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Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 iC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotier Charakterisierung Strukturelle, chemische, optische, elektronische Eigenschaften Aufgaben: Defektstrukturen analysieren auf allen Skalen Entstehungsmechanismen ableiten Prozessführungen verbessern Projekt III Pensl Hall, DLTS, Admittanz Projekt VI Magerl Röntgen- beugung Projekt VII Strunk Elektronen - mikroskopi e Projekt VIII Hundhausen Mikro-Raman- spektroskopie Projekt IX Frey Teststruktu ren – elektrische Parameter

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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

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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

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)

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)