SiC基板およびエピタキシャル材料がMOSFETデバイス特性に及ぼす影響

三角形の欠陥

三角形欠陥は、SiCエピタキシャル層において最も致命的な形態欠陥である。多くの文献報告では、三角形欠陥の形成は3C結晶構造と関連していることが示されている。しかし、成長メカニズムの違いにより、エピタキシャル層表面における多くの三角形欠陥の形態は大きく異なっている。それらは大まかに以下の種類に分類できる。

（１）上部に大きな粒子を持つ三角形の欠陥がある

このタイプの三角形欠陥は、頂点に大きな球状粒子があり、これは成長過程における落下物によって生じた可能性があります。この頂点から下方向には、表面が粗い小さな三角形の領域が観察されます。これは、エピタキシャル成長過程において、三角形の領域に2種類の3C-SiC層が連続的に形成されるためです。最初の層は界面で核生成され、4H-SiCのステップフローを通して成長します。エピタキシャル層の厚さが増加するにつれて、2番目の3Cポリタイプの層がより小さな三角形のピットで核生成および成長しますが、4H成長ステップは3Cポリタイプの領域を完全に覆わないため、3C-SiCのV字型の溝領域が依然としてはっきりと見えます。

（２）表面には微粒子があり、表面が粗い三角形の欠陥がある

図4.2に示すように、このタイプの三角形欠陥の頂点にある粒子は非常に小さい。また、三角形領域の大部分は4H-SiCのステップフローで覆われており、つまり3C-SiC層全体が4H-SiC層の下に完全に埋め込まれている。三角形欠陥の表面には4H-SiCの成長ステップのみが見られるが、これらのステップは従来の4H結晶の成長ステップよりもはるかに大きい。

（３）表面が滑らかな三角形の欠陥

図4.3に示すように、このタイプの三角形欠陥は滑らかな表面形態を有している。このような三角形欠陥では、3C-SiC層が4H-SiCのステップフローで覆われ、表面上の4H結晶はより微細で滑らかに成長する。

エピタキシャルピット欠陥

エピタキシャルピット（ピット）は最も一般的な表面形態欠陥の1つであり、その典型的な表面形態と構造の輪郭を図4.4に示します。デバイスの裏面にKOHエッチングを施した後に観察された貫通転位（TD）腐食ピットの位置は、デバイス作製前のエピタキシャルピットの位置と明確に一致しており、エピタキシャルピット欠陥の形成が貫通転位に関連していることを示しています。

ニンジンの欠陥

キャロット欠陥は、4H-SiCエピタキシャル層によく見られる表面欠陥であり、その典型的な形態を図4.5に示す。キャロット欠陥は、ステップ状転位で連結された基底面上のフランコニアン型およびプリズム型積層欠陥の交差によって形成されると報告されている。キャロット欠陥の形成は、基板のTSDに関連していることも報告されている。土田Hらは、エピタキシャル層のキャロット欠陥の密度は、基板のTSDの密度に比例することを発見した。また、エピタキシャル成長前後の表面形態画像を比較すると、観察されたすべてのキャロット欠陥は、基板のTSDに対応していることがわかる。Wu Hらは、ラマン散乱試験特性評価を用いて、キャロット欠陥には3C結晶形は含まれておらず、4H-SiCポリタイプのみが含まれていることを発見した。

三角形欠陥がMOSFETデバイス特性に及ぼす影響

図4.7は、三角形欠陥を含むデバイスの5つの特性の統計分布のヒストグラムです。青色の点線はデバイス特性の劣化の境界線であり、赤色の点線はデバイスの故障の境界線です。デバイスの故障に関しては、三角形欠陥の影響は大きく、故障率は93%を超えています。これは主に、三角形欠陥がデバイスの逆方向リーク特性に与える影響によるものです。三角形欠陥を含むデバイスの最大93%で、逆方向リークが大幅に増加しています。さらに、三角形欠陥はゲートリーク特性にも深刻な影響を与え、劣化率は60%です。表4.2に示すように、しきい値電圧の劣化とボディダイオード特性の劣化に関しては、三角形欠陥の影響は小さく、劣化率はそれぞれ26%と33%です。オン抵抗の増加に関しては、三角形欠陥の影響は弱く、劣化率は約33%です。

エピタキシャルピット欠陥がMOSFETデバイス特性に及ぼす影響

図4.8は、エピタキシャルピット欠陥を含むデバイスの5つの特性の統計分布のヒストグラムです。青色の点線はデバイス特性の劣化の境界線であり、赤色の点線はデバイスの故障の境界線です。この図から、SiC MOSFETサンプル中のエピタキシャルピット欠陥を含むデバイスの数は、三角形欠陥を含むデバイスの数と等しいことがわかります。エピタキシャルピット欠陥がデバイス特性に与える影響は、三角形欠陥の影響とは異なります。デバイスの故障に関して言えば、エピタキシャルピット欠陥を含むデバイスの故障率はわずか47%です。三角形欠陥と比較すると、エピタキシャルピット欠陥がデバイスの逆方向リーク特性とゲートリーク特性に与える影響は大幅に弱まり、劣化率はそれぞれ53%と38%です（表4.3参照）。一方、エピタキシャルピット欠陥がしきい値電圧特性、ボディダイオード伝導特性、オン抵抗に及ぼす影響は、三角形欠陥の影響よりも大きく、劣化率は38%に達する。

一般的に、SiC MOSFETデバイスの故障と特性劣化には、三角形欠陥とエピタキシャルピットという2つの形態学的欠陥が大きな影響を与えます。三角形欠陥の存在は最も致命的で、故障率は93%にも達し、主にデバイスの逆方向リーク電流の大幅な増加として現れます。エピタキシャルピット欠陥を含むデバイスの故障率は47%と低くなっています。しかし、エピタキシャルピット欠陥は、三角形欠陥よりもデバイスのしきい値電圧、ボディダイオードの導通特性、およびオン抵抗に大きな影響を与えます。