Conception de diodes Schottky sur 3C- SiC épitaxié sur silicium, Realization of schottky diodes on 3C-SiC : grown on silicon

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Sous la direction de Daniel Alquier
Thèse soutenue le 28 mai 2009: Tours
Ce travail de thèse est consacré à la réalisation d’une diode Schottky de puissance sur 3C-SiC épitaxié sur silicium. La majeure partie de ce travail a donc consisté à étudier la réalisation du contact ohmique. Pour cela, plusieurs métaux ont été étudiés et caractérisés électriquement à l’aide de motifs TLM. Parmi ces métaux, l’empilement Ti-Ni a montré de bons résultats de résistance spécifique de contact (autour de 10-5 O.cm²) à la fois sur des couches dopées in situ et implantées (azote ou phosphore). Cette étude électrique a été complétée par une analyse physique des couches. La réalisation du contact Schottky a également été étudiée. L’utilisation de platine pour l’anode a permis d’obtenir une hauteur de barrière et un facteur d’idéalité respectivement de 0,56 eV et de 1,24 à partir d’une structure verticale. Enfin, ces résultats nous ont permis de proposer une nouvelle structure latérale dans laquelle nous pourrons intégrer les étapes définies tout au long de ce travail.
-3c-sic
This study was dedicated to the achievement of a power Schottky diode to 3C-SiC grown on silicon. A major part of this work has consisted in studying the achievement of ohmic contacts. To do that, several metal have been studied and electrically characterized using TLM patterns. Among these metals, the Ti-Ni stacking has shown good results of specific contact resistance (around 10-5 O.cm²) both on in situ highly doped samples and implanted samples (with nitrogen or phosphorus). This electrical study has been completed with physical characterization of the 3C-SiC. Schottky contacts have then been studied. The use of platinum to make the anode in a vertical structure has shown the best result with a barrier height of 0.56 eV and an ideality factor of 1.24. Finally, these results allowed us to propose a new lateral Schottky diode structure in which we will integrate the different steps defined in this work.
Source: http://www.theses.fr/2009TOUR4002/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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UNIVERSITÉ FRANÇOIS - RABELAIS
DE TOURS


ÉCOLE DOCTORALE SST
Laboratoire de Microélectronique de Puissance

THÈSE présentée par :
Anne-Elisabeth BAZIN

soutenue le : 28 Mai 2009


pour obtenir le grade de : Docteur de l’université François - Rabelais
Discipline/ Spécialité : Electronique

CONCEPTION DE DIODES
SCHOTTKY SUR 3C-SIC
EPITAXIE SUR SILICIUM

THÈSE dirigée par :

ALQUIER Daniel Professeur, Université François - Rabelais

RAPPORTEURS :

PLANSON Dominique Professeur, INSA de Lyon
PONS Michel Directeur de Recherche, SIMAP CNRS UMR 5616


JURY :

ALQUIER Daniel Professeur, Université François - Rabelais
CONTRERAS Sylvie Chargée de Recherche, GES CNRS UMR 5650
COLLARD Emmanuel Docteur, STMicroelectronics
MICHAUD Jean-François Maître de conférence, Université François - Rabelais
PLANSON Dominique Professeur, INSA de Lyon
PONS Michel Directeur de Recherche, SIMAP CNRS UMR 5616
ZEKENTES Konstantinos MRG - IESL - FORTH
ZIELINSKI Marcin Docteur-Ingénieur, NOVASiC
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Remerciements

Cette thèse s’est déroulée au sein du Laboratoire de Microélectronique de Puissance (LMP)
de l’Université François Rabelais de Tours et au sein du service Recherche et Développement
de STMicroelectronics Tours. Je tiens à remercier Laurent Ventura (Directeur du LMP) et
Christian Nopper (Directeur du service R&D) de m’avoir accueillie dans leur service.

Je tiens à remercier Daniel Alquier mon directeur de thèse, Emmanuel Collard mon encadrant
au sein de STMicroelectronics et Jean-François Michaud, co-encadrant de ma thèse. Je les
remercie tous les trois pour toute l’aide qu’ils m’ont apportée durant ma thèse et pour leurs
précieux conseils.

Je remercie Dominique Planson, Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées
(INSA) de Lyon et Michel Pons, Directeur de Recherche au Laboratoire de Science et
Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMAP-CNRS) de Grenoble, pour l’intérêt qu’ils ont
porté à ce travail en acceptant d’en être les rapporteurs.

Je tiens à remercier Konstantinos Zekentes, Directeur de Recherche à Foundation of Research
and Technology (FORTH) de Heraklion en Grèce pour l’honneur qu’il m’a fait de présider le
jury.

