SiC基板とエピタキシャル材料がMOSFETデバイス特性に与える影響

三角形の欠陥

三角欠陥は、SiCエピタキシャル層において最も致命的な形態欠陥です。多くの文献報告において、三角欠陥の形成は3C結晶構造と関連していることが示されています。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欠陥の形態は大きく異なります。大まかに以下の種類に分けられます。

（１）上部に大きな粒子がある三角形の欠陥がある

このタイプの三角形の欠陥は、上部に大きな球状の粒子があり、成長プロセス中に落下物によって発生した可能性があります。この頂点から下方向に、表面が粗い小さな三角形の領域が観察されます。これは、エピタキシャルプロセス中に、三角形の領域に2つの異なる3C-SiC層が連続して形成されるためです。最初の層は界面で核生成され、4H-SiCステップフローを通じて成長します。エピタキシャル層の厚さが増加するにつれて、3Cポリタイプの2番目の層が核生成され、より小さな三角形のピットとして成長しますが、4H成長ステップは3Cポリタイプ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）上部に小さな粒子があり、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く、三角形領域の大部分は4H-SiCのステップフローによって覆われています。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ます。三角形欠陥表面には4H-SiCの成長ステップのみが見られますが、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です。

（３）滑らかな表面を持つ三角形の欠陥

このタイプの三角形欠陥は、図4.3に示すように、滑らかな表面形態を示します。このような三角形欠陥では、3C-SiC層が4H-SiCのステップフローによって覆われ、表面の4H結晶構造がより微細かつ滑らかに成長します。

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一つであり、その典型的な表面形態と構造の概略を図4.4に示します。デバイス裏面のKOHエッチング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は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

ニンジン欠陥は 4H-SiC エピタキシャル層の一般的な表面欠陥であり、その典型的な形態を図 4.5 に示します。ニンジン欠陥は、階段状の転位でつながった基底面にあるフランコニアとプリズマティック積層欠陥の交差によって形成されると報告されています。また、ニンジン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ます。 Tsuchida H. らは、エピタキシャル層のニンジン欠陥の密度が基板の TSD の密度に比例することを発見しました。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ことにより、観察されたすべてのニンジン欠陥が基板の TSD に対応していることがわかります。 Wu H. らは、ラマン散乱テスト特性評価を使用して、ニンジン欠陥には 3C 結晶形式は含まれておらず、4H-SiC ポリタイプのみが含まれていることを発見しました。

三角形欠陥がMOSFETデバイス特性に与える影響

図4.7は、三角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。青い点線はデバイス特性劣化の境界線、赤い点線はデバイス故障の境界線です。デバイス故障の場合、三角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、三角欠陥がデバイスの逆リーク特性に及ぼす影響によるものです。三角欠陥を含むデバイスの最大93%は、逆リークが大幅に増加しています。また、三角欠陥はゲートリーク特性にも深刻な影響を及ぼし、劣化率は60%に達します。表4.2に示すように、閾値電圧の劣化とボディダイオードの特性劣化では、三角欠陥の影響は小さく、劣化率はそれぞれ26%と33%です。オン抵抗の増加を引き起こすという点では、三角欠陥の影響は弱く、劣化率は約33%です。

エピタキシャルピット欠陥がMOSFETデバイス特性に与える影響

図4.8は、エピ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。青い点線はデバイス特性劣化の境界線で、赤い点線はデバイス故障の境界線です。このことから、SiC MOSFETサンプル中のエピピット欠陥を含むデバイスの数は、三角欠陥を含むデバイスの数と等しいことがわかります。エピピット欠陥のデバイス特性への影響は、三角欠陥の場合とは異なります。デバイス故障の点では、エピピット欠陥を含むデバイスの故障率はわずか47％です。三角欠陥と比較して、デバイスの逆リーク特性とゲートリーク特性に対するエピピット欠陥の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を参照）。一方、エピタキシャルピット欠陥が閾値電圧特性、ボディダイオード導通特性、オン抵抗に与える影響は三角欠陥よりも大きく、劣化率は38%に達します。

一般的に、SiC MOSFETデバイスの故障や特性劣化には、三角形欠陥とエピタキシャルピット欠陥という2つの形態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%と低いものの、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閾値電圧、ボディダイオードの導通特性、オン抵抗に大きな影響を与えます。