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. La necessità di semiconduttori con caratteristiche tali da superare i limiti degli attuali dispositivi ha negli ultimi anni portato allo studio e allo sviluppo del carburo di silicio. Infatti le sue proprietà lo rendono un semiconduttore con ottime potenzialità per applicazioni elettroniche di alta potenza, alta frequenza ed in ambienti ostili (cioè quando si debba operare ad alta temperatura o in presenza di agenti chimici o forti campi elettromagnetici). L’elevata conducibilità termica del carburo di silicio consente una veloce ed efficace dispersione del calore dei dispositivi diminuendo i costi di raffreddamento ad essa legati; L’alta velocità di trascinamento dei portatori comporta alte velocità di commutazione, favorevoli alle applicazioni ad alta frequenza. Il SiC, a differenza di semiconduttori tradizionali in cui per campi superiori a 100 kV/cm la velocità di trascinamento diminuisce o presenta una saturazione, dimostra avere un andamento monotono crescente fino a 300 kV/cm. A parità di concentrazione di drogante si possono avere tensioni di breakdown considerevolmente maggiori rispetto al Si. Ottima concentrazione di carica intrinseca nel SiC, molto minore a quella del silicio e quindi adatto ad applicazioni ad alte temperature (ambienti ostili). Inoltre offre vantaggi per molte applicazioni permettendo l’integrazione “on-chip” con circuiti integrati “Si-based” e sono in corso studi riguardo la 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 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 Concentrazione di portatori intrinseci a 300°K (cm-3) 1,5·1010 2·106 7·10-7 10-5 10-1-10 Grazie a queste proprietà del SiC è possibile realizzare dispositivi per applicazioni a temperature superiori i 200°C e con campi elettrici oltre i 100 kV/cm. Numerosi esperimenti sono stati condotti utilizzando substrati 3C-SiC poiché la mobilità degli elettroni del 3C-SiC intrinseco risulta essere maggiore rispetto ad altri politipi. Ultimamente si predilige utilizzare il politipo esagonale 4H-SiC che ha una mobilità inferiore( 1136 cm2/Vs a 300°C), ma offre una concentrazione di carica intrinseca ed una difettosità minore rispetto al 3C-SiC. Tuttavia i problemi per l’utilizzo del SiC non sono stati ancora completamente risolti: In particolare è difficile ottenere substrati di dimensioni adeguate e privi di difetti a un costo competitivo rispetto al Si. Si consideri che un wafer di carburo di silicio del diametro di circa 5 cm ha un costo 10 volte maggiore di un wafer del diametro di 15.24 cm di silicio. Per utilizzare industrialmente il SiC è infine necessario sviluppare protocolli di processo. 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. Dunque per la produzione di dispositivi affidabili e con elevate prestazioni è fondamentale comprendere i meccanismi di formazione dei contatti in SiC. Gli obiettivi di tesi sono perciò: 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 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 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 I campioni analizzati sono stati ottenuti da un wafer di 4H-SiC dello spessore di circa 400µm con un drogaggio tipo n+ del valore di 1018 cm-3. Il fronte del wafer è terminato silicio e presenta una rugosità di circa 30nm, mentre è terminato carbonio sul retro con una rugosità superficiale di circa 100nm. Sul retro del wafer è stata deposta una metallizzazione di nichel dello spessore di cica 160nm. Sul davanti non è stato invece deposto nulla. La deposizione è stata realizzata sul retro del wafer poiché si è verificato sperimentalmente che, essendo la superficie più rugosa, si ha più facilmente la formazione del contatto ohmico. Sono poi stati ricavati dei frammenti aventi area approssimativamente del valore di 20 mm2 ed è stato effettuato un trattamento termico (RTA) al Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell’Università del Galles Swansea per un tempo di ricottura di 2 minuti e per temperature tra i 400 e 1050°C. 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 Misure elettriche ↕ Ti/Al 0.1/1 µm; Area ≈ 2 mm2 Fronte 4H-SiC Retro Fasi Dopo i trattamenti termici sul davanti dei campioni è stato despositato il contatto Ti/Al dello spessore di 0.1/1 µm e area di circa 2mm2, quindi sono state effettuate le misure elettriche con strumentazione a due punte presso il Politecnico di Torino. Dalle caratteristiche I-V ottenute sono stati ricavati i valori di altezza di barriera di contatto mostrati in tabella. Quando l’altezza di barriera è inferiore a 0.5 eV il contatto può essere considerato ohmico. Nel caso dei campioni studiati il contatto si può considerare ohmico per trattamenti termici superiori o uguali a 800°C, mentre per trattamenti a temperature inferiori il contatto è di tipo Schottky, quindi rettificante. Il miglior comportamento ohmico si ha per il campione trattato a 1050° come è possibile notare dal grafico. Contatto ohmico Contatto Schottky 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. Sono state indagate le fasi e la microstruttura del contatto con la tecnica di microdiffrazione, che permette di analizzare superfici tra 20 e 800µm. In particolare, oltre alle fasi formatesi alle diverse temperature di trattamento, sono state calcolate la quantità di fase l’orientazione preferenziale le eventuali tensioni residue. Lo strumento di misura utilizzato è stato il microdiffrattometro bidimensionale D/MAX-RAPID. Marco G. Bonomelli

