STUDIO DEI CONTATTI NEI DISPOSITIVI MICRO-ELETTRO-MECCANICI A BASE DI CARBURO DI SILICIO

1. 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

2. 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

3. Vantaggi dei politipi di SiC vs 200°C - 100 kV/cm Si: • 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

4. 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

5. Ni ↕ 160 nm • Retro 4H-SiC: • Terminato Carbonio • Rugosità superficiale ≈ 100 nm n+ (≈1018 cm-3) 400 µm Area ≈ 20 mm2 • Fronte 4H-SiC: • Terminato Silicio • Rugosità superficiale ≈ 30 nm Descrizione dei campioni • RTA: Rapid Thermal annealing; • Per tutti i campioni ricottura di 2 minuti Marco G. Bonomelli

6. Misure elettriche ↕ Ti/Al 0.1/1 µm; Area ≈ 2 mm2 Fronte 4H-SiC Retro Fasi Contatto ohmico Contatto Schottky Marco G. Bonomelli

7. 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

8. Anelli di Debye Differenti piani cristallini Microdiffrazione da pochi cristalli Campione λ=2d·sinθ Diffrazione bidimensionale dei raggi X (XRD2) • 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

9. Esempio : XRD2 del campione trattato a 500° Spettro Bidimensionale Ni 500 Fasi riscontrate: Carbonio Ni2Si Ni31Si12 Ni Marco G. Bonomelli

10. “as-deposited” Ni 4H-SiC Ni2Si Ni31Si12 Ni31Si12 Ni2Si Ni Grafite Ni 4H-SiC 4H-SiC 4H-SiC RTA 400°C RTA fino 600°C RTA > 700°C Fasi identificate nei campioni analizzati Meccanismo di formazione del contatto ohmico: Marco G. Bonomelli

11. 21 Nuovo metodo DRAST: X-Ray Diffraction Debye Ring Analysis for STress Measurement 20 22 ψ β w Valutazione delle tensioni residue di Ni2Si Metodo classico Raggi X Marco G. Bonomelli

12. Deformazione della fase Ni2Si nel campione Ni 1050 Retta di regressione 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

13. 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. Marco G. Bonomelli

14. Campione Ni 950 β I I FWHM: Full Width at the Half Maximum Minore è FWHM del picco maggiore è l’orientazione preferenziale β β 0° 360° 0° 360° • 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. Studio della orientazione preferenziale di Ni2Si Marco G. Bonomelli

15. Valutazione della quantità di fase (Ni2Si) β • Integrazione dei picchi della fase di siliciuro di nichel • La quantità di fase aumenta con la temperatura di trattamento termico. Marco G. Bonomelli

16. Correlazione orientazione preferenziale – Quantità di fase • Fase Ni2Si: • L’orientazione preferenziale sembra essere correlata con la quantità di fase presente nei campioni. Marco G. Bonomelli

17. 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

18. 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. Marco G. Bonomelli

19. 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). Marco G. Bonomelli

20. Altezza di barriera – Deformazione residua • Non si evidenzia influenza dello strain sull’altezza di barriera dei contatti. Marco G. Bonomelli

21. 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

22. 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