Surface preconditioning and contact metallisation for 4H-SiC Schottky diodes

Abstract

Schottky Dioden sind weit verbreitete Halbleiterbauelemente, welche aus einem nicht-ohmschen Halbleiter-Metall Übergang bestehen. Typische Anwendungsgebiete sind - neben vielen weiteren - Gleichrichter für Stromnetze, Solaranlagen sowie für Energieumwandlung in der Hochleistungselektronik. Im Vergleich zu pin-Dioden zeichnen sich Schottky Übergänge vor allem durch ihren geringen Spannungsabfall aus und ermöglichen schnellere Schaltgeschwindigkeiten. Aufgrund zahlreicher vorteilhafter Materialeigenschaften, wie z. B. eine große Bandlücke, eine hohe Durchbruchfeldstärke und hohe Wärmeleitfähigkeit, hat sich Siliziumkarbid (SiC) bereits als geeigneter Halbleiter für diese Anwendungen in Schottky Dioden erwiesen. Für zukünftige, neue Anwendungen im Bereich der Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochfrequenzelektronik müssen nun verbesserte Kontaktmaterialien und auch Herstellungstechnologien, die ein maßgeschneidertes Interface zum Substrat miteinschließen, gefunden werden, sodass die vorteilhaften SiC Eigenschaften genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit werden elektrisch leitfähige Metallnitride, im Speziellen Molybdännitrid (Mo-N) und Titannitrid (Ti-N), als Kontaktmetallisierung untersucht. Beide Materialien werden reaktiv gesputtert, wobei unterschliedliche Abscheideparameter zur Anwendung kommen. Dünnfilmanalysen zeigen, dass sowohl mechanische als auch elektrische Schichteigenschaften insbesondere durch die Einstellung des Stickstoffanteils der Gasatmosphäre, durch die Wahl der Plasmaleistung sowie des Prozessdruckes beeinflusst werden. Optimierte Abscheideparameter führen zur Herstellung von Schottky Dioden, welche sich durch eine geringe Barrierenhöhe, eine gute Idealität und ein stabiles Temperaturverhalten bis mindestens 300°C auszeichnen. Wie bei polykristallinen Dünnschichten zu erwarten, weisen auch diese Kontakte eine inhomogene Barrierenhöhenverteilung im Kontaktbereich auf. Dieses inhomogene Verhalten wird durch eine Vorbehandlung in Argon- oder Stickstoffplasma vor der Kontaktabscheidung signifikant reduziert, sowohl für jeden einzelnen Kontakt als auch für eine Vielzahl von Dioden auf einem 4- SiCWafer. Der Vergleich unterschiedlicher Modelle für die Beschreibung von Schottky Übergängen sowie I/V als auch C/V Analysen in einem breiten Temperaturbereich führen zu einem tieferen Verständnis für die Bildung der Schottky Barrierenhöhe und der dabei beteiligten Stromleitungsmechanismen.

Schottky diodes are well-established semiconductor devices, comprising a non-ohmic metal-semiconductor junction. Among many others, typical application fields are within power grids, photovoltaics or rectifiers for power conversion. Compared to pin diodes, Schottky diodes feature a lower voltage drop in forward direction and allow higher switching speeds. Therefore, silicon carbide (SiC) has proven to be a suitable semiconductor for advanced Schottky diodes, due to outstanding material characteristics, such as a wide band gap, a high breakdown field and a high thermal conductivity. For high temperature, high power and high frequency electronics, appropriate contact materials and fabrication processes including a tailored interface to the substrate is of utmost importance to make most beneficial use of the SiC properties. In the following thesis, electrically conductive metal nitrides, in particular molybdenum nitride (Mo-N) and titanium nitride (Ti-N), are applied as a Schottky contact. Both materials are reactively sputter deposited, whereby deposition parameters are varied systematically. Detailed thin film analyses show that mechanical as well as electrical properties can be modified especially by a careful adjustment of the nitrogen fraction in the deposition chamber, by the choice of the plasma power and the total process pressure. By a selection of optimized sputter parameters, Schottky diodes are fabricated, which feature low barrier heights, good ideality and stable characteristics up to at least 300°C. As typical of polycrystalline thin films, each Schottky contact features an inhomogeneous barrier height distribution in the contact area. By implementing an argon or a nitrogen plasma assisted pre-conditioning step into the diode fabrication process, this scatter in Schottky barrier height is significantly reduced for the single contacts as well as across a four inch silicon carbide wafer. Comparing different Schottky diode evaluation methods, I/V as well as C/V analyses in a broad temperature range, leads to a deeper understanding of the Schottky barrier height formation and the involved current conduction mechanisms.