Microdiffrazione da pochi cristalli Diffrazione bidimensionale dei raggi X (XRD2) Anelli di Debye Campione λ=2d·sinθ Differenti piani cristallini Microdiffrazione da pochi cristalli 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. Il rilevatore bidimensionale consente di registrare gli anelli di Debye e quindi individuare le fasi presenti. In figura sono rappresentati diversi anelli che corrispondono a diverse distanze interplanari. 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 invece dei massimi d’intensità. Quindi con queste misure è possibile determinare la presenza di orientazione preferenziale. E’ possibile individuare anche fasi presenti in piccole quantità, come nel nostro caso. Marco G. Bonomelli

Riflessi più intensi [2θ (hkl)] 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) 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 Ni31Si12 Ni2Si Carbonio Le fasi identificate nei campioni sottoposti ad analisi sono riportate in tabella, con i riflessi di maggiore intensità. Nello spettro bidimensionale di tutti i campioni si possono osservare spot molto intensi dovuti al substrato di SiC. Gli anelli di Debye sono invece dovuti alle fasi del contatto. Se consideriamo l’area indicata nel rettangolo, possiamo distinguere gli anelli di Debye delle diverse fasi osservate e qui ho riportato le fasi identificate nel campione trattato termicamente a 500°C. Marco G. Bonomelli

Fasi identificate nei campioni analizzati Campione C (Grafite) Ni2Si Ni Ni31Si12 Ni 400 - x Ni 500 Ni 600 Ni 700 Ni 800 Ni 850 Ni 900 Ni 950 Ni 1000 Ni 1050 Meccanismo di formazione del contatto ohmico: “as-deposited” 4H-SiC Ni In tabella sono mostrate le fasi identificate nei campioni ed è stato possibile evidenziare il meccanismo di formazione del contatto. Partendo dal contatto di Ni senza trattamenti, a 400°C si ha la formazione di un siliciuro ricco di Ni (Ni31Si12). Fino i 600°C si trova la coesistenza di tre fasi mentre per temperature maggiori di 700°C si riscontra solo la fase Ni2Si e grafite. 4H-SiC RTA > 700°C Ni2Si Grafite 4H-SiC Ni31Si12 Ni RTA 400°C RTA fino 600°C 4H-SiC Ni2Si Ni31Si12 Ni Marco G. Bonomelli

Valutazione delle tensioni residue di Ni2Si 22 20 21 Nuovo metodo DRAST: X-Ray Diffraction Debye Ring Analysis for STress Measurement β Metodo classico E’ stata quindi determinata la presenza di deformazioni della fase Ni2Si. Infatti, se in un materiale policristallino si ha uno stress come mostrato in figura (in alto a sinistra), la stessa famiglia di piani reticolari è caratterizzata da una distanza leggermente differente e il picco di diffrazione si sposta ad angoli più piccoli. Il metodo classico per la determinazione degli strain consiste nel valutare lo spostamento di un riflesso della fase in funzione dell’orientazione dei cristalli rispetto alla superficie. Come si vede in figura (in basso a sinistra), se è applicata una forza parallela alla superficie, si avrà una diversa deformazione dei piani reticolari paralleli alla superficie o perpendicolari (se paralleli allora la distanza interplanare d diminuisce, se perpendicolari aumenta). In questo lavoro è stata utilizzata invece la tecnica di diffrazione bidimensionale con metodo DRAST sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica. Il nuovo metodo si basa sullo studio degli anelli di Debye. Idealmente, se non ci sono deformazioni (strain), l’anello di Debye è una circonferenza, altrimenti risulterà deformato, come si vede in figura (centrale). E’ possibile, studiando la deformazione dell’anello e ricavando dall’angolo β l’orientazione ψ dei cristalliti, ottenere lo stress residuo del materiale. [Nel nostro caso è stato possibile calcolare lo strain e non lo stress perché non siamo a conoscenza dei moduli elastici della fase Ni2Si.] Raggi X ψ w Marco G. Bonomelli

