STUDIO DEI CONTATTI NEI DISPOSITIVI
MICRO-ELETTRO-MECCANICI A BASE DI
CARBURO DI SILICIO
Candidato :
Marco Bonomelli
Relatore:
Prof.ssa Laura E. Depero
Correlatori:
Dott.ssa Elza Bontempi
Dott. Paolo Colombi
Marco G. Bonomelli
Necessità di semiconduttori capaci di superare gli attuali limiti
Le proprietà del carburo di silicio lo rendono un semiconduttore con ottime
potenzialità per applicazioni elettroniche di alta potenza, alta frequenza ed
in ambienti ostili:
• Elevata conducibilità termica;
• Alta velocità dei portatori;
• Alte tensioni di breakdown;
• Ottima concentrazione dei portatori;
• Compatibilità con la tecnologia del Si;
• Bio-compatibilità.
Marco G. Bonomelli
Vantaggi dei politipi di SiC vs 200°C - 100 kV/cm Si:
Proprietà
Si
GaAs
4H-SiC
6H-SiC
3C-SiC
Band gap (eV)
1,1
1,42
3,26
3
2,4
Velocità dei portatori
νsat(107 cm/s)
1
2
2
2
2
Breakdown field
(MV/cm)
0,3
0,4
// c 2,2
// c 2,5
1,2
Conducibilità termica
(W/cm·°K)
1,5
0,5
5
5
5
1,5·1010
2·106
7·10-7
10-5
10-1-10
Concentrazione di
portatori intrinseci a
300°K (cm-3)
Problemi attuali per l’utilizzo del SiC:
• Difficoltà di ottenere substrati di dimensioni adeguate e privi di difetti;
• Mancanza di protocolli di processo.
Marco G. Bonomelli
Per la produzione di dispositivi affidabili e con elevate prestazioni è
necessario comprendere i meccanismi di formazione dei contatti su SiC.
Obiettivi di tesi:
• Studiare la formazione del contatto ohmico in funzione del trattamento
termico e delle misure elettriche;
• Identificare le fasi, la microstruttura del contatto e l’eventuale presenza
di tensioni residue in funzione del trattamento termico;
• Discutere le correlazioni tra struttura/microstruttura e misure elettriche
del contatto.
Marco G. Bonomelli
Descrizione dei campioni
Ni
400 µm
↕ 160 nm
Retro 4H-SiC:
• Terminato Carbonio
• Rugosità superficiale ≈ 100 nm
n+ (≈1018 cm-3)
Area ≈ 20 mm2
Fronte 4H-SiC:
• Terminato Silicio
• Rugosità superficiale ≈ 30 nm
RTA: Rapid Thermal annealing;
• Per tutti i campioni ricottura di 2 minuti
Nome Campione
RTA (°C)
Ni 400
400
Ni 500
500
Ni 600
600
Ni 700
700
Ni 800
800
Ni 850
850
Ni 900
900
Ni 950
950
Ni 1000
1000
Ni 1050
1050
Marco G. Bonomelli
Altezza di barriera di contatto
Misure elettriche
4H-SiC
0,880
Ni 500
0,870
Ni 600
0,835
Ni 700
0,825
Ni 800
0,533
Ni 850
0,522
Ni 900
0,550
Ni 950
0,519
Ni 1000
0,476
Ni 1050
0,440
800
850
900
950
1000
1050
0,30
0,8
0,25
Contatto ohmico
0,7
0,6
0,20
I [A]
Altezza di barriera [eV]
Ni 400
Fasi
0,9
0,5
ΦB [eV]
↕ Ti/Al 0.1/1 µm;
Area ≈ 2 mm2
Fronte
Retro
Campione
0,10
Contatto Schottky
0,05
0,4
0,3
300
0,15
0,00
400
500
600
700
800
900
Temperatura di "annealing" [°C]
1000 1100
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
V [V]
Marco G. Bonomelli
Microdiffrazione dei raggi X
Tecnica di analisi che permette di indagare aree
microscopiche (ø 20 µm-800 µm).
È possibile:


Identificare le fasi cristalline.
Valutare :
•
la quantità di fase;
•
l’orientazione preferenziale;
•
le eventuali tensioni residue.