Je remercie Sylvie Contreras, Chargée de Recherche au Groupe d’Etude des Semiconducteurs
(GES) de l’Université Montpellier II, et Marcin Zielinski, Ingénieur de la société NOVASiC
au Bourget du Lac pour avoir accepté d’être membres du jury.

Je remercie Jean-Yves Duboz, directeur du Centre de Recherche sur l’Hétéroépitaxie et ses
Applications (CRHEA) de Valbonne de m’avoir accueillie durant trois mois au début de la
thèse. Merci à l’équipe SiC, André Leycuras (grand fan de mes mousses au chocolat avec
blancs en neige montés à la main), Marc Portail (elle est où ta chemise Marc ?), Thierry
Chassagne (le plus grand de l’équipe, je me trompe ?) et Marcin Zielinski (quelqu’un m’avait
dit de me méfier d’un grand un peu dégarni… un certain mpo pour ne pas le citer… Pas eu
besoin, il a été adorable ;o). Merci à eux pour leur bonne humeur, leurs substrats, les recuits,
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les mesures en spectroscopie infrarouge (FTIR), leurs conseils, les gâteaux et surtout le
Tiramisu de Marc !
Je n’oublie pas les membres du CRHEA que j’ai rencontré durant ce séjour, merci à eux pour
leur aide et leurs conseils qui m’ont aidé à bien démarrer cette thèse. Je les remercie
également pour la bonne ambiance au quotidien au sein du labo, pour les goûters à la cafet’ et
les soirées karaoké dans l’amphi.

Je remercie la société NOVASiC pour les couches de 3C-SiC épitaxiées sur silicium, les
polissages et pour les discussions que nous avons eues durant la thèse.

Je tiens à remercier Mr. Daniel Turover, Président de Siltronix, pour les discussions que nous
avons eues durant ma thèse.

Je remercie Frédéric Cayrel, Maître de Conférences au LMP, pour les coupes FIB et les
analyses en microscopie électronique en transmission (STEM) qu’il a effectué sur nos
échantillons. Je le remercie également pour son soutien et son amitié. Je ne peux pas écrire
ces remerciements sans parler de tes macarons Fred, les meilleurs au monde ça c’est sûr !!
Merci pour le tup’ dans le frigo, quand tu veux pour venir donner à manger à Mercure ;-)

Je remercie Cécile Autret-Lambert, Maître de Conférences au Laboratoire
d’Electrodynamique des Matériaux Avancés (LEMA) de l’Université de Tours pour avoir
réalisé de nombreuses et magnifiques analyses en microscopie électronique en transmission
(TEM).

Je remercie Houssny Bouyanfif, Maître de Conférences au Laboratoire de Physique de la
Matière Condensée (LPMC) de l’Université de Picardie pour les mesures en Diffractométrie
des Rayons X (DRX) qu’il a effectuées lorsqu’il était Ingénieur de Recherche au LEMA.
Merci également à Virginie Grimal, Ingénieur de Recherche au Centre d’Etude et de
Recherche Technologique en Microélectronique (CERTeM) et Aline Méritan, Ingénieur Alten
détachée chez STMicroelectronics pour les mesures DRX réalisées.

Je remercie Sylvie Contreras, Sandrine Juillaguet et Leszek Konczewicz du GES de
l’Université Montpellier II pour les mesures d’effet Hall qu’ils ont réalisées et pour m’avoir
aidée à interpréter les résultats.
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Je remercie Christiane Dubois de l’Institut des Nanotechnologies de l’INSA de Lyon pour les
mesures SIMS qu’elle a effectuées sur nos échantillons et pour avoir répondu à nos questions.

Un grand merci à mes collègues du service R&D pour avoir répondu à mes questions et pour
la bonne ambiance qu’ils font au quotidien. Merci à Dominique Génard pour sa grande
disponibilité, toujours là quand on a besoin de lui ! Un p’tit clin d’œil à Anne-So, Aurélie,
Framboise, Laure, Nicole et Séverine d’avoir pris si souvent le café avec moi et pour leur
amitié. Bon d’accord, on n’a pas bu que du café mais c’était pas au boulot einh !

Je remercie Anne-So (M’man), Armelle (Maman), Babette, Béa, Dom, Guigui, Hélène,
Laure, Philippe&Philippe, Steph et Véro pour tout le sport que vous m’avez fait faire ! Quel
plaisir de courir et nager avec vous et de mériter la récompense du riz au caramel (ou plutôt
du caramel au riz) à l’arrivée. Et pour la Dream Team M’man, Babette, Béa, Patate, Steph et
Véro, à quand le prochain pourrissage du bureau de Maman ?