Deformazione della fase Ni2Si nel campione Ni 1050 Retta di regressione sin2(ψ) Un esempio dei dati che devono essere utilizzati nel metodo DRAST è riportato in figura ed è inerente al campione Ni 1050. I suoi vantaggi consistono in: 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. 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 I coefficienti angolari delle rette di regressione sono serviti a determinare la deformazione presente nella fase Ni2Si e sono mostrati in funzione della temperatura di trattamento con l’errore calcolato. 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. Questo effetto è per la prima volta stato osservato ed ancora oggetto di studio. 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 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. β Campione Ni 950 Minore è FWHM del picco maggiore è l’orientazione preferenziale I 0° 360° β FWHM: Full Width at the Half Maximum Le misure diffrattometriche hanno permesso di valutare qualitativamente l’orientazione preferenziale della fase Ni2Si. Come ho già detto, se non c’è orientazione l’intensità del riflesso rispetto all’angolo β è costante (figura in basso a sinistra). Quindi l’ ampiezza a metà altezza del picco di intensità ottenuto sperimentalmente per i riflessi della fase Ni2Si può essere considerato come un indice di orientazione preferenziale della fase: minore è FWHM del picco maggiore è l’orientazione preferenziale. I dati ottenuti sono mostrati in funzione della temperatura di trattamento termico e si può dire che: 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 cresce. Marco G. Bonomelli

Valutazione della quantità di fase (Ni2Si) β Si è valutata anche la quantità di fase del siliciuro di nichel determinata integrando i picchi di diffrazione secondo l’angolo β. In figura è riportato un esempio del picco di diffrazione del campione Ni 1050 e il grafico mostra i risultati ottenuti per le diverse temperature di trattamento. Si può vedere come la quantità di fase aumenta con la temperatura di trattamento termico. 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 L’orientazione preferenziale sembra essere correlata con la quantità di fase presente nei campioni, come mostrato in figura. Questo potrebbe essere giustificato dal fatto che la temperatura favorisce la crescita orientata della fase rispetto al substrato. {Crescita della fase secondo l’orientazione [301], mentre il substrato cresciuto secondo la direzione [001*].} 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. I dati di altezza di barriera sono stati quindi correlati con i dati strutturali. In particolare: Altezza di barriera – Quantità di fase del siliciuro di nichel Ni2Si Inoltre, data la presenza di orientazione preferenziale e stress differenti nei campioni, come precedentemente discusso, si è valutata la possibile influenza di questi fattori rispetto all’altezza d barriera Marco G. Bonomelli

Altezza di barriera – Quantità di fase (Ni2Si) 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. Si è verificato che 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 Questo conferma recenti risultati in letteratura. Marco G. Bonomelli

Altezza di barriera – Orientazione Preferenziale Da Ni 500 a Ni 700 Da Ni 800 a Ni 1050 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). È invece la prima volta che viene correlata l’altezza di barriera con l’orientazione preferenziale della fase di Ni2Si e l’orientazione aumenta al diminuire della FWHM. Si osserva che l’altezza di barriera è proporzionale all’orientazione preferenziale per temperature inferiori gli 800° mentre è inversamente proporzionale nei campioni dove si è ottenuto un contatto ohmico. In particolare il 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 Per quanto riguarda la correlazione tra i dati elettrici e quelli di strain il grafico ottenuto è quello qui mostrato e non è stata evidenziata influenza dello strain sull’altezza di barriera. 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). In conclusione: è stata studiata la formazione del contatto ohmico in funzione del trattamento termico effettuato per i campioni e delle misure elettriche. È stata valutata la correlazione tra microstruttura e l’ altezza di barriera dei contatti ricavata dalle misure elettriche. È stato così possibile osservare che: Il comportamento ohmico è determinato dalla formazione del siliciuro di nichel (Ni2Si) Per la prima volta che la fase Ni2Si cresce in modo orientato e l’orientazione aumenta con l’aumentare della temperatura del trattamento termico Si è osservata una differenza di deformazione nella fase Ni2Si alla temperatura di transizione del contatto 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