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.