STUDIO DEI CONTATTI NEI DISPOSITIVI STUDIO DEI CONTATTI NEI DISPOSITIVI MICRO-ELETTRO-MECCANICI A BASE DI MICRO-ELETTRO-MECCANICI A BASE DI
CARBURO DI SILICIOCARBURO DI SILICIO
Candidato : Marco Bonomelli
Relatore: Prof.ssa Laura E. DeperoProf.ssa Laura E. Depero
Correlatori: Correlatori: Dott.ssa Elza BontempiDott.ssa Elza Bontempi
Dott. Paolo ColombiDott. Paolo Colombi
Marco G. Bonomelli
Marco G. Bonomelli
Le proprietà del carburo di silicio lo rendono un semiconduttore con Le proprietà del carburo di silicio lo rendono un semiconduttore con ottime ottime
potenzialità per applicazioni elettroniche di alta potenza, alta frequenza ed potenzialità per applicazioni elettroniche di alta potenza, alta frequenza ed in ambienti ostili:in ambienti ostili:
Necessità di semiconduttori capaci di superare gli attuali limiti
• Elevata conducibilità termica;Elevata conducibilità termica;
• Alta velocità dei portatori;Alta velocità dei portatori;
• Alte tensioni di breakdown;Alte tensioni di breakdown;
• Ottima concentrazione dei portatori;Ottima concentrazione dei portatori;
• Compatibilità con la tecnologia del Si;Compatibilità con la tecnologia del Si;
• Bio-compatibilità.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
Concentrazione di portatori intrinseci a
300°K (cm-3) 1,5·1010 2·106 7·10-7 10-5 10-1-10
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
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
n+ (≈1018 cm-3)
Fronte 4H-SiC:• Terminato Silicio• Rugosità superficiale ≈ 30 nm
400 µm
Retro 4H-SiC:• Terminato Carbonio• Rugosità superficiale ≈ 100 nm
Ni ↕ 160 nm
Area ≈ 20 mm2
RTA: Rapid Thermal annealing;• Per tutti i campioni ricottura di 2 minuti
Marco G. Bonomelli
Altezza di barriera di contatto
Campione ΦB [eV]
Ni 400 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
300 400 500 600 700 800 900 1000 11000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Alte
zza
di b
arri
era
[eV
]
Temperatura di "annealing" [°C]
Contatto Schottky
Contatto ohmico
Fronte
4H-SiCRetro
↕ Ti/Al 0.1/1 µm; Area ≈ 2 mm2
Misure elettriche
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
I [A
]
V [V]
800 850 900 950 1000 1050
Fasi
Marco G. Bonomelli
Tecnica di analisi che permette di indagare aree Tecnica di analisi che permette di indagare aree microscopiche (microscopiche (ø 20 µm-800 µm).ø 20 µm-800 µm).
È possibile:È possibile:
Identificare le fasi cristalline.Identificare le fasi cristalline.
ValutareValutare :
• la quantità di fase;la quantità di fase;
• l’orientazione preferenziale;l’orientazione preferenziale;
• le eventuali tensioni residue.le eventuali tensioni residue.
Microdiffrazione dei raggi X
Marco G. Bonomelli
Microdiffrazione da pochi cristalli
Diffrazione bidimensionale dei raggi X (XRD2)Anelli di Debye
Campione
λ=2d·sinθ
Differenti pianicristallini
• 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°Fase Riflessi più intensi [2θ (hkl)]
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)
Ni31Si1245.824° (115); 47.155° (123) (300); 41.990° (121); 42.942° (024)
4H-SiC34.84° (101); 35.69° (004); 38.24° (102); 60.18° (110); 65.81° (106)
Spettro Bidimensionale Ni 500 Fasi riscontrate: CarbonioNi2Si Ni31Si12 Ni
Marco G. Bonomelli
CampioneC
(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 950 x x - -
Ni 1000 x x - -
Ni 1050 x x - -
Fasi identificate nei campioni analizzati
Meccanismo di formazione delcontatto ohmico:
“as-deposited”
4H-SiC
Ni
4H-SiC
Ni31Si12Ni
RTA 400°C
4H-SiC
RTA > 700°C
Ni2Si Grafite
RTA fino 600°C
4H-SiC
Ni2SiNi31Si12 Ni
Marco G. Bonomelli
Metodo classico
βRaggi X
ψ
22
20
21
Nuovo metodo DRAST: X-Ray Diffraction Debye Ring Analysis for STress Measurement
Valutazione delle tensioni residue di Ni2Si
Marco G. Bonomelli
Deformazione della fase Ni2Si nel campione Ni 1050
Ni 1050
R2 = 0,98
1,9860
1,9880
1,9900
1,9920
1,9940
1,9960
1,9980
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
d(A
)
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.
