status progetto al 27/05/2005 processi di deposizione processo std (sih 4 +c 2 h 4 ) processo con...

Status progetto al 27/05/2005

• Processi di deposizione

• Processo STD (SiH4+C2H4)

• Processo con HCl (SiH4+C2H4+HCl)

• Processo con TCS (TCS +C2H4)

• Caratterizzazione ottica

• Fotoluminescenza

• Caratterizzazione elettrica

• Diodi Schottky

• DLTS

Processo di deposizione STDRicerca bibliografica dei parametri influenti la crescita epitassiale:

Parametri Principali:

•Temperatura = 1500-1600°C

•C/Si= 1 – 2,5 (flusso precursori 10-50sccm)

•Si/H2= 0,01 – 0,1 %

•Drogaggio tipo N

Parametri secondari:

•Pressione

•Gas carrier e sua portata

•Etching

•Camera di reazione

•Precursori

Processo di deposizione STDFlusso H2 = 100/ 150 slmT = 1550°/ 1600°C P = 100mbar

Buffer Layer:C/Si = 1.5/ 2.0Si/H2 = 0.03%Nd=3x1018/cm3

Active Layer:C/Si = 1.5/2Si/H2 = 0.03%Nd=1x1016/cm3

Processo di deposizione STD(misure di fotoluminescenza)

350 400 450 500 550 600

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

Inte

nsità

(u

.a.)

(nm)

380 – 400 nm eccitoni liberi o legati

450 - 600 nm difetti

Da una calibrazione effettuata mediante impiantazione ionica si può dire che in questo caso ci sono circa 4x1017 atomi spostati/cm3.


Determinazione della concentrazione di azoto

380 385 390 395 400

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

EL

EN

Inte

nsit

à (u

.a.)

(nm)

EN/EL proporzionale alla concentrazione di azoto

380 385 390 395 400-0.0005

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

Inte

nsit

à (u

.a.)

(nm)

Intrinseco Nd=1016/cm3

1014 1015 1016 1017

0

1

2

3

4

EN/E

L

Concentrazione azoto (cm-3)

Curva di calibrazione per Azoto


Con questa curva di calibrazione si possono misurare valori molto bassi (<1015/cm3) di concentrazione di azoto con una buona precisione

400 440 480 520 560 600

0.000

0.004

0.008

0.012

0.016

Inte

nsit

à (u

.a.)

(nm)

CBC965E04GR=6.77 m/hrTh=31.57 mDop=5.7e14 cm-3

T=1550 °CSi/H2=0.03C/Si=2H2=150

Luminescenza 11 K – difetti


Nel processo STD non sono presenti difetti fra 480 e 600 nm.

Ciò significa che gli atomi spostati sono inferiori a 1016/cm3.

Effetto del rapporto Si/H2

• Il massimo valore del rapporto Si/H2 (senza HCl) sembra essere 0.04 %. A valori più alti le caratteristiche peggiorano notevolmente.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

SAMPLE 350n = 1.09 + 0.01 = (1.56 + 0.01) eVRs = (0.65 + 0.18)

Cur

rent

(A

)

Forward bias (V)0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1SAMPLE 352n = 1.33 + 0.17 = (1.37 + 0.10) eVmigliore: n = 1.18 = 1.48 eV

Cur

rent

(A

)

Forward bias (V)

Si/H2=0.04% Si/H2=0.05%

Processo di deposizione STD(misure diodi Schottky)

Yield: 74 % T=1600 °C

Si/H2=0.04 %

C/Si=2

H2=150 slm

I (V= -200V) < 1x10-7A

1x10-7A < I (V= -200V) < 1x10-5A

I (V= -200V) > 1x10-5A

Diodo 1 mm2

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1SAMPLE 382n = 1.06 + 0.03 = (1.60 +0.03) eVRs parte sup = (0.20 + 0.04) Rs parte inf = (0.30 + 0.11)

Cur

rent

(A

)

Forward bias (V)



• Sono in corso di realizzazione dei diodi Schottky per finire di caratterizzare il processo STD (Si/H2=0.03%, C/Si=1.5-2, T=1550 °C) e vedere l’influenza del buffer layer (buffer di 4 m).