Je remercie mes collègues du LMP pour la bonne ambiance qu’ils ont toujours mis au
laboratoire. AnneZab soutient sa thèse ? Première nouvelle !!! Bah alors, tu viens plus aux
soirées ? Un merci particulier au Dr. MT, il me prend pour sa p’tite sœur car je lui ressemble
et je peux dire que c’est un bon grand frère ! Merci à Seb Schnappi et à P’tit Seb pour leur
soutien pendant la rédaction et d’avoir participé à mes craquages… Seb, on remet à plus tard
le vol du poster A0 dans le labo… Merci à Xi Song qui a tout fait pour qu’on ait des derniers
résultats… Toujours des délais pour des pièces de rechange, bon courage pour ta thèse Xi!
Merci à Jef pour toutes les lectures et relectures de ce manuscrit, j’ai beaucoup apprécié de
travailler avec toi et d’avoir été ta voisine de bureau durant cette dernière année. Merci à
Daniel, qui est un très bon directeur de thèse et également un bon camarade le soir après le
travail ;) (je te devais bien ça…) Je ne vais pas faire la liste de tous les membres du
laboratoire, ils sont nombreux et je risque d’en oublier… Merci à vous tous pour la bonne
humeur que vous mettez tous les jours.

Je remercie ma famille qui m’a donné goût à faire des études et à ne jamais abandonner.
Merci à mes parents, à mes frères Dominique, Emmanuel et Benoît, à ma belle sœur Angéline
et à mon p’tit n’veu Clovis qui est venu embellir cette fin de thèse, à ma sœur Marie-Agnès
(Tu vas m’en vouloir mais c’est ton prénom Marie ! J’aurais pu écrire Maragnès…) Richard
mon beauf, Audrey et Justine mes chipies de nièces (Tante Anne-Elisabeth devenue Docteur
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Tata :o). Merci à eux pour leur soutien. Un clin d’œil particulier à ma « P’tite » sœur pour les
coups de fils d’après 20h, les vacances et week-ends à la montagne, les excursions sur les
glaciers, les randonnées qui en mettent plein les yeux…

Merci aux insaïens : Benoît, Chris, Julie, Julien, Laure, Luc, Miguel, Myriam, Simina que je
ne vois pas très souvent malheureusement depuis quelques temps, mais on va se rattraper ! Et
les iutiens : Cécile, Lorraine, Mathieu et Yaya, quand vous voulez pour une dégust’ à
Bourgueil et on n’oubliera pas d’emmener Lorraine, on en goûte plus quand elle est là !

Un grand merci à Céclie, Jef, Fred, Mathieu, Romain, Seb, Vinie et Yaouen pour les apéros
place Plum’ ou à la Guinguette ou encore les apéros concerts surtout chez Romain (enfin
quand il avait encore une gratte…). Céclie j’espère que tu refais de la cerise cette année ! Et
merci à Madame Patate pour m’avoir donné le grade de Tata de sa p’tite Pastek, pour la
confiture et pour la bière du dimanche, la meilleure sans aucun doute !

Voilà, les remerciements sont écrits, un peu dans le désordre et j’espère n’avoir oublié
personne… Pour terminer, ou pour commencer puisque c’est le contenu de ma thèse qui vient
juste derrière, je voulais donner une petite recette à ne pas réaliser en salle blanche car très
odorante :-) mais à savourer :

La Teurgoule : 1 litre de lait, 100 g de sucre, 100 g de riz, 1 gousse de vanille, 1 noix de
beurre. Mettre le tout dans une terrine et enfourner pendant 3 heures environ à 120-150 °C.
Remuer de temps en temps pour casser la croûte et la bonne odeur vous indiquera quand c’est
cuit. Bon appétit !