Marco G. Bonomelli
Diffrazione bidimensionale dei raggi X (XRD2)
Anelli di Debye
Differenti piani
cristallini
Campione
Microdiffrazione da pochi cristalli
λ=2d·sinθ
• Se i cristalliti che formano la fase sono distribuiti secondo tutte le direzioni
possibili, si ottiene un’intensità costante di tutti gli anelli di Debye della fase;
• Nel caso di orientazione preferenziale l’anello presenta dei massimi d’intensità;
• Possibile determinare la presenza di orientazione preferenziale e individuare fasi
presenti in piccole quantità.
Marco G. Bonomelli
Esempio : XRD2 del campione trattato a 500°
Riflessi più intensi [2θ (hkl)]
Fase
C (Grafite)
26.611° (111); 43.453° (010); 46.320° (110)
Ni2Si
45.575° (301) (121); 39.524° (211); 48.929° (002); 43.646°
(021)
Ni
44.507° (111); 51.846° (200); 76.370° (220); 92.944° (311)
Ni31Si12
45.824° (115); 47.155° (123) (300); 41.990° (121); 42.942°
(024)
4H-SiC
34.84° (101); 35.69° (004); 38.24° (102); 60.18° (110); 65.81°
(106)
Spettro Bidimensionale Ni 500
Fasi riscontrate: Ni
Carbonio
Si12
2Si
31
Marco G. Bonomelli
Fasi identificate nei campioni analizzati
Campione
C
(Grafite)
Ni2Si
Ni
Ni31Si12
Ni 400
-
-
x
x
Ni 500
x
x
x
x
Ni 600
-
x
x
x
Ni 700
x
x
x
-
Ni 800
x
x
-
-
Ni 850
x
x
-
-
Ni 900
x
x
-
-
Ni
Ni 950
x
x
-
-
4H-SiC
Ni 1000
x
x
-
-
Ni 1050
x
x
-
-
Ni
Ni31Si12
Ni31Si12
Ni2Si
Meccanismo di formazione del
contatto ohmico:
“as-deposited”
Ni
Ni2Si
4H-SiC
4H-SiC
4H-SiC
RTA 400°C
RTA fino 600°C
RTA > 700°C
Grafite
Marco G. Bonomelli
Valutazione delle tensioni residue di Ni2Si
2
1
Nuovo metodo DRAST:
2
2
X-Ray Diffraction Debye Ring
Analysis for STress Measurement
0
2
Metodo classico
Raggi X
ψ
β
w
Marco G. Bonomelli
Deformazione della fase Ni2Si nel campione Ni 1050
Ni 1050
R 2 = 0,98
1,9980
Retta di regressione
1,9960
d(A)
1,9940
1,9920
1,9900
1,9880
1,9860
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
sin2(ψ)
Vantaggi del metodo DRAST:
•
•
•
Necessità di una sola misura;
Misure accurate, perché il campione non deve essere ruotato;
Angolo di incidenza fisso, perciò il volume di campione studiato
rimane costante.
Marco G. Bonomelli
Deformazione in funzione della temperatura
di trattamento termico
Strain(T)
0,014
Strain (a.u.)
0,012
0,01
0,008
0,006
0,004
0,002
0
450
550
650
750
850
950
1050
Temperatura (°C)
• I campioni trattati a temperature inferiori a 750°C presentano deformazioni
piccole e non significativamente diverse tra loro, mentre si constata una
deformazione maggiore per trattamenti termici oltre i 750°C.
Marco G. Bonomelli
Studio della orientazione preferenziale di Ni2Si
Campione Ni 950
β
FWHM in beta (deg)
orientazione(T)
29
27
25
23
21
19
17
15
500
I
600
700
800
900
1000
Temperatura di annealing (°C)
I
FWHM: Full Width at the Half Maximum
β
0°
360°
β
0°
360°
Minore è FWHM del picco
maggiore è l’orientazione preferenziale
• Orientazione diminuisce per campioni che hanno subito un processo RTA a
temperature da 500°C a 700°C.
• Per temperature superiori a 700°C l’orientazione preferenziale cresce.
Marco G. Bonomelli
Valutazione della quantità di fase (Ni2Si)
8000
Ni 1050
400000
350000
7000
Area (a.u.)
Intensità (a.u.)
6000
5000
4000
300000
250000
200000
150000
100000
3000
50000
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050
2000
1000
200
R2 = 0,9178
Temperatura (°C)
220
240
260
280
300
320
340
β
beta (deg)
• Integrazione dei picchi della fase di siliciuro di nichel
• La quantità di fase aumenta con la temperatura di trattamento termico.
