技術(shù) | SiC襯底和外延材料對(duì)MOSFET器件特性的影響

參考文獻(xiàn)：白志強(qiáng)，4H-SiC功率MOSFETs的可靠性研究【D】，西安電子科技大學(xué)，2023

三角形缺陷

三角形缺陷是SiC外延層中最為致命的一類(lèi)形貌缺陷，已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道表明三角形缺陷的形成與3C晶型有關(guān)。然而由于生長(zhǎng)機(jī)制的不同，許多三角形缺陷在外延層表面的形貌存在不小差異。大致可以分為以下幾種類(lèi)型:

（1）頂端存在大顆粒的三角形缺陷

該類(lèi)三角形缺陷在頂端存在一個(gè)大尺寸的球形顆粒，這可能是由于生長(zhǎng)過(guò)程中的跌落物所造成的。沿著該頂點(diǎn)向下的方向可以觀察到一個(gè)表面粗糙的小三角形區(qū)域。這是由于在外延過(guò)程中，在三角形區(qū)域內(nèi)先后形成了兩個(gè)不同的3C-SiC層，其中第一層在界面處成核并通過(guò)4H-SiC臺(tái)階流生長(zhǎng)。隨著外延層厚度的增長(zhǎng)，第二層3C多型在較小的三角形凹坑中成核和生長(zhǎng)，但4H生長(zhǎng)臺(tái)階并未完全覆蓋3C多型區(qū)域，使得3C-SiC的V形凹槽區(qū)域依然清晰可見(jiàn)

（2）頂端存在小顆粒，表面粗糙的三角形缺陷

該類(lèi)三角形缺陷其頂點(diǎn)處的顆粒要小得多，如圖4.2所示。并且大部分三角形區(qū)域都被4H-SiC的臺(tái)階流所覆蓋，即整個(gè)3C-SiC層完全嵌入在4H-SiC層之下。三角形缺陷表面只能看到4H-SiC的生長(zhǎng)臺(tái)階，但這些臺(tái)階比常規(guī)的4H晶型生長(zhǎng)臺(tái)階大得多。

（3)表面光滑的三角形缺陷

該類(lèi)三角形缺陷具有光滑的表面形態(tài)，如圖4.3所示。對(duì)于此類(lèi)三角形缺陷，3C-SiC層都被4H-SiC的臺(tái)階流所覆蓋，并且表面的4H晶型生長(zhǎng)得加精細(xì)，平滑。

外延坑缺陷

外延坑(Pits)作為最常見(jiàn)的表面形貌缺陷之一，其典型的表面形貌和結(jié)構(gòu)輪廓如圖4.4所示。通過(guò)對(duì)器件背面進(jìn)行KOH腐蝕后觀察到的螺紋位錯(cuò)(Threading Dislocation, TD )腐蝕坑的位置與器件制備前外延坑的位置有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明外延坑缺陷的形成與螺紋位錯(cuò)有關(guān)。

胡蘿卜缺陷

胡蘿卜缺陷是4H-SiC外延層中一類(lèi)常見(jiàn)的表面缺陷，其典型的形貌圖如圖4.5所示。據(jù)報(bào)道胡蘿卜缺陷是由階梯狀位錯(cuò)連接的位于基面上的弗蘭科層錯(cuò)和棱柱層錯(cuò)相交形成的。也有報(bào)道稱(chēng)胡蘿卜缺陷的形成與襯底中的TSD有關(guān)。Tsuchida H.等人發(fā)現(xiàn)外延層中胡蘿卜缺陷的密度與襯底中TSD的密度成正比。并且通過(guò)比較外延生長(zhǎng)前后的表面形貌圖像，所有觀察到的胡蘿卜缺陷都可以與襯底中的TSD找到對(duì)應(yīng)關(guān)系。  Wu H.等人利用拉曼散射測(cè)試表征發(fā)現(xiàn)胡蘿卜缺陷中不含有3C晶型，只有4H-SiC多型體。

三角形缺陷對(duì)MOSFET器件特性的影響

圖4.7為含有三角形缺陷的器件的五種特性統(tǒng)計(jì)分布直方圖，其中藍(lán)色虛線(xiàn)為器件特性退化的分割線(xiàn)，紅色虛線(xiàn)為器件失效的分割線(xiàn)。對(duì)于器件失效而言，三角形缺陷的影響極大，失效比例大于93%。這主要?dú)w因于三角形缺陷對(duì)器件反向漏電特性的影響，含三角形缺陷的器件中高達(dá)93%的器件都出現(xiàn)了反向漏電明顯增大的現(xiàn)象。此外，三角形缺陷對(duì)柵漏電特性的影響也十分嚴(yán)重，退化比例為60%。如表4.2所示，對(duì)于閡值電壓退化和體二極管特性退化，三角形缺陷的影響較小，退化比例分別為26%和33%。對(duì)引起導(dǎo)通電阻增大而言，三角形缺陷的影響較弱，退化比例約為33%。

外延坑缺陷對(duì)MOSFET器件特性的影響

圖4.8為含有外延坑缺陷的器件的五種特性統(tǒng)計(jì)分布直方圖，其中藍(lán)色虛線(xiàn)為器件特性退化的分割線(xiàn)，紅色虛線(xiàn)為器件失效的分割線(xiàn)。從中可知，SiC MOSFET樣品中含外延坑缺陷的器件數(shù)量與含三角形缺陷的數(shù)量相當(dāng)。外延坑缺陷對(duì)器件特性的影響情況與三角形缺陷的有所不同。就器件失效而言，含有外延坑缺陷的器件失效率僅為47%。與三角形缺陷相比，外延坑缺陷對(duì)器件反向漏電特性和柵漏電特性的影響明顯減弱，退化比例分別為53%和38%，如表4.3所示。另一方面，外延坑缺陷對(duì)閡值電壓特性，體二極管導(dǎo)通特性和導(dǎo)通電阻的影響比三角形缺陷的大，退化比例均達(dá)到了38%。

總體而言，三角形和外延坑這兩種形貌缺陷對(duì)SiC MOSFET器件的失效及特性退化均具有明顯影響。三角形缺陷的存在最為致命，失效率高達(dá)93%，主要表現(xiàn)為器件反向漏電的顯著增加。含有外延坑缺陷的器件失效率較低，為47%。但是外延坑缺陷對(duì)器件的閾值電壓，體二極管導(dǎo)通特性和導(dǎo)通電阻的影響比三角形缺陷的大。

來(lái)源：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