Retta di regressione
Marco G. Bonomelli
Deformazione in funzione della temperatura di trattamento termico
• 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.
Strain(T)
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
450 550 650 750 850 950 1050
Temperatura (°C)
Str
ain
(a
.u.)
Marco G. Bonomelli
Studio della orientazione preferenziale di Ni2Si
β
Campione Ni 950
• 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.
orientazione(T)
1517192123252729
500 600 700 800 900 1000
Temperatura di annealing (°C)
FW
HM
in b
eta
(deg
)
Minore è FWHM del piccomaggiore è l’orientazione preferenziale
II
0° 360°360°0°β β
FWHM: Full Width at the Half Maximum
Marco G. Bonomelli
Valutazione della quantità di fase (Ni2Si)
R2 = 0,9178
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050
Temperatura (°C)
Are
a (a
.u.)
• Integrazione dei picchi della fase di siliciuro di nichel
• La quantità di fase aumenta con la temperatura di trattamento termico.
200 220 240 260 280 300 320 3401000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
beta (deg)
Inte
nsi
tà (
a.u
.)
Ni 1050
β
Marco G. Bonomelli
Correlazione orientazione preferenziale – Quantità di fase
Ni 1050
Ni 1000
Ni 950
Ni 850
Ni 900
Ni 800
Ni 500Ni 600
Ni 700
0,00E+00
5,00E+04
1,00E+05
1,50E+05
2,00E+05
2,50E+05
3,00E+05
3,50E+05
4,00E+05
15 17 19 21 23 25 27
FWHM in beta (deg)
Are
a (a
.u.)
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)
Ni 1050
Ni 900
Ni 950Ni 850
Ni 1000
Ni 800
Ni 700
Ni 600Ni 500 R2 = 0,8778
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
7,50E+04 1,35E+05 1,95E+05 2,55E+05 3,15E+05 3,75E+05
Area (a.u.)
Alt
ezza
di
bar
rier
a (e
V)
• 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
Ni 500
Ni 600
Ni 700
y = -0,0147x + 1,2191R2 = 0,9577
0,8
0,82
0,84
0,86
0,88
0,9
23,5 24,5 25,5 26,5 27,5
FWHM in beta (deg)
Alt
ezza
di b
arri
era
(eV
)
Da Ni 500 a Ni 700 Da Ni 800 a Ni 1050
Ni 850
Ni 900Ni 950
Ni 1000
Ni 1050
Ni 800y = 0,0153x + 0,2177
R2 = 0,8438
0,42
0,44
0,46
0,48
0,5
0,52
0,54
0,56
0,58
15 17 19 21 23
FWHM in beta
Alt
ezza
di b
arri
era
(eV
)
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 – Deformazione residua
Ni 1000
Ni 850
Ni 500Ni 600Ni 700
Ni 800Ni 900
Ni 1050
Ni 950
0,40,450,5
0,550,6
0,650,7
0,750,8
0,850,9
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)
Alt
ezza
di
bar
rier
a (e
V)
• Non si evidenzia influenza dello strain sull’altezza di barriera dei contatti.
Marco G. Bonomelli
Conclusioni:
• 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).
• 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.
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.