Marco G. Bonomelli
Correlazione orientazione preferenziale – Quantità di fase
4,00E+05
Ni 1050
3,50E+05
Ni 950
Area (a.u.)
3,00E+05
2,50E+05
Ni 1000
Ni 900
Ni 800
Ni 850
2,00E+05
Ni 700
1,50E+05
1,00E+05
Ni 600
Ni 500
5,00E+04
0,00E+00
15
17
19
21
23
25
27
FWHM in beta (deg)
Fase Ni2Si:
• L’orientazione preferenziale sembra essere correlata con la quantità di
fase presente nei campioni.
Marco G. Bonomelli
Correlazione proprietà elettriche-strutturali
• Altezza di barriera – Quantità di Ni2Si
Inoltre, data la presenza in Ni2Si di:
• orientazione preferenziale
• stress residuo
valutata la loro influenza rispetto all’altezza di barriera.
Marco G. Bonomelli
Altezza di barriera – Quantità di fase (Ni2Si)
Altezza di barriera (eV)
0,9
0,8
Ni 500
Ni 600
R2 = 0,8778
Ni 700
0,7
0,6
0,5
Ni 800
Ni 900
Ni 850
Ni 1000 Ni 950
Ni 1050
0,4
7,50E+04 1,35E+05 1,95E+05 2,55E+05 3,15E+05 3,75E+05
Area (a.u.)
• La crescita di Ni2Si determina la formazione del contatto ohmico;
• Nel campione Ni 800 si ha la formazione del contatto ohmico e la
fase Ni2Si cresce in modo significativo;
• Il miglior contatto ohmico si ha per il campione Ni 1050 e la
quantità di Ni2Si è massima.
Marco G. Bonomelli
Altezza di barriera – Orientazione Preferenziale
Da Ni 500 a Ni 700
Da Ni 800 a Ni 1050
0,88
0,58
y = -0,0147x + 1,2191
R2 = 0,9577
Ni 500
0,86
0,84
Ni 600
0,82
0,8
23,5
Ni 700
Altezza di barriera (eV)
Altezza di barriera (eV)
0,9
0,56
y = 0,0153x + 0,2177
R2 = 0,8438
0,54
0,52
Ni 850
Ni 950
0,5
0,48
Ni 800
Ni 900
Ni 1000
0,46
0,44
Ni 1050
0,42
24,5
25,5
FWHM in beta (deg)
26,5
27,5
15
17
19
21
23
FWHM in beta
Correlazione:
• Altezza di barriera proporzionale all’orientazione preferenziale per temperature inferiori
gli 800°C;
• Altezza di barriera inversamente proporzionale all’orientazione preferenziale nei
campioni dove si è ottenuto un contatto ohmico;
• Campione che presenta miglior comportamento ohmico (minore altezza di barriera) è
anche quello che mostra un’orientazione maggiore (Ni 1050).
Marco G. Bonomelli
Altezza di barriera (eV)
Altezza di barriera – Deformazione residua
0,9
Ni 500
Ni 600
0,85
Ni 700
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
Ni 800
Ni 950
0,55
Ni 900
Ni 850
0,5
Ni 1000
0,45
Ni 1050
0,4
0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 0,011 0,012 0,013
Deformazione del reticolo (a.u)
• Non si evidenzia influenza dello strain sull’altezza di
barriera dei contatti.
Marco G. Bonomelli
Conclusioni:
• Studio della formazione del contatto ohmico in funzione del trattamento
termico effettuato per i campioni e delle misure elettriche;
• Valutata la correlazione tra struttura/microstruttura e l’altezza di barriera
dei contatti ricavata dalle misure elettriche.
• Comportamento ohmico determinato dalla formazione del siliciuro di nichel
(Ni2Si);
• La fase Ni2Si cresce in modo orientato e l’orientazione aumenta con l’aumentare
della temperatura del trattamento termico;
• Osservata una differenza di deformazione nella fase Ni2Si alla temperatura di
transizione del contatto (da Schottky a ohmico).
Marco G. Bonomelli
Prospettive future:
• Studiare le proprietà elettriche in funzione dello spessore di metallo
depositato;
• Indagare altri tipi di contatto (differenti deposizioni);
• Studiare campioni con trattamento termico superiore i 1050°C per
verificare la correlazione delle proprietà elettriche con l’orientazione;
• Ottimizzare il processo di metallizzazione in funzione dei risultati
ottenuti.
Marco G. Bonomelli