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Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Ladungskompensationsstrukturen (vertikale
Super-Junction-Strukturen und laterale RESURF-Strukturen) auf Basis des Halbleitertyps
4H-Siliziumkarbid. Es wurden laterale RESURF-LDMOS-Transistoren für die
Anwendung als Schalter in integrierten Schaltkreisen untersucht, die, aufgrund einer
implantierten Stickstoffschicht als Kompensationsschicht zur p-Typ Epitaxieschicht, hochsperrend
sind. Durch einen Vergleich der gemessenen Daten verschiedener Modelle, hinsichtlich
der Dimensionierung und Dotierstoffkonzentrationen, mit TCAD-Simulationen,
konnten Designregeln für den LDMOS-Transistor aufgestellt werden. Weiterhin zeigten
Simulationen, dass durch eine Optimierung der Kompensationsschicht figure-of-merit-
Werte im Bereich von 40–50 MW/cm2 möglich sind. Diese Werte
sind hinsichtlich der einfachen RESURF-Struktur im Vergleich zur Literatur überdurchschnittlich
hoch. Eine Erweiterung des RESURF-LDMOS-Transistors wäre eine weitere
Kompensationsschicht innerhalb der Bestehenden. Hierfür wurden Teststrukturen in
Form von RESURF-Dioden untersucht. Die Kompensationsschicht ist Aluminium-dotiert
innerhalb einer n-Typ Epitaxieschicht und wurde mittels „Einzelschuss“-Hochenergie-
Ionenimplantation mit Energiefilter-Technologie realisiert. Es wurde im Rahmen der
Arbeit eine Oxidmaskierung einer Dicke von ca. 4 µm entwickelt, für Implantationsenergien
bis zu 6,6 MeV und Eindringtiefen bis zu 2 µm. Die Dioden sperrten bis ca. 700 V.
Weiterhin wurde im Rahmen der Arbeit eine defektbasierte Ladungskompensation in
Aluminium-implantierten Schichten untersucht. Die Auswirkungen einer defektbasierten
Kompensation wurden mittels Hall-Effekt- und DLTS-Messungen analysiert. Die Entwicklung
neuer physikalischer Modelle als Anpassungsfunktion an die gemessene freie
Ladungsträgerdichte ermöglichte eine hohe Anpassungsgenauigkeit. Es zeigte
sich, dass Defekte nahe der Leitungsbandkante die Löcherdichte um ca. 40 % reduzieren.
Weiterhin basiert das Modell auf zusätzlichen Störstellen nahe der Valenzbandkante
(EV + (300–500 meV)). Diese Störstellen können donator- oder akzeptorartig sein. Für
Letztere lässt das Modell auf Aluminium-korrelierte Defekte schließen. Hierbei teilt sich
die implantierte Aluminiumkonzentration scheinbar auf das Aluminium-Energieniveau
und auf ein energetisch in der Bandlücke tiefer liegendes Energieniveau näherungsweise im Verhältnis 1:1 auf. Für die Annahme von donatorartigen Störstellen in der unteren
Hälfte der Bandlücke ergibt das Modell einen Kompensationsgrad bis zu 90 %. In der oberen Hälfte der Bandlücke wurden im Rahmen der Arbeit fünf Defekte mittels DLTS detektiert, die vergleichbar mit den Literaturwerten der Defekte EH2, IN3, IN4, IN8
sowie der ON-Defekte sind.
In dieser Arbeit wurden die grundlegenden Eigenschaften des Halbleitermaterials 4H-SiC
(niedrige intrinsische Ladungsträgerkonzentration, Bandlücke von über 3 eV) genutzt, um wellenlängenselektive UV-Sensoren und monolithisch integrierte UV-Sensor-Arrays auf Basis von 4H-SiC-pin-Dioden mit Hilfe der Ionenimplantation zu realisieren.
Dafür wurde ein umfangreiches analytisches Bauelementmodell erstellt. Dieses
beinhaltet den Einfluss der Antireflexschicht (ARC) und der internen Quanteneffizienz
auf die spektrale Empfindlichkeit. Es wurden die beiden Emittertechnologien, Epitaxie
und Ionenimplantation, sowie die daraus resultierenden Bauelement-Architekturen
experimentell verglichen. Die geringere spektrale Empfindlichkeit von UV-Sensoren
mit implantiertem p-Emitter wurde auf die geringere Diffusionslänge der Elektronen
als Minoritätsladungsträger zurückgeführt und die Ladungsträgerlebensdauer als
Schlüsselparameter für das Design und die Optimierung von 4H-SiC-UV-Sensoren
herausgestellt. Über Dotierung und Dicke der n-Basis und der darüber liegenden p-
Emitterschicht wurden wellenlängenselektive UV-Sensoren realisiert, deren Empfindlichkeit
im Wellenlängenbereich von 260 nm bis 300 nm optimiert wurde. Die maximale
spektrale Empfindlichkeit lag zwischen 66 mA/W (bei einer Wellenlänge von 260 nm)
und 162 mA/W (bei einer Wellenlänge von 300 nm), was einer externen Quanteneffizienz (EQE) von 31% bis zu 69% entspricht. Für die Untersuchung der ARC wurden
die Materialien SiO2, Si3N4 und Al2O3 evaluiert. Die Optimierung erfolgte anhand der in dieser Arbeit weiterentwickelten, verallgemeinerten Transfermatrix-Methode. Als
optimale ARCs wurden 45 nm SiO2 bzw. 40 nm Al2O3 herausgestellt. Bei diesen liegen
für eine Wellenlänge von 260 nm die Reflexions- bzw. Absorptionsverluste jeweils unter 5%. Experimentell wurde durch die 40 nm dicke Al2O3-Schicht eine Steigerung der
spektralen Empfindlichkeit von 107 mA/W auf 147 mA/W bei einer Wellenlänge von
280 nm nachgewiesen (Steigerung der EQE um 17%). Zusätzlich wurden Untersuchungen
zum Temperaturverhalten durchgeführt, wobei Dunkel- und Photostrom separat
analysiert wurden. Bei Einprägen eines konstanten Stroms in Vorwärtsrichtung wurde
eine starke, lineare Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms festgestellt. Dieser Effekt
kann für 4H-SiC-Temperatursensoren genutzt werden, die im Temperaturbereich
von 30 K bis zu 800 K einsetzbar sind. Die Sensitivität von bis zu 4,5 mV/K übersteigt
den aktuellen Stand der Technik. Abschließend wurde ein Funktionsdemonstrator zur
Messung von Temperatur und solarer UV-Strahlung vorgestellt.
Für die Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen sind reproduzierbare, niederohmige Kontakte elementar. Hierzu ist es notwendig, dass die zugrundeliegenden Bildungsmechanismen verstanden sind und darauf aufbauend das elektrische Verhalten der Kontakte modelliert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Ti/Al-basierte ohmsche Kontakte auf p-dotiertem 4H-SiC realisiert, anschließend elektrisch charakterisiert und strukturell analysiert und aufbauend auf den Ergebnissen ein numerisches Simulationsmodell entwickelt.
Zur Untersuchung des Einflusses von Prozessvariationen auf das ohmsche Verhalten wurden unterschiedliche Probensätze hergestellt. Auf jedem Probensatz wurden Transferlängenmethode (engl. Transfer Length Method) (TLM) Strukturen realisiert, welche es erlauben, den hergestellten ohmschen Kontakt und die darunterliegende Halbleiterschicht elektrisch zu charakterisieren. Hierdurch konnte der Kontaktwiderstand R_C bzw. der spezifische Kontaktwiderstand rho_C als Kennwert für den ohmschen Kontakt und der Schichtwiderstand R_sh als Kennwert für die zugehörige Halbleiterschicht ermittelt werden.
Die elektrische Charakterisierung der hergestellten Proben zeigte, dass alle Proben ohmsches Verhalten aufwiesen. Weiterhin zeigten die Ergebnisse, dass der Schichtwiderstand des Halbleitergebiets der hergestellten Proben signifikant höher war, als aus der Theorie zu erwarten gewesen wäre. Diese Abweichung konnte mit der Kompensation der freien Löcher durch vorhandene Elektronen bzw. durch implantationsbedingte Kompensationszentren erklärt werden. Zur Beschreibung der Kompensation wurde in dem, im Rahmen dieser Arbeit entwickelten, Simulationsmodell der Kompensationsgrad f_comp verwendet.
Bezüglich des spezifischen Kontaktwiderstands unterschieden sich die hergestellten Probensätze jedoch deutlich, abhängig davon, ob der abgeschiedene Ti/Al-Metallstapel ein umgebendes Passivierungsoxid berührte. Bei den Prozessvarianten mit Abstand zwischen dem abgeschiedenen Ti/Al-Metallstapel und dem umgebenden Passivierungsoxid wurden, ausgehend von den nominellen Kontaktflächen, effektive, spezifische Kontaktwiderstände von 0,5 mOhmcm² bei Raumtemperatur erreicht. Dieser Wert entspricht den, aus der Literatur bekannten, spezifischen Kontaktwiderständen für niederohmige Kontakte. Die Prozessvarianten ohne Abstand wiesen, ausgehend von den nominellen Kontaktflächen, einen effektiven, spezifischen Kontaktwiderstand
von 700 mOhmcm² bei Raumtemperatur auf. Dieser sehr große Unterschied konnte durch strukturelle Analysen des ohmschen Kontaktbereichs auf eine Reaktion des Al mit dem umgebenden SiO2 zurückgeführt werden. Hierdurch wurde die Al-Konzentration in dem Ti/Al-Metallstapel signifikant verringert, was zu einem unvollständigen Aufwachsen von Ti3SiC2 an der 4H-SiC-Oberfläche und somit zu einer unvollständigen ohmschen Kontaktbildung führte. Aus dieser unvollständigen Kontaktbildung resultiert eine effektive Reduktion der ohmschen Kontaktfläche und somit eine Erhöhung des Kontaktwiderstands. Die Reduktion der Kontaktfläche
wurde mit Hilfe des Flächenfaktors f_area im numerischen Simulationsmodell beschrieben.
Weiterhin konnten aus dem temperaturabhängigen Verhalten des spezifischen Kontaktwiderstands die Schottkybarrierenhöhen phi_B aller Probensätze ermittelt werden. Diese zeigten einen Anstieg der Schottkybarrierenhöhe mit steigender Al-Konzentration an der 4H-SiC-Oberfläche. Vergleicht man diese Ergebnisse mit aus der Literatur bekannten Werten, zeigt sich übereinstimmendes Verhalten. Dieses Verhalten widerspricht allerdings dem, aus den physikalischen Grundlagen bekannten Zusammenhang zwischen Schottkybarrierenhöhe und Dotierstoffkonzentration, da die Schottkybarrierenhöhe aufgrund des Schottky-Effekts mit steigender Dotierung fallen sollte. Dieser Widerspruch wurde mit der Hypothese, dass sich die Al-Konzentration an der 4H-SiC-Oberfläche während der ohmschen Kontaktbildung erhöht, im Rahmen dieser Arbeit erstmals erklärt. Da die Erhöhung der Al-Konzentration durch die Eindiffusion beziehungsweise Ansammlung von Al in die 4H-SiC-Oberfläche entstanden ist, wurde zur Beschreibung dieser Erhöhung eine Gaußsche Normalverteilung mit der Dosis der eindiffundierten Al-Konzentration N_Al,Dosis und der zugehörigen Diffusionslänge L_Al,Diff verwendet.
Unter Verwendung der Parameter f_comp, f_area, N_Al,Dosis und L_Al,Diff wurde ein numerisches Simulationsmodell in Sentaurus TCAD implementiert. Mit dessen Hilfe konnte das elektrische Verhalten der hergestellten Probensätze temperaturabhängig mit sehr guter Genauigkeit simuliert werden. Zur Verifizierung des numerischen Simulationsmodells wurden an der 4H-SiC-Oberfläche Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) Analysen mit einer Tiefenauflösung im Nanometerbereich durchgeführt. Diese Analysen konnten einen signifikanten Anstieg der Al-Konzentration an der 4H-SiC-Oberfläche in den ersten Nanometern nachweisen und somit die im Rahmen dieser Arbeit aufgestellte Hypothese bestätigen.
Somit konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die Al-Konzentration an der 4HSiC-Oberfläche während der ohmschen Kontaktbildung signifikant erhöht und diese Erhöhung entscheidend ist für die Bildung von ohmschen Kontakten auf p-dotiertem 4H-SiC bei der Verwendung eines Ti/Al-basierten Metallstapels.
Neue kommerziell verfügbare Halbleitermaterialien wie Siliciumkarbid (SiC) eröffnen, neben ihrer Anwendung in diskreten Leistungsschaltern, auch neue Einsatzmöglichkeiten für integrierte Schaltungen. Hierbei wird der SiC-CMOS Technologie, aufgrund der niedrigen intrinsischen Ladungsträgerkonzentration und der hohen kritischen Feldstärke von SiC, großes Potential zugesprochen. Mögliche Anwendungsbereiche sind unter anderem die Signalerfassung und -übertragung bei hohen Umgebungstemperaturen sowie die Integration von Steuer- und Überwachungselektronik in Leistungsschaltern. Für die zielgerichtete Entwicklung der Systeme und der Halbleitertechnologie stellen Kompaktmodelle für die Schaltungssimulation ein wichtiges Werkzeug dar. Bestehende Kompaktmodelle für SiC-MOSFETs, welche im Allgemeinen Modellen für Si-MOSFETs zugrunde liegen, weisen allerdings eine große Diskrepanz zwischen den Modellparametern und den entsprechenden technologischen Größen auf.
Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser Arbeit ein auf dem Oberflächenpotential basierendes Kompaktmodell entwickelt, das den physikalischen Einfluss der SiC-typischen Grenzflächendefekte auf die Strom-Spannungs-Beziehung von n-Kanal SiC-MOSFETs berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass zur Berechnung des Oberflächenpotentials die Newton-Methode aufgrund ihrer Robustheit und Effizienz im Vergleich zu anderen iterativen Verfahren am besten geeignet ist. Darüber hinaus wird anhand von analytischen Betrachtungen ein neuer Ansatz zur Beschreibung der Ladungsträgerverteilung entlang des MOSFET-Kanals hergeleitet. Dies ermöglicht den Einfluss der Grenzflächendefekte der Halbleiter-Isolator-Grenzschicht auf die Transfer- und Ausgangskennlinie effizient in einem Kompaktmodell abzubilden. Des Weiteren wird mittels Hall-Messungen und numerischen Simulationen gezeigt, dass das senkrecht zum Kanal wirkende elektrische Feld einen starken Einfluss auf die Coulombbeweglichkeit der Inversionsladungsträger von SiC n-MOSFETs hat. Dieser Einfluss wird ebenfalls im Kompaktmodell berücksichtigt. Das resultierende Modell beschreibt die Bulk-Source-Spannungsabhängigkeit der Gate-Kapazitäten und Strom-Spannungsbeziehungen bei Raumtemperatur sowie das Verhalten der Strom-Spannungs-Beziehung über einen Temperaturbereich von 25°C bis 300°C sehr gut. Die Besonderheit gegenüber bereits existierenden Modellen besteht darin, dass die Modellparameter in einer engen Beziehung zur Struktur des Bauelements und dessen Herstellungsprozess stehen. So können zum Beispiel die Modellparameter zur Beschreibung der Grenzflächenzustandsdichte aus den Ergebnissen von Hall-Messungen übernommen werden. Anhand der Optimierung eines Logikinverters wird demonstriert, dass es mit diesem Modell möglich ist, den Einfluss der Wannendotierung auf die elektrischen Eigenschaften einer integrierten SiC-Schaltung direkt im Schaltungssimulator zu untersuchen. Aufgrund der physikalischen Struktur kann darüber hinaus auch die Zunahme des Drainstroms bei einer oberflächennahen Kanalgegendotierung durch das Modell abgebildet und erklärt werden.
Das Materialsystem GaN auf Si verspricht die Verknüpfung der Vorteile eines Wide Bandgap Halbleiters mit den niedrigen Herstellungskosten von Si. So können High Electron Mobility Transistoren zum Beispiel auf Basis einer AlGaN/GaN-Heterostruktur als Ausgangspunkt kosteneffektiver und zugleich sehr energieeffizienter Leistungsschalter dienen. Die heteroepitaktische Herstellung bedingt jedoch hohe Materialdefektdichten, welche sich insbesondere in Form von Versetzungen und inversen Pyramidendefekten (V-pits) äußern. Der Einfluss dieser Defekte auf Bauelemente ist auf Grund der experimentell schwierigen Untersuchung jedoch nur sehr unzureichend bekannt und verstanden.
In dieser Arbeit wurde eine strukturelle und elektrische Charakterisierungsmethodik von Versetzungen und V-pits in GaN auf Si entwickelt und systematisch auf unterschiedliche Proben angewendet. Der Fokus lag dabei auf der direkten Korrelation mikrostruktureller und elektrischer Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewährung einer statistischen Relevanz der Ergebnisse. Dabei gelang es, charakteristische Versetzungsstrukturen und V-pits als Leckstrompfade durch das Material zu identifizieren und deren Auftreten mit Herstellungsparametern der Proben zu untersuchen. So stellte sich heraus, dass letztere eine essentielle Rolle hinsichtlich der elektrischen Aktivität von Versetzungen und des Auftretens von V-pits spielen. Zusätzlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich ihrer Relevanz für Bauelemente untersucht. Dabei konnte erstmalig der direkte Einfluss einzelner, elektrisch aktiver Versetzungen in GaN auf Si nachgewiesen werden. So bedingen sie eine Verschiebung der Einschaltspannung von Schottky-Dioden zu niedrigeren Werten, während V-pits eine starke Degradation der kritischen elektrischen Feldstärke des Materials nach sich ziehen. Die Arbeit leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Eigenschaften und Rolle dieser Defekte und damit zur technologischen Optimierung des Materialsystems.
Korrelation von Materialqualität und Ausfallmechanismen leistungselektronischer SiC-Bauelemente
(2023)
Ziel dieser Arbeit war es, eine Korrelation der Siliciumcarbid (SiC) Materialqualität mit Ausfallmechanismen leistungselektronischer 4H-SiC Trench-MOSFET Bauelemente herzustellen. Dafür wurden homo-epitaktische, n-leitende SiC-Schichten abgeschieden. Diese Schichten wurden anschließend mit konfokaler DIC-Mikroskopie und UV-PL Methoden hinsichtlich ihrer Defekte charakterisiert. Die so charakterisierten Epitaxie-Wafer wurden zur Herstellung von leistungselektronischen Trench-MOSFET Bauelementen verwendet. Nach der Prozessierung wurden die Bauelemente elektrisch charakterisiert. Elektrische Ausbeute-Maps wurden anschließend mit den während der Prozessierung aufgenommenen Defektdaten überlagert und mit entsprechenden Defektklassen abgeglichen. Abschließende Untersuchungen an diesen charakterisierten Bauelementen dienten zur Analyse der Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden nickelbasierte ohmsche Kontakte auf der Rückseite von n-dotierten 4H-SiC-Substraten unter Verwendung eines Kurzzeitpulslasers herge-stellt, elektrisch charakterisiert und analytisch untersucht, um die zugrundeliegenden Bil-dungsmechanismen im Vergleich zum klassischen RTP zu verstehen. Um von der beim Einlegieren verwendeten Energiedichte Rückschlüsse auf die vorherrschenden Tempera-turen zu erhalten, wurde eine thermische Simulation in COMSOL erstellt. Damit ist es möglich die Silizidierungsmechanismen während der Laserbearbeitung temperaturabhän-gig und damit anlagenunabhängig zu beschreiben.
