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Universität Erlangen-NürnbergDFG-BegutachtungErlangen, 19./20. November 2001
SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
CharakterisierungStrukturelle, chemische, optische, elektronische
Eigenschaften
Aufgaben: Defektstrukturen analysieren auf allen Skalen
Entstehungsmechanismen ableitenProzessführungen verbessern
Projekt III
PenslHall, DLTS,
Admittanz
Projekt VIMagerlRöntgen-beugung
Projekt VII
StrunkElektronen-mikroskopie
Projekt VIIIHundhause
nMikro-Raman-spektroskopie
Projekt IXFrey
Teststrukturen –
elektrische Parameter
Universität Erlangen-NürnbergDFG-BegutachtungErlangen, 19./20. November 2001
SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Projekt VIIRealstruktur
und Wachstums-
mechanismen
Elektronen-mikroskopie
Mikro-Raman-spektroskopie
Röntgen-beugung
Hall, DLTS, Admittanz, I-V - / C-V - Kennlinien
nm µm mm
Projekt VIIICharakterisieru
ng des Kristallwachstu
ms durch
Projekt VI Charakteri-sierung von
Defekten durch
Projekt III Sublimations-züchtung
Projekt IXCharakterisierun
g von Teststrukturen
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
traditionelle Laborverfahren ( ~ 10 keV), bei Bedarf Erweiterung mit Synchrotronstrahlung (z. B. Phasenkontrastverfahren):
Diffuse Streuung(bestrahltes SiC)
Profilanalyse (Rockingkurven)
Topographie (Schraubenversetzungen in SiC)
Röntgenbeugung zum Erkennen von strukturellen Defekten(Versetzungen, Mosaizitäten, Verzerrungen, Gitterparameter, Einschlüsse, etc.)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
31,85 31,95 32,05 32,15 32,25
Beugungswinkel [°]
no
rmie
rte
Zä
hlr
ate bestrahlt
unbestrahlt
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
neue Methoden: hochenergetische Röntgenbeugung (>100 keV) Eigenbau und an Synchrotronquellen : zerstörungsfreie Analyse von Volumenkristallen / in situ Hochtemperaturuntersuchungen
Laue Transmissionsdiffraktometer Dreikristalldiffraktometer Profilanalyse von Braggmaxima (reciprocal space
mapping) zum Trennen von longitudinalen und transversalen Gitterstörungen
perfektes Si(Auflösung)
6H SiC Wafer, 30 mm Durchmesser
1' 2,62,4 2,8
Braggwinkel [°]
2,62,4 2,8
Braggwinkel [°]
Kristallmitte Randbereich
Rockingwinkel
Neutronen-bestrahltes 6H SiC
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
120 150 180 210 240 270
Ramanverschiebung (cm -1)
Zä
hlr
ate
(re
l. E
inh
.)
21R-SiC
6H-SiC
15R-SiC
4H-SiC
Transversal-akustische Phononenmoden
Charakterisierung durch Mikro-Raman-Spektroskopie
Jeder Polytyp hat charakteristisches Spektrum
Konfokale Mikroskopie
Laterale Ortsauflösung bis 1mTiefenauflösung bis 10 m
Mechanische Verspannungen bewirken Frequenzverschiebung der Phononen
Quantitative, ortsaufgelösteMessung von Verspannungen
Bestimmung des 13C/12C - Verhältnisses
Atommasse geht in Phononenfrequenz ein
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Beispiel: Untersuchung eines 6H-SiC Einschlusses in 4H-SiC
6H-SiC-Einschluß ist nicht polytypenrein (ca. 10% 4H-SiC)
Detektion von Polytypumschlägen (4H – 6H)
0 10 20 30 40 500.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
6H-SiC
148 cm-1
4H-SiC
204 cm-1
Inte
nsitä
t (re
l. E
inh.
