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STUDIO DEI CONTATTI NEI DISPOSITIVI MICRO-ELETTRO-MECCANICI A BASE DI CARBURO DI SILICIO Candidato : Marco Bonomelli Prof.ssa Laura E. Depero Relatore:

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Presentazione sul tema: "STUDIO DEI CONTATTI NEI DISPOSITIVI MICRO-ELETTRO-MECCANICI A BASE DI CARBURO DI SILICIO Candidato : Marco Bonomelli Prof.ssa Laura E. Depero Relatore:"— Transcript della presentazione:

1 STUDIO DEI CONTATTI NEI DISPOSITIVI MICRO-ELETTRO-MECCANICI A BASE DI CARBURO DI SILICIO Candidato : Marco Bonomelli Prof.ssa Laura E. Depero Relatore: Prof.ssa Laura E. Depero Correlatori: Dott.ssa Elza Bontempi Dott. Paolo Colombi Dott. Paolo Colombi Marco G. Bonomelli

2 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: Necessità di semiconduttori capaci di superare gli attuali limiti 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.

3 Marco G. Bonomelli Vantaggi dei politipi di SiC vs 200°C kV/cm Si: ProprietàSiGaAs4H-SiC6H-SiC3C-SiC Band gap (eV)1,11,423,2632,4 Velocità dei portatori ν sat (10 7 cm/s) Breakdown field (MV/cm) 0,30,4// c 2,2// c 2,51,2 Conducibilità termica (W/cm·°K) 1,50,5555 Concentrazione di portatori intrinseci a 300°K (cm -3 ) 1,5· ·10 6 7· Problemi attuali per lutilizzo del SiC: Difficoltà di ottenere substrati di dimensioni adeguate e privi di difetti; Mancanza di protocolli di processo.

4 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 leventuale presenza di tensioni residue in funzione del trattamento termico; Discutere le correlazioni tra struttura/microstruttura e misure elettriche del contatto.

5 Marco G. Bonomelli Descrizione dei campioni Nome CampioneRTA (°C) Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni n + (10 18 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 mm 2 RTA: Rapid Thermal annealing; Per tutti i campioni ricottura di 2 minuti

6 Marco G. Bonomelli Altezza di barriera di contatto CampioneΦ B [eV] Ni 4000,880 Ni 5000,870 Ni 6000,835 Ni 7000,825 Ni 8000,533 Ni 8500,522 Ni 9000,550 Ni 9500,519 Ni 10000,476 Ni 10500,440 Contatto Schottky Contatto ohmico Fronte 4H-SiC Retro Ti/Al 0.1/1 µm; Area 2 mm 2 Misure elettriche Fasi

7 Marco G. Bonomelli Tecnica di analisi che permette di indagare aree microscopiche (ø 20 µm-800 µm). È possibile: È possibile: Identificare le fasi cristalline. Identificare le fasi cristalline. Valutare Valutare : la quantità di fase;la quantità di fase; lorientazione preferenziale;lorientazione preferenziale; le eventuali tensioni residue.le eventuali tensioni residue. Microdiffrazione dei raggi X

8 Marco G. Bonomelli Microdiffrazione da pochi cristalli Diffrazione bidimensionale dei raggi X (XRD 2 ) Anelli di Debye Campione λ=2d·sinθ Differenti piani cristallini Se i cristalliti che formano la fase sono distribuiti secondo tutte le direzioni possibili, si ottiene unintensità costante di tutti gli anelli di Debye della fase; Nel caso di orientazione preferenziale lanello presenta dei massimi dintensità; Possibile determinare la presenza di orientazione preferenziale e individuare fasi presenti in piccole quantità.