Bei der Herstellung der ohmschen Kontakte lag der Fokus der Arbeit auf der Verwendung von Nickelschichten, da diese die meistverbreitete Metallisierung für niederohmige Kon-takte auf n-dotiertem 4H-SiC darstellen.
Um den Einfluss verschiedener Laserparameter auf die Kontaktbildungsmechanismen und die elektrischen Eigenschaften von ohmschen Kontakten bewerten zu können, wur-den mehrere Probensätze hergestellt. Dabei stand die Variation der Energiedichte im
Fokus der Arbeit, wobei daneben auch Untersuchungen zu verschiedenen Oberflächen-vorbehandlungen, Laserpulsdauern, Pulsüberlappungen und Metallisierungszusammen-setzungen durchgeführt wurden.
In Versuchen zur Oberflächenvorbehandlung zeigte sich, dass durch ein vorheriges Ab-schleifen oder Polieren der Waferoberfläche die notwendige Energiedichte zur Herstel-lung niederohmiger Kontakte im Vergleich zu werkseitig vorbehandelten Substraten im-mer verringert werden konnte. Auf Grund des großen mechanischen Stresses durch Kristallschäden nach dem Grobschliff und des negativen Einflusses auf die zum Einlegie-ren nötige Energiedichte nach dem Polieren, wurden feingeschliffene Wafer verwendet.
Dabei zeigte sich, dass bei der Laserbearbeitung bis zu Peaktemperaturen von 1300°C an der Nickel-SiC-Grenzfläche nur hochohmige Kontakte aus NiAl (2,6 wt%)-Schichten auf feingeschliffenen Substraten hergestellt werden können, deren Schottkycharakter mittels XRD-Analysen auf die Existenz von nickelreichen Siliziden und unreagiertem Ni-ckel zurückgeführt werden konnte.
Ab einer Peaktemperatur von 1350°C konnten während der Laserbearbeitung die ersten niederohmigen Kontakte hergestellt werden, wobei sich hier vornehmlich Ni2Si bildet, welches auch nach der Temperaturbehandlung im RTP bei 980°C für 120 Sekunden das vorherrschende Silizid ist. Der bei der Reaktion von Nickel und SiC-Substrat an deren gemeinsamer Grenzfläche entstandene ungebundene Kohlenstoff diffundiert dabei in die Nickelschicht und formt sich zu Graphitclustern um, was durch FIB-Querschnitte und TEM-Analysen bestätigt werden konnte.
Wird die Peaktemperatur auf 2300°C erhöht, so entstehen weiterhin niederohmige Kon-takte. Allerdings bestehen diese aus dem siliziumreicheren NiSi2. Bei deren Entstehung wird vermehrt ungebundener Kohlenstoff frei, welcher sich in der Nickelsilizidschicht zu größeren Graphitclustern verbindet, teilweise aber auch durch diese hindurchdiffundiert und sich an der Oberfläche als dünne Graphitschicht ablagert. Diese kann zu Schichthaf-tungsproblemen des folgenden Kontaktmetalls führen.
Auch wenn bei der Bauelementeprozessierung gezeigt werden konnte, dass Bauelemen-te, die mit dem Laser bei einer Peaktemperatur von mindestens 1900°C bearbeitet wur-den, bei einer sehr geringen Standardabweichung von unter 5 % stets einen niederohmi-gen Kontakt besitzen, müssen auf Grund der durch die Graphitschicht verursachten Schichthaftungsprobleme derartige Prozessparameter mit Bedacht gewählt werden.
So zeigten bezüglich Durchlasswiderstand und Schichthaftung Bauelemente, die mit dem Laser mit einer Peaktemperatur im Bereich von 1900 – 2300°C bearbeitet wurden, die besten Ergebnisse.