• Sono in corso misure DLTS sui diodi realizzati per determinare i livelli profondi introdotti durante la crescita epitassiale.

Processo di deposizione STD(misure DLTS)

Nei migliori diodi presenti sul wafer con il processo ottimizzato (Si/H2=0.04%, C/Si=2, Tdep=1600 °C) si osserva solo il livello EH7 che dovrebbe essere legato ad una di-vacanza.

Questo difetto è probabilmente legato al processo di realizzazione del bordo del diodo.

Non è presente il livello Z1/Z2 che è sempre presente nelle epitassie CREE.

Processo di deposizione con HCl

• Flusso H2 = 100slm• T = 1550°C • P = 100mbar• No Bake out• Buffer Layer:

– C/Si = 1.5– Si/H2 = 0.03%– N2 Buffer = 1,5 slm– Durata Buffer = 5’

• Active Layer:– HCl=200sccm– C/Si = 1.5– Si/H2 = 0.10%– N2 effettivo = 23

sccm– Durata Epi = 30’

Processo Iniziale(Acido200)

400 440 480 520 560 600

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

Inte

nsit

à (u

.a.)

(nm)

AJ122210

GR=16.62 m/hrTh=20.22 mDop=7.0E15 cm-3

T=1550 °CSi/H2=0.1C/Si=1.5H2=100HCl=200

Processo di deposizione con HCl(misure di fotoluminescenza)

Difetti

Atomi spostati 5x1017/cm3

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

SAMPLE 339in = 1.11 + 0.04 = (1.53 + 0.04) eVR

s = (0.41 + 0.20)

Cur

rent

(A

)

Forward bias (V)0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

SAMPLE 340en = 1.10 + 0.04 = (1.54 + 0.05) eV

Cur

rent

(A

)Forward bias (V)

HCl 200 sccm

T=1550 °C

Si/H2=0.05%

C/Si=1.5

H2=100 slm

HCl 200 sccm

T=1600 °C

Si/H2=0.1%

C/Si=1.5

H2=100 slm

Processo di deposizione con HCl(misure diodi Schottky)

• Le caratteristiche non dipendono dal rapporto Si/H2 e quindi dalla growth rate

• La mobilità dei portatori è bassa (difetti).

1.4 1.6 1.8 2.0 2.20.0

0.2

0.4

0.6

Nor

mal

ized

Yie

ld (

%)

Voltage @ I = 0.2 A

HCl STD


A parità di concentrazione di drogante e di spessore dello strato epitassiale i diodi su epitassia STD portano più corrente. Quindi la mobilità dei portatori è minore nel processo con HCl. Ciò dovrebbe essere dovuto alla presenza di difetti cristallografici.

-7 -6 -5 -40.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Nor

mal

yzed

yie

ld

HCl process

Iavg= 1.7 x 10-5 A

10 10 10 10

Reverse leakage current @ -600V (A)

-7 -6 -5 -40.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Nor

mal

yzed

yie

ld

ETC STD process

Iavg

= 2 x 10-6 A

10 10 10 10

Reverse leakage current @ -600V (A)


La corrente di leakage più alta dei diodi su epitassie cresciute con HCl è dovuta alla presenza di difetti cristallografici.

0.0 5.0x105

1.0x106

1.5x106

2.0x106

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

ND=1.6e16 Th=10 m (Schoen et al.)

ND=3.5e15 Th=13 m (Schoen et al.)

ND=1.3e16 Th=9.63 m (ETC)

ND=1.2e16 Th=8.51 m (ETC)

Cur

rent

den

sity

(A

/cm

2 )

Electric field (V/cm)Schoen K.J. et al., IEEE Trans. Electron devices 45, 1595 (1998)


Le caratteristiche inverse in prossimità del breakdown sia per il processo con HCl (verde), che STD (blu) sono comparabili ai migliori dati riportati in letteratura su epitassie CREE.

