Study of metal / silicon carbide interfaces with surface sensitive techniques

Silicon carbide (SiC) single crystals are very important for numerous high temperature microelectronic devices. Industrial production of such devices takes advantage of the superior properties that metal/SiC contacts can achieve, like the electrical behavior (Schottky barrier) and their thermal stability. In the present work, we studied the early stages of metal/SiC interface formation in UHV conditions and at room temperature. Additionally, we studied the stability of the contacts at high temperature conditions. For this purpose, we developed ultrathin metallic films of Re, Er and Cu on both polar surfaces (Si-face or (0001) and C-face or (000-1)) of n-type hexagonal single crystal 6H-SiC. The resulting contacts were heated afterwards up to 1000K. Surface sensitive techniques were used for data collection, such as X-ray Photoelectron and Auger Electron Spectroscopy (XPS/XAES), Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS), Low Energy Electron Diffraction (LEED) and Work Function (WF) measurements (Kelvin Probe technique). Furthermore, the height of the interfacial Schottky barrier and its behavior upon annealing were obtained from the XPS data. Based upon our experimental data, we reached the following conclusions: The Re/6H-SiC{0001} contact was found to be appropriate for use in microelectronic devices that require ohmic contacts consisting of materials with an absolute stability of structural and electronic properties at high temperature conditions, given that the Re/SiC Schottky barrier height is small and Re metallic films are particularly stable at high temperatures. Ix The extended silicide phase and the existence of low Schottky barrier height known from Er/Si contacts was not observed in the Er/6H-SiC{0001} contact, which was found to have a good and stable rectifying behavior. The Er film demonstrated structural stability at high temperatures. Possible use of the Er/SiC contact for microelectronic devices, that require Schottky barrier thermal stability along with the existence of only traces of some silicide interaction at the interface, is considered promising. It was also found that oxygen might play an important role in the Er/SiC interfacial behavior. Finally, for Cu/6H-SiC{0001} the conclusions were correspondingly positive: the electrical behavior of the Cu/SiC contact was found to be rectifying and relatively stable at high temperatures. Considering that SiC is well known as a very good thermal conductor (just like copper), the Cu/SiC contact could meet the standards in a lot of applications in power microelectronic devices.Οι μονοκρύσταλλοι ανθρακοπυριτίου (SiC) παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον χάρις στις ποικίλες εφαρμογές τους, κυρίως σε μικροηλεκτρονικές διατάξεις υψηλών θερμοκρασιών. Ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στη δημιουργία τέτοιων διατάξεων έχουν οι επαφές μετάλλου/ανθρακοπυριτίου, σε σχέση με την ηλεκτρική συμπεριφορά (φράγμα Schottky) και τη σταθερότητά τους στη θέρμανση. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας μελετήθηκαν τα πρώιμα στάδια ανάπτυξης της διεπιφάνειας μετάλλου/SiC σε περιβάλλον υπερυψηλού κενού (UHV) και θερμοκρασία δωματίου καθώς και η σταθερότητα της επαφής κατά τη θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες. Αναπτύχθηκαν υπέρλεπτα μεταλλικά υμένια Re, Er και Cu πάνω και στις δύο πολικές επιφάνειες (Si-face ή (0001) και C-face ή (000-1)) των μονοκρυστάλλων εξαγωνικού ανθρακοπυριτίου (6H-SiC) τύπου-n που χρησιμοποιήθηκαν ως υπόστρωμα. Οι επαφές αυτές στη συνέχεια θερμαίνονταν μέχρι τους 1000Κ. Η μελέτη έγινε με επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές, όπως οι Φασματοσκοπίες Φωτοηλεκτρονίων και Ηλεκτρονίων Auger Ακτίνων-Χ, (XPS/XAES) και Φωτοηλεκτρονίων Υπεριώδους (UPS), η Περίθλαση Ηλεκτρονίων Χαμηλής Ενέργειας (LEED) και η μέτρηση μεταβολών του Έργου Εξόδου της επιφάνειας (WF / Kelvin Probe). Επιπλέον, το ύψος του διεπιφανειακού φράγματος Schottky και η συμπεριφορά του κατά τη θέρμανση μελετήθηκαν βάσει δεδομένων από την τεχνική XPS. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε καταδεικνύουν ότι: Το Re είναι ιδανικό για ωμικές επαφές Re/6H-SiC{0001} σε μικροηλεκτρονικές διατάξεις που απαιτούν απόλυτη σταθερότητα δομικών και ηλεκτρικών χαρακτηριστικών σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες, δεδομένου ότι παρουσιάζει μικρό φράγμα Schottky και το μεταλλικό υμένιο αποδεικνύεται ιδιαίτερα σταθερό στις υψηλές θερμοκρασίες. Η επαφή Er/6H-SiC{0001} δεν παρουσίασε την εκτεταμένη πυριτιδιακή φάση που έχει αναφερθεί για τις επαφές Er/Si και το ιδιαίτερα χαμηλό φράγμα Schottky, όμως παρουσίασε καλή ανορθωτική συμπεριφορά και δομική σταθερότητα του υμενίου Er. Αυτό ανοίγει το δρόμο και σε εφαρμογές που εκμεταλλεύονται τον σταθερό ανορθωτικό χαρακτήρα της επαφής σε συνδυασμό με την εμφάνιση μικρής έκτασης πυριτιδιακής αλληλεπίδρασης στη διεπιφάνεια. Εδώ σημαντικό ρόλο φαίνεται να παίζει και η αναπόφευκτη παρουσία αυξημένης ποσότητας οξυγόνου στο υμένιο. Τέλος, για την επαφή Cu/6H-SiC{0001}, τα συμπεράσματα είναι αντιστοίχως θετικά: Η επαφή Cu/6H-SiC{0001} προκύπτει ανορθωτική και σχετικά σταθερή στις υψηλές θερμοκρασίες και, δεδομένου ότι το SiC χαρακτηρίζεται από αρκετά καλή θερμική αγωγιμότητα όπως και ο χαλκός, μπορεί εμφανώς να εξυπηρετήσει ανάγκες σε ανορθωτικές διατάξεις κυκλωμάτων μεταφοράς ισχύος, όπου απαιτείται σταθερότητα ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες