Kesan substrat SiC dan bahan epitaksi pada ciri peranti MOSFET

Kecacatan segi tiga

Kecacatan segi tiga merupakan kecacatan morfologi yang paling membawa maut dalam lapisan epitaksi SiC. Sebilangan besar laporan literatur telah menunjukkan bahawa pembentukan kecacatan segi tiga berkaitan dengan bentuk kristal 3C. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh mekanisme pertumbuhan yang berbeza, morfologi banyak kecacatan segi tiga pada permukaan lapisan epitaksi agak berbeza. Ia boleh dibahagikan secara kasar kepada jenis berikut:

(1) Terdapat kecacatan segi tiga dengan zarah besar di bahagian atas

Kecacatan segi tiga jenis ini mempunyai zarah sfera yang besar di bahagian atas, yang mungkin disebabkan oleh objek yang jatuh semasa proses pertumbuhan. Kawasan segi tiga kecil dengan permukaan kasar boleh diperhatikan ke bawah dari bucu ini. Ini disebabkan oleh fakta bahawa semasa proses epitaksial, dua lapisan 3C-SiC yang berbeza terbentuk secara berturut-turut di kawasan segi tiga, yang mana lapisan pertama dinukleuskan pada antara muka dan tumbuh melalui aliran langkah 4H-SiC. Apabila ketebalan lapisan epitaksial meningkat, lapisan kedua politip 3C nukleus dan tumbuh dalam lubang segi tiga yang lebih kecil, tetapi langkah pertumbuhan 4H tidak menutup sepenuhnya kawasan politip 3C, menjadikan kawasan alur berbentuk V 3C-SiC masih kelihatan jelas.

(2) Terdapat zarah-zarah kecil di bahagian atas dan kecacatan segi tiga dengan permukaan kasar

Zarah-zarah pada bucu kecacatan segi tiga jenis ini jauh lebih kecil, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.2. Dan kebanyakan kawasan segi tiga diliputi oleh aliran langkah 4H-SiC, iaitu keseluruhan lapisan 3C-SiC terbenam sepenuhnya di bawah lapisan 4H-SiC. Hanya langkah pertumbuhan 4H-SiC yang dapat dilihat pada permukaan kecacatan segi tiga, tetapi langkah-langkah ini jauh lebih besar daripada langkah pertumbuhan kristal 4H konvensional.

(3) Kecacatan segi tiga dengan permukaan licin

Kecacatan segi tiga jenis ini mempunyai morfologi permukaan yang licin, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.3. Bagi kecacatan segi tiga sedemikian, lapisan 3C-SiC dilitupi oleh aliran langkah 4H-SiC, dan bentuk kristal 4H pada permukaan menjadi lebih halus dan licin.

Kecacatan lubang epitaksial

Lubang epitaksial (Lubang-lubang) merupakan salah satu kecacatan morfologi permukaan yang paling biasa, dan morfologi permukaan serta garis besar strukturnya yang tipikal ditunjukkan dalam Rajah 4.4. Lokasi lubang kakisan kehelan penguliran (TD) yang diperhatikan selepas pengetsaan KOH di bahagian belakang peranti mempunyai padanan yang jelas dengan lokasi lubang epitaksial sebelum penyediaan peranti, menunjukkan bahawa pembentukan kecacatan lubang epitaksial berkaitan dengan kehelan penguliran.

kecacatan lobak merah

Kecacatan lobak merah merupakan kecacatan permukaan yang biasa berlaku dalam lapisan epitaksial 4H-SiC, dan morfologi tipikalnya ditunjukkan dalam Rajah 4.5. Kecacatan lobak merah dilaporkan terbentuk oleh persilangan sesar susunan Franconian dan prismatik yang terletak pada satah basal yang dihubungkan oleh kehelan seperti langkah. Telah dilaporkan juga bahawa pembentukan kecacatan lobak merah berkaitan dengan TSD dalam substrat. Tsuchida H. et al. mendapati bahawa ketumpatan kecacatan lobak merah dalam lapisan epitaksial adalah berkadar dengan ketumpatan TSD dalam substrat. Dan dengan membandingkan imej morfologi permukaan sebelum dan selepas pertumbuhan epitaksial, semua kecacatan lobak merah yang diperhatikan boleh didapati sepadan dengan TSD dalam substrat. Wu H. et al. menggunakan pencirian ujian penyerakan Raman untuk mendapati bahawa kecacatan lobak merah tidak mengandungi bentuk kristal 3C, tetapi hanya politip 4H-SiC.

Kesan kecacatan segi tiga pada ciri peranti MOSFET

Rajah 4.7 ialah histogram taburan statistik lima ciri peranti yang mengandungi kecacatan segi tiga. Garis putus-putus biru ialah garis pemisah untuk degradasi ciri peranti, dan garis putus-putus merah ialah garis pemisah untuk kegagalan peranti. Bagi kegagalan peranti, kecacatan segi tiga mempunyai impak yang besar, dan kadar kegagalan adalah lebih besar daripada 93%. Ini terutamanya disebabkan oleh pengaruh kecacatan segi tiga pada ciri kebocoran songsang peranti. Sehingga 93% peranti yang mengandungi kecacatan segi tiga telah meningkatkan kebocoran songsang dengan ketara. Di samping itu, kecacatan segi tiga juga mempunyai impak yang serius pada ciri kebocoran get, dengan kadar degradasi sebanyak 60%. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 4.2, untuk degradasi voltan ambang dan degradasi ciri diod badan, impak kecacatan segi tiga adalah kecil, dan perkadaran degradasi masing-masing adalah 26% dan 33%. Dari segi menyebabkan peningkatan rintangan atas, impak kecacatan segi tiga adalah lemah, dan nisbah degradasi adalah kira-kira 33%.

Kesan kecacatan lubang epitaksial pada ciri peranti MOSFET

Rajah 4.8 ialah histogram taburan statistik lima ciri peranti yang mengandungi kecacatan lubang epitaksial. Garis putus-putus biru ialah garis pemisah untuk degradasi ciri peranti, dan garis putus-putus merah ialah garis pemisah untuk kegagalan peranti. Dapat dilihat daripada ini bahawa bilangan peranti yang mengandungi kecacatan lubang epitaksial dalam sampel MOSFET SiC adalah bersamaan dengan bilangan peranti yang mengandungi kecacatan segi tiga. Kesan kecacatan lubang epitaksial pada ciri peranti adalah berbeza daripada kecacatan segi tiga. Dari segi kegagalan peranti, kadar kegagalan peranti yang mengandungi kecacatan lubang epitaksial hanya 47%. Berbanding dengan kecacatan segi tiga, kesan kecacatan lubang epitaksial pada ciri kebocoran terbalik dan ciri kebocoran pintu peranti adalah lemah dengan ketara, dengan nisbah degradasi masing-masing sebanyak 53% dan 38%, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 4.3. Sebaliknya, kesan kecacatan lubang epitaksial pada ciri voltan ambang, ciri pengaliran diod badan dan rintangan aktif adalah lebih besar daripada kecacatan segi tiga, dengan nisbah degradasi mencapai 38%.

Secara amnya, dua kecacatan morfologi, iaitu segi tiga dan lubang epitaksi, mempunyai kesan yang ketara terhadap kegagalan dan degradasi ciri peranti MOSFET SiC. Kewujudan kecacatan segi tiga adalah yang paling membawa maut, dengan kadar kegagalan setinggi 93%, terutamanya ditunjukkan sebagai peningkatan ketara dalam kebocoran terbalik peranti. Peranti yang mengandungi kecacatan lubang epitaksi mempunyai kadar kegagalan yang lebih rendah iaitu 47%. Walau bagaimanapun, kecacatan lubang epitaksi mempunyai kesan yang lebih besar terhadap voltan ambang peranti, ciri pengaliran diod badan dan rintangan aktif berbanding kecacatan segi tiga.