Processo Finale(Acido50)

• Flusso H2 = 100slm• T = 1600°C • P = 100mbar• No Bake out• Buffer Layer:

– C/Si = 1.5– Si/H2 = 0.03%– N2 Buffer = 1,5 slm– Durata Buffer = 5’

• Active Layer:– HCl=50sccm– C/Si = 1.5– Si/H2 = 0.10%– N2 effettivo = 23

sccm– Durata Epi = 30’

Modifica su rampe:

Buffer layer

•HCl rampato da 0 a setpoint negli ultimi 30”

Active layer

•C2H4 subito al new setpoint

•SiH4 dopo 30” rampa in 2min al nuovo setpoint

Processo di deposizione con HCl(nuovo processo)

400 440 480 520 560 600

0,00

0,02

0,04

0,06

Inte

nsità

(u.a

.)

(nm)

DAC274C05GR=16.11 m/hrTh=87 mT=1600 °CSi/H2=0.1C/Si=1.5H2=100HCL=50


misure di fotoluminescenza

Il nuovo processo con HCl non presenta i difetti mostrati dal precedente processo.

Non ci sono difetti!

Atomi spostati inferiori a 1016/cm3

400 440 480 520 560 600

0,00

0,02

0,04

0,06

Inte

nsità

(u.a

.)

(nm)

Th=87 m


misure di fotoluminescenza

Anche se il campione è perfetto dal punto di vista della fotoluminescenza si osserva la formazione di buchi legati alla caduta di particelle durante la deposizione.

23μm

SEM – Cross section


misure diodi Schottky

• Sono in corso di realizzazione dei diodi Schottky su wafer cresciuti con HCl. Si sono utilizzati i processi ottimizzati mediante fotoluminescenza.

• Sono in corso misure DLTS sui diodi realizzati con il vecchio processo per determinare i livelli profondi introdotti durante la crescita epitassiale.

• Flusso H2 = 150slm• T = 1550°-1600°C • P = 100mbar• Bake out a 500°C (Opzionale)• Buffer Layer (Opzionale):

– C/Si = 1.5-2.7– Si/H2 = 0.01-0.10%– N2 Buffer = 1,5 slm– Durata Buffer = 10’

• Active Layer:– TCS=25-168sccm– C/Si = 1.5-2.7– Si/H2 = 0.01-0.1%– N2 effettivo (Opzionale)= 30

sccm– Durata Epi = 30’-120’

Processo Base

Nota bene: Nei vari rapporti si indica come contenuto di Silicio il flusso impostato sul flussimetro del TCS, si assume cioè che dalla bombola di TCS stia uscendo una miscela al 100% di TCS, cosa che non dovrebbe essere reale.

Processo di deposizione con TCS

Si/H2=0.012 %

C/Si=3.6

Si/H2=0.045 %

C/Si=2.7

C/Si=2.34

C/Si=2.08

Si/H2=0.06 %


Riassunto - Crescite con TCS• Variabili: Temperatura – TCS – C/Si

Si/H2Temperatura C/Si GR C/Si GR C/Si GR C/Si GR

2,7 3,7 2,5 6 2,5 nm2 nm

1600 2,5 6,1 2 10,6 1,56 11,31,75 10,1 1,56 11,7

1,75+HCl 10,52 10,2

1650

0,016 0,03 0,056 0,06

1550

PessimaRugosaStrisceSpecchio

Morfologia


Processo di deposizione con TCS(misure di fotoluminescenza)

Difetti!

Il processo migliore (C/Si=2.5 Si/H2= 0.03 % Tdep=1550 °C) con TCS presenta la tipica gobba dei difetti.

Bisogna ancora ottimizzare il processo.

Dopo la prima ottimizzazione con la fotoluminescenza verranno realizzati i diodi Schottky su queste epitassie.

Atomi spostati 1.8x1017/cm3

status progetto al 27/05/2005 processi di deposizione processo std (sih 4 +c 2 h 4 ) processo con...

Documents