השפעות של מצע SiC וחומרים אפיטקסיאליים על מאפייני התקן MOSFET

פגם משולש

פגמים משולשים הם הפגמים המורפולוגיים הקטלניים ביותר בשכבות אפיטקסיאליות של SiC. מספר רב של דוחות בספרות הראו כי היווצרות פגמים משולשים קשורה לצורת גביש 3C. עם זאת, עקב מנגנוני גדילה שונים, המורפולוגיה של פגמים משולשים רבים על פני השטח של השכבה האפיטקסיאלית שונה למדי. ניתן לחלק אותה באופן גס לסוגים הבאים:

(1) ישנם פגמים משולשים עם חלקיקים גדולים בחלק העליון

פגם משולש מסוג זה כולל חלקיק כדורי גדול בחלקו העליון, אשר עשוי להיגרם כתוצאה מחפצים נופלים במהלך תהליך הגדילה. ניתן לראות אזור משולש קטן עם משטח מחוספס כלפי מטה מקודקוד זה. זאת בשל העובדה שבמהלך התהליך האפיטקסיאלי, שתי שכבות שונות של 3C-SiC נוצרות ברצף באזור המשולש, כאשר השכבה הראשונה מתגרענת בממשק וגדלה דרך זרימת שלב 4H-SiC. ככל שעובי השכבה האפיטקסיאלית עולה, השכבה השנייה של פולי-טיפ 3C מתגרענת וגדלה בבורות משולשים קטנים יותר, אך שלב הגדילה של 4H אינו מכסה לחלוטין את אזור פולי-טיפ 3C, מה שהופך את אזור החריץ בצורת V של 3C-SiC עדיין גלוי בבירור.

(2) ישנם חלקיקים קטנים בחלק העליון ופגמים משולשים עם משטח מחוספס

החלקיקים בקודקודים של פגם משולש מסוג זה קטנים בהרבה, כפי שמוצג באיור 4.2. ורוב השטח המשולש מכוסה על ידי זרימת המדרגות של 4H-SiC, כלומר, כל שכבת ה-3C-SiC משובצת לחלוטין מתחת לשכבת ה-4H-SiC. רק שלבי הצמיחה של 4H-SiC נראים על פני הפגם המשולש, אך שלבים אלה גדולים בהרבה משלבי גידול גבישי 4H קונבנציונליים.

(3) פגמים משולשים עם משטח חלק

לסוג זה של פגם משולש יש מורפולוגיה של פני השטח חלקה, כפי שמוצג באיור 4.3. עבור פגמים משולשים כאלה, שכבת ה-3C-SiC מכוסה על ידי הזרימה המדורגת של 4H-SiC, וצורת גביש ה-4H על פני השטח הופכת דקה וחלקה יותר.

פגמי בור אפיטקסיאליים

בורות אפיטקסיאליים (Pits) הם אחד מפגמי המורפולוגיה הנפוצים ביותר על פני השטח, והמורפולוגיה האופיינית שלהם וקווי המתאר המבני שלהם מוצגים באיור 4.4. מיקום בורות הקורוזיה של תזוזת הברגה (TD) שנצפו לאחר איכול KOH בגב המכשיר תואם בבירור את מיקום בורות האפיטקסיאליים לפני הכנת המכשיר, דבר המצביע על כך שהיווצרות פגמי בורות אפיטקסיאליים קשורה לתזוזות הברגה.

פגמי גזר

פגמי גזר הם פגם פני שטח נפוץ בשכבות אפיטקסיאליות של 4H-SiC, והמורפולוגיה האופיינית שלהם מוצגת באיור 4.5. דווח כי פגם הגזר נוצר על ידי חיתוך של שברים פרנקוניים ופריזמטיים הממוקמים במישור הבסיסי המחוברים על ידי נקעים דמויות מדרגות. כמו כן, דווח כי היווצרות פגמי גזר קשורה ל-TSD במצע. Tsuchida H. ועמיתיו מצאו כי צפיפות פגמי הגזר בשכבה האפיטקסיאלית פרופורציונלית לצפיפות ה-TSD במצע. ועל ידי השוואת תמונות מורפולוגיה של פני השטח לפני ואחרי גדילה אפיטקסיאלית, ניתן למצוא שכל פגמי הגזר שנצפו תואמים ל-TSD במצע. Wu H. ועמיתיו השתמשו באפיון מבחן פיזור ראמאן כדי לגלות שפגמי הגזר לא הכילו את צורת הגביש 3C, אלא רק את הפוליטיפ 4H-SiC.

