Metalizzazione su superfici di SiC: Contatti ohmici di Nisu 4H-SiC tramite processi laser

The ohmic contact formation on the back-side of SiC substrate is primarily important since a high potential barrier is inclined to form at the interface between most metals and SiC, which consequently results in a low-current driving, a slow switching speed and an increased power dissipation. For these reasons the issue of thinning the back side substrate to reduce the resistive contribution down is generally applied and the wafer grinding step has become mandatory in SiC technology to minimize the total device resistance. The research work of this PHD thesis is aimed at investigating the Laser Annealing (LA) process for ohmic contact formation. Indeed, it represents a valid solution for achieving the ohmic contact by silicidation with a limited heat transfer and its use in back ohmic contact formation enables the possibility to complete the device front side first and to process the back-side contact without limitation on the thinning of the wafers. Different analyses with various laser conditions (shot numbers, energy density) have been carried out in the experiments reported in the thesis, performed in collaboration with STMicroelectronics and CNR-IMM HQ Catania. The characterization of the Ohmic contact structures after LA has been analysed combining the Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) with X-ray diffraction, cross-sectional TEM, Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and Sheet Resistance measurements (Rs). Numerical simulations for the maximum temperature and the phases obtained after LA are compared with experimental data and used to evaluate the dynamical evolution of the processes. The most relevant results concern the dependence of Rs on laser energy density and on the number of pulses, in combination with the detection of the formed phase and C-atoms localization. These aspects are relevant for comparison with the proposed phenomenological models of ohmic contact formation (see section 4.3). The experimental results show that a threshold energy density of 2.4 J/cm2 is mandatory to give rise to the silicide formation; at this energy a thin layer of Ni3Si (cubic phase) is formed at the interface Ni/SiC with the presence of small carbon clusters. At higher energy density (3.2 J/cm2) the Ni3Si layer thickness increase with the simultaneous increase of number and size of carbon clusters. The increase of laser energy density to 3.8 J/cm2 with one pulse shows the formation of a thin layer of orthorhombic -Ni2Si phase, that redistributes up to the surface with increasing the shot number (2X, 3X). The presence of -Ni2Si phase and of the Carbon clusters, with different sizes and localizations (see chapter 4), are the most important dynamical aspects for ohmic contacts of Ni on 4H-SiC, which is still an open problem where different mechanisms help to determine the final conducting phase.

La formazione dei contatti ohmici sul lato posteriore dei dispositivi di SiC è particolarmente importante poiché una barriera ad alto potenziale tende a formarsi all'interfaccia tra la maggior parte dei metalli e il SiC. Ciò si traduce in un basso trasporto di corrente, una bassa velocità di commutazione e un aumento dissipazione di potenza. Per questi motivi il substrato viene assottigliato sul lato posteriore del dispositivo per ridurre il contributo resistivo e la fase di riduzione dello spessore del wafer è necessariamente effettuata nella tecnologia SiC per ridurre al minimo la resistenza totale del dispositivo. Il lavoro di ricerca di questa tesi di dottorato è finalizzato allo studio del processo di Laser Annealing (LA) per la formazione di contatti ohmici. Questo metodo rappresenta infatti una valida soluzione per ottenere il contatto ohmico tramite silicidazione e con un limitato trasferimento di calore. Inoltre, il suo utilizzo nella formazione di contatti ohmici posteriori consente la possibilità di completare prima il lato anteriore del dispositivo e di elaborare il contatto sul retro senza limitazione sull'assottigliamento dei wafers. Negli esperimenti riportati nella tesi, eseguiti in collaborazione con STMicroelectronics e CNR-IMM HQ Catania, sono state effettuate diverse analisi con differenti condizioni laser (numero di impulsi, densità di energia). La caratterizzazione delle strutture di contatto ohmiche dopo LA è stata analizzata combinando la Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) con la diffrazione dei raggi X, la TEM trasversale, la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX) e le misurazioni della cosiddetta "sheet resistance" (Rs). Le simulazioni numeriche, per la temperatura massima e per le fasi ottenute dopo LA, sono state confrontate con dati sperimentali e utilizzate per valutare l'evoluzione dinamica dei processi. I risultati più rilevanti riguardano la dipendenza di Rs dalla densità di energia del laser e dal numero di impulsi, in combinazione con il rilevamento della fase formata e la localizzazione degli atomi di C. Questi aspetti sono rilevanti per il confronto con i modelli fenomenologici proposti di formazione dei contatti ohmici. I risultati sperimentali mostrano che una densità di energia di soglia di 2,4 J/cm2 è necessaria per dare origine alla formazione di siliciuro: a questa energia si forma un sottile strato di Ni3Si (fase cubica) all'interfaccia Ni/SiC con presenza di piccoli cluster di carbonio. A una densità di energia più elevata (3,2 J/cm2) lo spessore dello strato di Ni3Si aumenta con l'aumento simultaneo del numero e delle dimensioni dei cluster di carbonio. L'aumento della densità di energia del laser con un impulso a 3,8 J/cm2 mostra la formazione di un sottile strato di fase ortorombica Ni2Si, che si ridistribuisce in superficie con l'aumentare del numero di impulsi laser (2X, 3X). La presenza della suddetta fase e dei cluster di carbonio, con diverse dimensioni e localizzazioni, sono gli aspetti dinamici più importanti per la formazione dei contatti ohmici di Ni su 4H-SiC, che è ancora un problema aperto, dove diversi meccanismi intervengono per determinare la fase finale di conduzione.