6
Résumé

Les besoins en diodes Schottky de puissance n’ont cessé d’augmenter ces dernières années.
Le carbure de silicium (SiC) est le matériau phare pour la réalisation de ce type de diode pour
des tensions élevées (> 300V) en raison de ses propriétés thermiques et électriques. C’est un
semiconducteur à large bande interdite qui possède une tenue en tension et en température très
supérieure à celle envisageable avec le silicium. Des diodes réalisées avec le polytype 4H-SiC
sont déjà commercialisées. Les difficultés d’élaboration et le coût relativement élevé de ce
polytype ont suscité un intérêt particulier pour le 3C-SiC épitaxié sur silicium. En effet, le
substrat de silicium est peu onéreux et le procédé d’épitaxie permet de faire croître seulement
l’épaisseur nécessaire à l’application visée. La qualité du 3C-SiC/Si et le diamètre des
substrats n’a cessé de s’améliorer ces dernières années rendant ainsi ce matériau très attractif
pour la réalisation de diodes Schottky de puissance. Toutefois, la maîtrise de plusieurs étapes
technologiques clés est nécessaire pour réaliser une diode Schottky complète.
Dans ce travail, nous avons d’abord étudié les contacts ohmiques sur 3C-SiC fortement dopé
in situ. Nous avons réalisé des contacts en nickel et en titane-nickel recuits à 1050 °C qui ont
-5 2montré une faible résistance spécifique de contact (~10 .cm ). Des contacts en aluminium
et en titane-or recuits respectivement à 500 °C et 600 °C ont montré une valeur de résistance
spécifique de contact similaire à celle obtenue avec les contacts en nickel et en titane-nickel.
Ces résultats offrent donc deux fenêtres de température de recuit des contacts qui pourront
s’adapter à un procédé de diode à basse ou à haute température. Notre étude s’est ensuite
portée sur la réalisation de contacts ohmiques sur 3C-SiC implanté (azote ou phosphore). Les
contacts en titane-nickel ont montré des résultats similaires à ceux obtenus sur 3C-SiC dopé in
situ et ce, malgré les nombreux défauts présents dans la couche après implantation et recuit
d’activation.
Nous avons, ensuite, réalisé des contacts Schottky en nickel et en platine sur 3C-SiC non
intentionnellement dopé. Les contacts en nickel ont montré une caractéristique redresseuse
après recuit à 800 °C. Le facteur d’idéalité de ces anodes a été évalué à 1,90 et la hauteur de
barrière à 0,54 eV. Les contacts en platine recuits à 500 °C ont montré des meilleurs résultats
avec un facteur d’idéalité de 1,24 et une hauteur de barrière de 0,56 eV.
Dans ce travail, nous avons déterminé des conditions de contacts ohmiques sur 3C-SiC dopé
in situ ou implanté (azote ou phosphore). Nous avons également effectué une première étude
sur la faisabilité de diodes pseudo-verticales (mesa) et de diodes verticales. Ces structures
7
nous ont permis d’identifier les conditions (métal, température de recuit, …) qui permettent
d’obtenir des contacts redresseurs sur 3C-SiC non intentionnellement dopé. Ces différentes
étapes technologiques pourront être intégrées à une structure diode Schottky latérale
complète.

Mots clés : 3C-SiC, contact ohmique, TLM, résistance spécifique de contact, implantation,
contact Schottky, facteur d’idéalité, hauteur de barrière.



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Abstract

The needs in power Schottky diodes have been increasing during the last years. Silicon
carbide (SiC) is a suitable material for carrying out this sort of diode due to its thermal and
electrical properties. SiC is a wide band gap semiconductor which provides greater
performances at high voltage and at high temperature than those of silicon devices. Schottky
diodes, made with the 4H-SiC polytype, are already commercialized. The elaboration
difficulties and the relatively high cost of this polytype have launched a particular interest for
the 3C-SiC polytype which can be heteroepitaxially grown on low cost silicon substrates.
Indeed, in such conditions, only the required silicon carbide thickness has to be grown
according to the targeted application. In recent years, the quality and the diameter of the 3C-
SiC/Si substrates have been improving giving this material very attractive for future power
Schottky diodes. However, the control of different key process steps is necessary to make a
complete Schottky diode.
In this work, we have first studied the ohmic contacts on in situ highly doped 3C-SiC. We
have carried out nickel and titanium-nickel contacts annealed at 1050 °C which have
-5 2exhibited low specific contact resistance (~10 .cm). Aluminium and titanium-gold
contacts, respectively annealed at 500 and 600 °C, have shown a similar specific contact
resistance value than those obtained with nickel and titanium-nickel contacts. These results
give two annealing temperature process windows to carry out ohmic contacts which will fit a
diode process at low or high temperature. Then, our study focused on the achievement of
ohmic contacts on implanted 3C-SiC (nitrogen or phosphorus). The titanium-nickel contacts
have demonstrated results similar than those obtained on in situ highly doped 3C-SiC in spite
of the presence of numerous defects in the implanted layer even after post-implantation
annealing.
Then, we have studied nickel and platinum contacts on non intentionally doped 3C-SiC. The
nickel contacts have shown rectifying behaviour after annealing at 800 °C. The ideality factor
and the barrier height of these anodes have been evaluated to respectively 1.90 and 0.54 eV.
The platinum contacts annealed at 500 °C demonstrate the best results with an ideality factor
of 1.24 and a barrier height of 0.56 eV.
In this work, we have determined different conditions to carry out ohmic contacts on in situ
highly doped and implanted 3C-SiC (nitrogen or phosphorus). We have also studied the
feasibility of pseudo-vertical and vertical diodes. With these structures, we have established
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different conditions (metal, annealing temperature, ...) to have rectifying contacts on non
intentionally doped 3C-SiC. These different process steps will be integrated in a complete
lateral Schottky diode.

Keywords : 3C-SiC, ohmic contact, TLM, specific contact resistance, implantation, Schottky
contact, ideality factor, barrier height.
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