virheitä. Sininen katkoviiva osoittaa laitteen ominaisuuksien heikkenemisen ja punainen katkoviiva osoittaa laitteen vikaantumisen. Laitevian sattuessa kolmiomuotoisilla virheillä on suuri vaikutus, ja vikaantumisaste on yli 93 %. Tämä johtuu pääasiassa kolmiomuotoisten virheiden vaikutuksesta laitteiden vastavirtavuoto-ominaisuuksiin. Jopa 93 %:lla kolmiomuotoisia virheitä sisältävistä laitteista vastavirtavuoto on merkittävästi lisääntynyt. Lisäksi kolmiomuotoisilla virheillä on vakava vaikutus myös hilavuoto-ominaisuuksiin, ja niiden heikkenemisaste on 60 %. Kuten taulukosta 4.2 käy ilmi, kynnysjännitteen heikkenemisen ja runkodiodin ominaisuuksien heikkenemisen osalta kolmiomuotoisten virheiden vaikutus on pieni, ja heikkenemisosuudet ovat vastaavasti 26 % ja 33 %. Päälläoloresistanssin kasvun kannalta kolmiomuotoisten virheiden vaikutus on heikko, ja heikkenemissuhde on noin 33 %.

Epitaksiaalisten kuoppavirheiden vaikutus MOSFET-laitteen ominaisuuksiin

Kuva 4.8 on histogrammi, joka esittää epitaksiaalisia kuoppavirheitä sisältävän laitteen viiden ominaisuuden tilastollista jakaumaa. Sininen katkoviiva osoittaa laitteen ominaisuuksien heikkenemisen ja punainen katkoviiva osoittaa laitteen vikaantumisen. Tästä voidaan nähdä, että SiC MOSFET -näytteessä epitaksiaalisia kuoppavirheitä sisältävien laitteiden lukumäärä on yhtä suuri kuin kolmiovirheitä sisältävien laitteiden lukumäärä. Epitaksiaalisten kuoppavirheiden vaikutus laitteen ominaisuuksiin on erilainen kuin kolmiovirheiden. Laitevikojen osalta epitaksiaalisia kuoppavirheitä sisältävien laitteiden vikaantumisaste on vain 47 %. Kolmiovirheisiin verrattuna epitaksiaalisten kuoppavirheiden vaikutus laitteen vastavirtavuoto-ominaisuuksiin ja porttivuoto-ominaisuuksiin on merkittävästi heikentynyt, ja heikkenemissuhteet ovat 53 % ja 38 %, kuten taulukosta 4.3 käy ilmi. Toisaalta epitaksiaalisten kuoppavirheiden vaikutus kynnysjänniteominaisuuksiin, diodin johtamisominaisuuksiin ja päällekytkentäresistanssiin on suurempi kuin kolmiovirheiden, ja heikkenemissuhde on 38 %.

Yleisesti ottaen kaksi morfologista vikaa, nimittäin kolmiot ja epitaksiaaliset kuopat, vaikuttavat merkittävästi SiC MOSFET -piirien vikaantumiseen ja ominaisuuksien heikkenemiseen. Kolmiomuotoisten vikojen esiintyminen on vakavin ongelma, ja niiden vikaantumisprosentti on jopa 93 %. Tämä ilmenee pääasiassa laitteen käänteisen vuodon merkittävänä lisääntymisenä. Epitaksiaalisia kuoppavikoja sisältävien laitteiden vikaantumisprosentti oli alhaisempi, 47 %. Epitaksiaalisilla kuoppavioilla on kuitenkin suurempi vaikutus laitteen kynnysjännitteeseen, diodin johtavuusominaisuuksiin ja päällekytkentäresistanssiin kuin kolmiomuotoisilla vioilla.