9 Marco G. Bonomelli Esempio : XRD 2 del campione trattato a 500° FaseRiflessi più intensi [2θ (hkl)] C (Grafite)26.611° (111); ° (010); ° (110) Ni 2 Si ° (301) (121); ° (211); ° (002); ° (021) Ni44.507° (111); ° (200); ° (220); ° (311) Ni 31 Si ° (115); ° (123) (300); ° (121); ° (024) 4H-SiC 34.84° (101); 35.69° (004); 38.24° (102); 60.18° (110); 65.81° (106) Spettro Bidimensionale Ni 500Fasi riscontrate:CarbonioNi 2 SiNi 31 Si 12 Ni

10 Marco G. Bonomelli Campione C (Grafite) Ni 2 SiNiNi 31 Si 12 Ni 400--xx Ni 500xxxx Ni 600-xxx Ni 700xxx- Ni 800xx-- Ni 850xx-- Ni 900xx-- Ni 950xx-- Ni 1000xx-- Ni 1050xx-- Fasi identificate nei campioni analizzati Meccanismo di formazione del contatto ohmico: as-deposited 4H-SiC Ni 4H-SiC Ni 31 Si 12 Ni RTA 400°C 4H-SiC RTA > 700°C Ni 2 Si Grafite RTA fino 600°C 4H-SiC Ni 2 SiNi 31 Si 12 Ni

11 Marco G. Bonomelli Metodo classico β Raggi X ψ Nuovo metodo DRAST: X-Ray Diffraction Debye Ring Analysis for STress Measurement Valutazione delle tensioni residue di Ni 2 Si

12 Marco G. Bonomelli Deformazione della fase Ni 2 Si nel campione Ni 1050 sin 2 (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

13 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.

14 Marco G. Bonomelli Studio della orientazione preferenziale di Ni 2 Si 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 lorientazione preferenziale cresce. Minore è FWHM del picco maggiore è lorientazione preferenziale II 0°360° 0° ββ FWHM: Full Width at the Half Maximum

15 Marco G. Bonomelli Valutazione della quantità di fase (Ni 2 Si) Integrazione dei picchi della fase di siliciuro di nichel La quantità di fase aumenta con la temperatura di trattamento termico. β

16 Marco G. Bonomelli Correlazione orientazione preferenziale – Quantità di fase Fase Ni 2 Si: Lorientazione preferenziale sembra essere correlata con la quantità di fase presente nei campioni.

17 Marco G. Bonomelli Correlazione proprietà elettriche-strutturali Altezza di barriera – Quantità di Ni 2 Si Inoltre, data la presenza in Ni 2 Si di: orientazione preferenziale stress residuo valutata la loro influenza rispetto allaltezza di barriera.

18 Marco G. Bonomelli Altezza di barriera – Quantità di fase (Ni 2 Si) La crescita di Ni 2 Si determina la formazione del contatto ohmico; Nel campione Ni 800 si ha la formazione del contatto ohmico e la fase Ni 2 Si cresce in modo significativo; Il miglior contatto ohmico si ha per il campione Ni 1050 e la quantità di Ni 2 Si è massima.

19 Marco G. Bonomelli Altezza di barriera – Orientazione Preferenziale Da Ni 500 a Ni 700Da Ni 800 a Ni 1050 Correlazione: Altezza di barriera proporzionale allorientazione preferenziale per temperature inferiori gli 800°C; Altezza di barriera inversamente proporzionale allorientazione 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 unorientazione maggiore (Ni 1050).

20 Marco G. Bonomelli Altezza di barriera – Deformazione residua Non si evidenzia influenza dello strain sullaltezza di barriera dei contatti.

21 Marco G. Bonomelli Conclusioni: Comportamento ohmico determinato dalla formazione del siliciuro di nichel (Ni 2 Si); La fase Ni 2 Si cresce in modo orientato e lorientazione aumenta con laumentare della temperatura del trattamento termico; Osservata una differenza di deformazione nella fase Ni 2 Si 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 laltezza di barriera dei contatti ricavata dalle misure elettriche.

22 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 lorientazione; Ottimizzare il processo di metallizzazione in funzione dei risultati ottenuti.


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