Empirisches Modell zur Bildung von nickelbasierten Ohmkontakten auf n-Typ 4H-SiC durch Laserbearbeitung

dc.contributorErlbacher, Tobias
dc.contributor.advisorErlbacher, Tobias
dc.contributor.authorHellinger, Carsten
dc.date.accessioned2023-07-03
dc.date.available2023-06-27
dc.date.created2023
dc.date.issued2023-07-03
dc.description.abstractIn this work, nickel-based ohmic contacts were fabricated on the C-side of n-doped 4H-SiC substrates using a short-time pulse laser, electrically characterized and analytically investigated to understand the underlying formation mechanisms compared to classical RTP. To obtain conclusions about the prevailing temperatures from the laser fluence used during alloying, a thermal simulation was created in COMSOL. This makes it possi-ble to describe the silicidation mechanisms during laser processing in a temperature-dependent and thus system-independent manner. For the fabrication of the ohmic contacts, the focus of the work was on the use of nickel layers, since these represent the most common metallization for low-resistance contacts on n-doped 4H-SiC. In order to evaluate the influence of different laser parameters on the contact formation mechanisms and the electrical properties of ohmic contacts, several sets of samples were prepared. The variation of the laser fluence was in the focus of the work, but also investigations on different surface pre-treatments, laser pulse durations, pulse overlaps and metallization compositions were performed. In experiments on surface pre-treatment, it was shown that the laser fluence required to produce low-resistance contacts could always be reduced by previously grinding or pol-ishing the wafer surface compared to substrates pre-treated by the manufacturer. Due to the high mechanical stress caused by crystal damage after rough grinding and the nega-tive influence on the laser fluence required for alloying after polishing, fine-grinded wafers were used. It was shown that during laser treatment up to peak temperatures of 1300°C only high-resistance contacts can be produced from NiAl (2.6 %) layers on fine-grinded substrates, whose Schottky character could be attributed to the existence of nickel-rich silicides and unreacted nickel by XRD analysis. Starting at a peak temperature of 1350°C, the first low-resistance contacts could be pro-duced during laser processing, with Ni2Si forming predominantly here, which is also the predominant silicide after temperature treatment in the RTP at 980°C for 120 seconds. The unbound carbon, which is set free during the reaction of nickel and SiC substrate at their common interface, diffuses into the nickel layer and reshapes into graphite clusters, which could be confirmed by FIB cross sections and TEM analyses. If the peak temperature is increased to 2300°C, low-resistance contacts continue to form. However, these consist of the more silicon rich NiSi2. During their formation, more un-bound carbon is set free, which combines in the nickel silicide layer to form larger graph-ite clusters, but also diffuses through it and is deposited on the surface as a thin graphite layer. This can lead to layer adhesion problems of the following contact metal. Even though it was shown during device processing, that devices processed with the la-ser at a peak temperature of at least 1900°C always have a low-resistance contact with a very small standard deviation of less than 5%, the process parameters must be chosen carefully due to the layer adhesion problems caused by the graphite layer. Thus, with respect to on-resistance and layer adhesion, devices processed with the laser at peak temperatures in the range of 1900 - 2300°C showed the best results.en
dc.description.abstractIm 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.de
dc.identifier.opus-id23454
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/23454
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-234547
dc.language.isode
dc.rights.urihttp://www.gesetze-im-internet.de/urhg/index.html
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
dc.titleEmpirisches Modell zur Bildung von nickelbasierten Ohmkontakten auf n-Typ 4H-SiC durch Laserbearbeitungde
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted2023-06-15
local.sendToDnbfree*
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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Faculties & Collections