삼각형 결함
삼각형 결함은 SiC 에피택셜 층에서 가장 치명적인 형태학적 결함입니다. 수많은 문헌 보고에 따르면 삼각형 결함의 형성은 3C 결정 형태와 관련이 있습니다. 그러나 성장 메커니즘의 차이로 인해 에피택셜 층 표면의 많은 삼각형 결함의 형태는 상당히 다양합니다. 이러한 결함은 크게 다음과 같은 유형으로 나눌 수 있습니다.
(1) 상단에 큰 입자가 있는 삼각형 결함이 있습니다.
이러한 삼각형 결함은 상단에 큰 구형 입자가 있는데, 이는 성장 과정 중 물체가 낙하하면서 발생했을 가능성이 있습니다. 이 꼭짓점 아래쪽으로는 표면이 거친 작은 삼각형 영역이 관찰됩니다. 이는 에피택시 공정 중 삼각형 영역에 두 개의 서로 다른 3C-SiC 층이 순차적으로 형성되기 때문입니다. 첫 번째 층은 계면에서 핵 생성되어 4H-SiC 단차 흐름을 따라 성장합니다. 에피택시 층의 두께가 증가함에 따라 두 번째 3C 다형체 층이 더 작은 삼각형 홈에서 핵 생성 및 성장하지만, 4H 성장 단차가 3C 다형체 영역을 완전히 덮지 못하여 3C-SiC의 V자형 홈 영역이 여전히 명확하게 보이는 것입니다.
(2) 상단에 작은 입자들이 있고 표면이 거친 삼각형 모양의 결함이 있습니다.
그림 4.2에서 볼 수 있듯이, 이러한 삼각형 결함의 꼭짓점에 있는 입자들은 훨씬 작습니다. 삼각형 영역의 대부분은 4H-SiC의 계단 흐름으로 덮여 있으며, 즉 전체 3C-SiC 층이 4H-SiC 층 아래에 완전히 매몰되어 있습니다. 삼각형 결함 표면에는 4H-SiC의 성장 계단만 보이지만, 이 계단은 기존의 4H 결정 성장 계단보다 훨씬 큽니다.
(3) 표면이 매끄러운 삼각형 결함
그림 4.3에서 볼 수 있듯이, 이러한 삼각형 결함은 매끄러운 표면 형태를 가지고 있습니다. 이러한 삼각형 결함의 경우, 3C-SiC 층은 4H-SiC의 계단 흐름으로 덮여 있으며, 표면의 4H 결정 형태는 더욱 미세하고 매끄럽게 성장합니다.
에피택셜 피트 결함
에피택셜 피트(Pits)는 가장 흔한 표면 형태 결함 중 하나이며, 그 전형적인 표면 형태와 구조적 윤곽은 그림 4.4에 나타나 있다. KOH 에칭 후 소자 후면에서 관찰된 전위(TD) 부식 피트의 위치는 소자 제작 전 에피택셜 피트의 위치와 명확하게 일치하는데, 이는 에피택셜 피트 결함의 형성이 전위와 관련이 있음을 나타낸다.
당근 결함
당근 결함은 4H-SiC 에피택셜 층에서 흔히 나타나는 표면 결함이며, 그 전형적인 형태는 그림 4.5에 나타나 있습니다. 당근 결함은 기저면에 위치한 프랑코니안 적층 결함과 프리즘형 적층 결함이 계단형 전위로 연결되어 교차하면서 형성되는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 당근 결함의 형성은 기판의 TSD(Transient Dislocation)와 관련이 있는 것으로 보고되었습니다. Tsuchida H. 등은 에피택셜 층의 당근 결함 밀도가 기판의 TSD 밀도에 비례한다는 것을 발견했습니다. 에피택셜 성장 전후의 표면 형태 이미지를 비교한 결과, 관찰된 모든 당근 결함은 기판의 TSD에 해당함을 알 수 있었습니다. Wu H. 등은 라만 산란 분석을 통해 당근 결함에 3C 결정 형태는 없고 4H-SiC 다형체만 존재한다는 것을 확인했습니다.
삼각형 결함이 MOSFET 소자 특성에 미치는 영향
그림 4.7은 삼각형 결함을 포함하는 소자의 다섯 가지 특성에 대한 통계적 분포 히스토그램입니다. 파란색 점선은 소자 특성 저하를 나타내는 경계선이고, 빨간색 점선은 소자 고장을 나타내는 경계선입니다. 소자 고장의 경우, 삼각형 결함은 매우 큰 영향을 미치며 고장률은 93% 이상입니다. 이는 주로 삼각형 결함이 소자의 역방향 누설 전류 특성에 미치는 영향 때문입니다. 삼각형 결함을 포함하는 소자의 최대 93%에서 역방향 누설 전류가 크게 증가했습니다. 또한, 삼각형 결함은 게이트 누설 전류 특성에도 심각한 영향을 미치며, 저하율은 60%에 달합니다. 표 4.2에서 볼 수 있듯이, 문턱 전압 저하 및 바디 다이오드 특성 저하의 경우, 삼각형 결함의 영향은 미미하며, 저하율은 각각 26%와 33%입니다. 온 저항 증가 측면에서도 삼각형 결함의 영향은 약하며, 저하율은 약 33%입니다.
에피택셜 피트 결함이 MOSFET 소자 특성에 미치는 영향
그림 4.8은 에피택셜 피트 결함을 포함하는 소자의 다섯 가지 특성에 대한 통계적 분포 히스토그램이다. 파란색 점선은 소자 특성 저하를 구분하는 경계선이고, 빨간색 점선은 소자 고장을 구분하는 경계선이다. 이 그림에서 볼 수 있듯이, SiC MOSFET 샘플에서 에피택셜 피트 결함을 포함하는 소자의 수는 삼각형 결함을 포함하는 소자의 수와 동일하다. 에피택셜 피트 결함이 소자 특성에 미치는 영향은 삼각형 결함과는 다르다. 소자 고장 측면에서 보면, 에피택셜 피트 결함을 포함하는 소자의 고장률은 47%에 불과하다. 삼각형 결함과 비교했을 때, 에피택셜 피트 결함이 소자의 역방향 누설 특성과 게이트 누설 특성에 미치는 영향은 현저히 약화되며, 표 4.3에서 볼 수 있듯이 각각 53%와 38%의 저하율을 보인다. 반면, 에피택셜 피트 결함이 문턱 전압 특성, 바디 다이오드 전도 특성 및 온 저항에 미치는 영향은 삼각형 결함보다 크며, 열화율은 38%에 달합니다.
일반적으로 삼각형 결함과 에피택셜 피트 결함이라는 두 가지 형태학적 결함은 SiC MOSFET 소자의 고장 및 특성 저하에 상당한 영향을 미칩니다. 특히 삼각형 결함은 고장률이 93%에 달할 정도로 치명적이며, 이는 주로 소자의 역방향 누설 전류가 크게 증가하는 현상으로 나타납니다. 에피택셜 피트 결함이 있는 소자의 고장률은 47%로 더 낮지만, 에피택셜 피트 결함은 삼각형 결함보다 소자의 문턱 전압, 바디 다이오드 전도 특성 및 온 저항에 더 큰 영향을 미칩니다.
게시 시간: 2024년 4월 16일