扩展缺陷对4H-SiC功率器件良率和性能的影响

* Vol.46

报告主题：扩展缺陷对4H-SiC功率器件良率和性能的影响

报告作者：Holger Schlichting（Fraunhofer IISB）

报告内容包含：（具体内容详见下方全部报告内容）

简介：4H-SiC功率器件的良率、性能和可靠性

对4H-SiC功率器件良率/性能的影响

• 工艺变化：一个例子（光刻）

• 扩展的外延缺陷

  a) 概述

  b) 堆垛层错 - 深色三角缺陷

  c) 堆垛层错 - 浅色三角缺陷

  d) 注入区域的表面凹陷

  e) 外延缺陷对栅氧化层性能的影响

报告详细内容

---

简介：4H-SiC功率器件的良率、性能和可靠性

■ 良率、可靠性和出厂器件性能

• 良率和可靠性是半导体功率器件制造的主要方面

• 良率是晶圆上的集成电路在制造线结束时能完全发挥作用的部分

• 同样重要的是功率器件的寿命（可靠性）中的失效率

• 不同的失效机制会导致良品率的下降，以及器件寿命中其他部分的失效率的上升

对4H-SiC功率器件良率/性能的影响

■ 对良率、性能和可靠性的影响

• 衬底/外延缺陷

• 工艺变化（阻断电压增加）

• 颗粒/划痕/工艺损伤

工艺变化：一个例子（光刻）

■ 技术和设计对良率的影响 (VDMOSFET)

• 良率取决于技术限制（光刻场的错位）

• p阱和n+注入层的明显影响（定义沟道区）

• 单元设计对良率可见的影响（线性设计最稳健）

■ 因错位而减少的通道长度

• 根据过程控制数据计算出的实际通道长度

• 横向 4H-SiC VDMOS 的临界沟道长度由上图公式给出

• 当 𝐿𝑐ℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙 ≈ 𝐿𝑐𝑟𝑖𝑡 时，错位对击穿电压的影响越来越大

扩展的外延缺陷

■ 外延缺陷——表面和 UVPL 图像

• 表面检测工具（Intego）

• 用于检查和分析的映射

  - UVPL：紫外光致发光

  - DIC：微分干涉对比度

  - BF/DF：明场/暗场

• 刺激波长（UVPL）：305/340/365 nm

• 传感器光谱 (UVPL)：400 nm – 1000nm

• 可用的过滤器（用于区分不同类型的缺陷）

■ 外延缺陷 - 概述

■ 外延缺陷对比分析

• 受三角缺陷影响的二极管表现出广泛的性能变化

• 三角形缺陷在光学图像中不可见，深色缺陷清晰可见

• 三角形基本上是不同形式的堆垛层错，只有很少或没有表面形态

• 通过电气测量评估分析良率（器件性能）

• 良率晶圆图与UVPL图的比较

■ JBS二极管良率调查–阻断性能

• 深色三角形缺陷明显导致大多数受影响器件的阻断特性发生变化

• 高密度的浅色三角形缺陷导致许多受影响的器件，它们对器件的统计性能只显示出轻微影响

堆垛层错 - 深色三角形缺陷

■ 统计调查VDMOS：三角形缺陷

• 深色三角形缺陷显示对受影响的VDMOS器件的产量有明显影响（阻断和栅极性能）

• 对输出性能没有明显的影响--高漏电流的缺陷？

■ 堆垛层错：典型的深色三角形缺陷

• 在UVPL图像中，深色、高对比度的外观

• 最大角度为120°

• 来自缺陷的位错线，可以覆盖大面积（厘米范围）

• 最大的缺陷尺寸与Epi厚度的关系

■ 三角形缺陷 - SEM

• 沿三角形缺陷断裂的衬底清楚地显示了外延层中缺陷的形式和方向

• 晶体结构的变化导致不同的边缘形态

■ 表面研究

• 对表面形态的强烈影响

• 缺陷尖端的最深区域（100 - 200 nm）

• 沿边缘的非常深的沟槽 (~ 1 µm)

■ 深色三角缺陷对受影响的JBS二极管的影响

• 对于阻塞和正向特性，测量受影响设备的电流瞬时增加

• 漏电流通过缺陷和/或肖特基势垒变化

■ 小结：深色三角形缺陷

• 对受影响的器件几乎总是“致命的”

• 对器件的电气行为有很大影响：

  极高的漏电流，改变了正向特性

• 缺陷区域的晶体结构可能不同（多型夹杂物）

• 强大的形态（表面）部分

• 通常与缺陷周围的位错和缺陷顶部的光点相结合（“下落”）

• 与外延生长工艺有关的起源

堆垛层错 - 浅色三角形缺陷

■ 堆垛层错：典型的浅色三角形缺陷

• 在UVPL图像中显得更浅（轻），对比度更小

• 形状类似于深色三角形缺陷（角度，方向）

• 边缘更尖锐，没有错位线，顶部的三角形没有点

• 缺陷的大小与外延厚度有关

■ 浅色三角缺陷对受影响的JBS二极管的影响

• 受浅色三角缺陷影响的二极管表现出广泛的性能变化

• 不同的影响取决于缺陷的晶体结构和表面形态

• 与衬底缺陷相关（堆垛层错的 TSD）

注入区域的表面凹陷

■ 外延缺陷与注入

• 注入和高温退火后的 UVPL 研究（30分钟，在Ar气氛下1700°C）

■ 表面凹陷

• 在 UVPL 图像中可以观察到注入区域中的暗区

• 区域受器件单元限制（封闭的铝注入区域）

• 尚未了解的有限注入区域变暗的机制（可能与重组效应有关？）

■ 外延缺陷与注入

• 外延层中的浅坑已被发现是造成这种影响的原因之一

• 在UVPL中，较宽的注入区域没有显示出这种效应。

• 可以研究器件上的深色区域与阻断性能之间的关联性

外延缺陷对栅氧化层性能的影响

• 一些缺陷影响了栅极的氧化性能

• 例如，氧化物下面的外延层中的颗粒（下坠）的高漏电流

总结

■ 总结

• 器件制造的不同部分，从外延生长到生产线后端，都会影响器件的良率和性能

• 外延缺陷会对 SiC 器件产生强烈影响

• 三角形缺陷（各种形式的堆垛层错或多型夹杂物）尤其“危险”：仍然是高密度，各种影响因素

• 必须区分不同类型的三角形缺陷并对器件有不同的影响——重要因素：表面形态

• 与注入相结合会发生有趣的现象（使用 UVPL 进行研究时）

• 进一步的研究有望提供更多关于在线缺陷以及（扩展）外延缺陷和工艺（例如注入）的相互作用的信息