)
Position entlang Wachstumsrichtung (m)
4H-SiC „Minoritätspolytyp“ befindet sich unter Zugspannung (a4H < a6H)
0 10 20 30 40 50203.8
203.9
204.0
204.1
204.2
Zug
span
nung
(G
Pa)
4H-SiC
Ram
anve
rsch
iebu
ng (
cm-1
)
Position entlang Wachstumsrichtung (m)
1.0
0.5
0.0
-0.5
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Realstruktur und Wachstumsmechanismen von SiC-Einkristallen
Nano- und mikroskopische Verfahren
• Elektronenmikroskopie: Volumen – Abbildung und Analytik
• Rastersondenmikroskopie: Oberfläche – Topologie
Themenbereiche
• Anwachsprozess: Struktur Grenzfläche Substrat / Kristall
• Polytypumschläge, Polytypgrenzflächen: Korrelation mit Strukturdefekten?
•Teststrukturen: Strukturelle Ursachen von gemessenem Fehlverhalten
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Beispiel: Analyse von Polytypeinsprengseln
Polytypen und Defekte
lokale Gitterabstände, Verzerrungen
‘Wurzel‘ einer Mikroröhre
Stufen auf Wachstumsfläche
10 nm 500 nm 50 µm
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Charakterisierung von SiC Teststrukturen - Korrelation von physikalischen und elektrischen Parametern
Ziel: Korrelation zwischen Prozeßführung, physikalischen Materialdaten und Bauelementeparametern
Fragestellungen (Beispiele):
Leckstrom Versetzungen Kennliniendrift Haftstellen Gateoxidintegrität Polytypeneinschlüsse Erniedrigte Schottkybarriere Ausscheidungen
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Ansatz: Charakterisierung mittels Teststrukturen:* Analyse der Verteilung über Substrat:
„Wafermapping“ * Kennlinien * Zuverlässigkeitsanalyse* Ausfallanalyse incl. Rückpräparation
Charakterisierung von SiC Teststrukturen - Korrelation von physikalischen und elektrischen Parametern
Teststrukturen:* Schottkydiode / pn-Diode* MOS-Kondensatoren* MESFET/JFET
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
0 4 8 12
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1
Str
om
dic
hte
(A
/cm
2 )
elektrische Feldstärke (MV/cm)
Fowler-Nordheim-Tunnelstrom
dielektrischer Durchbruch
16
MOS
UI
10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4-4
-3
-2
-1
0
1
2> 10 C/cm2< 2,5 C/cm2
80
56
25 F(z
) (%
)
Fläche (102cm2) 1,7
4,8
9,5
ln(-
ln(1
-F(z
)))
Qbd (C/cm2)
Defektdiche: 2*103 cm-2
Beispiel: Zuverlässigkeitsmessungen an MOS-Strukturen auf 4H-SiC
I/V Charakteristik einer MOS-Struktur
Kumulative Ausfall-häufigkeit (Qbd-Analyse)
Wafermapping derQbd-Werte von MOS-
Strukturen
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Querverbindungen innerhalb der Forschergruppe
Projekt VIRöntgenbeugung
Projekt VIIRealstruktur von SiC Projekt VIIIMikro-Raman
Projekt IX (III)Teststrukturen
Projekt IM-PVT Verfahren
Projekt IILösungszüchtung
Projekt IIISublimationszüchtung
Projekt IVp-dotierte Isolationsschichten
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Bedeutung der Projekte III, VI,VII, VIII und IX für das gesamte Vorhaben
Hinweise zur Material- und Prozessverbesserung
Verbesserung der Polytypreinheit (VI, VII, VIII)Reduzierung von Versetzungen und Mikroröhren (VI, VII)Reduzierung innerer Spannungen (VI, VII, VIII)Optimierung von Teststrukturen (III, VII, IX)
Dienstleistung
Messung lokaler elektrischer und optischer Eigenschaften (VII, VIII)Korrelierende Untersuchungen, Absicherung von Modellvorstellungen (alle)