參考文獻(xiàn)：白志強，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形貌缺陷，已有大量的文獻(xiàn)報道表明三角形缺陷的形成與3C晶型有關(guān)。然而由于生長機(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型:

（1）頂端存在大顆粒的三角形缺陷

該類三角形缺陷在頂端存在一個大尺寸的球形顆粒，這可能是由于生長過程中的跌落物所造成的。沿著該頂點向下的方向可以觀察到一個表面粗糙的小三角形區(qū)域。這是由于在外延過程中，在三角形區(qū)域內(nèi)先后形成了兩個不同的3C-SiC層，其中第一層在界面處成核并通過4H-SiC臺階流生長。隨著外延層厚度的增長，第二層3C多型在較小的三角形凹坑中成核和生長，但4H生長臺階并未完全覆蓋3C多型區(qū)域，使得3C-SiC的V形凹槽區(qū)域依然清晰可見

（2）頂端存在小顆粒，表面粗糙的三角形缺陷

該類三角形缺陷其頂點處的顆粒要小得多，如圖4.2所示。并且大部分三角形區(qū)域都被4H-SiC的臺階流所覆蓋，即整個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的生長臺階，但這些臺階比常規(guī)的4H晶型生長臺階大得多。

（3)表面光滑的三角形缺陷

該類三角形缺陷具有光滑的表面形態(tài)，如圖4.3所示。對于此類三角形缺陷，3C-SiC層都被4H-SiC的臺階流所覆蓋，并且表面的4H晶型生長得加精細(xì)，平滑。

外延坑缺陷

外延坑(Pits)作為最常見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。通過對器件背面進(jìn)行KOH腐蝕后觀察到的螺紋位錯(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應(yīng)關(guān)系，表明外延坑缺陷的形成與螺紋位錯有關(guān)。

胡蘿卜缺陷

胡蘿卜缺陷是4H-SiC外延層中一類常見的表面缺陷，其典型的形貌圖如圖4.5所示。據(jù)報道胡蘿卜缺陷是由階梯狀位錯連接的位于基面上的弗蘭科層錯和棱柱層錯相交形成的。也有報道稱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。并且通過比較外延生長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找到對應(yīng)關(guān)系。  Wu H.等人利用拉曼散射測試表征發(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)計分布直方圖，其中藍(lán)色虛線為器件特性退化的分割線，紅色虛線為器件失效的分割線。對于器件失效而言，三角形缺陷的影響極大，失效比例大于93%。這主要歸因于三角形缺陷對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)計分布直方圖，其中藍(lán)色虛線為器件特性退化的分割線，紅色虛線為器件失效的分割線。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。

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