השפעת פגמים משולשים על מאפייני התקן MOSFET

איור 4.7 הוא היסטוגרמה של ההתפלגות הסטטיסטית של חמישה מאפיינים של התקן המכיל פגמים משולשים. הקו הכחול המקווקו הוא קו ההפרדה לפגיעה במאפייני ההתקן, והקו האדום המקווקו הוא קו ההפרדה לכשל ההתקן. עבור כשל התקן, לפגמים משולשים יש השפעה גדולה, ושיעור הכשל גדול מ-93%. זה מיוחס בעיקר להשפעת פגמים משולשים על מאפייני דליפת ההפוכה של התקנים. עד 93% מההתקנים המכילים פגמים משולשים סובלים מדליפת הפוכה מוגברת משמעותית. בנוסף, לפגמים משולשים יש גם השפעה חמורה על מאפייני דליפת השער, עם שיעור פגיעה של 60%. כפי שמוצג בטבלה 4.2, עבור פגיעה במתח הסף ופגיעה במאפייני דיודת הגוף, ההשפעה של פגמים משולשים היא קטנה, ופרופורציות הפגיעה הן 26% ו-33% בהתאמה. מבחינת גרימת עלייה בהתנגדות במצב מופעל, ההשפעה של פגמים משולשים חלשה, ויחס הפגיעה הוא כ-33%.

השפעת פגמי בור אפיטקסיאליים על מאפייני התקן MOSFET

איור 4.8 הוא היסטוגרמה של ההתפלגות הסטטיסטית של חמישה מאפיינים של התקן המכיל פגמי בור אפיטקסיאליים. הקו המקווקו הכחול הוא קו ההפרדה לפגיעה במאפייני ההתקן, והקו המקווקו האדום הוא קו ההפרדה לכשל ההתקן. ניתן לראות מכאן שמספר ההתקנים המכילים פגמי בור אפיטקסיאליים בדגימת MOSFET SiC שווה ערך למספר ההתקנים המכילים פגמים משולשים. ההשפעה של פגמי בור אפיטקסיאליים על מאפייני ההתקן שונה מזו של פגמים משולשים. מבחינת כשל ההתקן, שיעור הכשל של התקנים המכילים פגמי בור אפיטקסיאליים הוא רק 47%. בהשוואה לפגמים משולשים, ההשפעה של פגמי בור אפיטקסיאליים על מאפייני הדליפה ההפוכה ומאפייני הדליפה מהשער של ההתקן נחלשת משמעותית, עם יחסי פגיעה של 53% ו-38% בהתאמה, כפי שמוצג בטבלה 4.3. מצד שני, ההשפעה של פגמי בור אפיטקסיאליים על מאפייני מתח סף, מאפייני הולכת דיודת גוף והתנגדות במצב פעיל גדולה מזו של פגמים משולשים, כאשר יחס הפגיעה מגיע ל-38%.

באופן כללי, שני פגמים מורפולוגיים, דהיינו משולשים ובורות אפיטקסיאליים, משפיעים באופן משמעותי על הכשל והפגיעה האופיינית של התקני SiC MOSFET. קיומם של פגמים משולשים הוא הקטלני ביותר, עם שיעור כשל של עד 93%, המתבטא בעיקר בעלייה משמעותית בדליפה הפוכה של ההתקן. להתקנים המכילים פגמי בורות אפיטקסיאליים היה שיעור כשל נמוך יותר של 47%. עם זאת, לפגמי בורות אפיטקסיאליים יש השפעה גדולה יותר על מתח הסף של ההתקן, מאפייני הולכת דיודת הגוף והתנגדות במצב פעיל מאשר פגמים משולשים.