UNIVERSITETET I OSLO Fysisk institutt. FYS2210 Laboratorierapport. -N-MOSFET -Schottkydiode. Sindre Rannem Bilden

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO Fysisk institutt FYS22 Laboratorierapport -N-MOSFET -Schottkydiode ndre Rannem Bilden 27. november 15

2 Introduksjon Laboratorieoppgaven går ut på å syntesere og karakterisere et sett av schottkydioder og et sett transistorer av type N-MOSFET. Her vil komponentenes oppførsel relativt til teori være en indikator på hvor godt resultatet er blitt, samtidig vil teorien kunne tilpasses avvik og komme med kompansasjonsfaktorer som forklare avvik. Et slikt arbeid har som hensikt å gi en grundig forståelse av teorien samt dens relasjon til praktisk arbeid. Rapporten er delt inn i en beskrivelse av prosessene utført under syntesen, og senere én del for transistorer og én del for schottkydioder hvor prosedyre for syntese og karakterisering beskrives, samt en diskusjon av måledata som er samlet. Til slutt presenteres en konklusjon for labarbeidet. Innhold I Prosesser 2 1 Firepunkstmåling 2 2 Etsing 2 3 Oksidasjon 2 4 Litografi 3 5 Ioneimplantasjon 3 6 Metalldeposisjon og lift off 4 II N-MOSFET 4 7 Teori 4 8 Hensikt 5 9 Prosedyre 5 Resultater 6 11 Diskusjon 9 III Schottkydiode 12 Teori 13 Hensikt 14 Gjennomføring 15 Resultater Diskusjon 13 IV Konklusjon 13 1

3 Del I Prosesser Syntesen av N-MOSFET og Schottkydiode består av et sett prosesser som gjentas med små konfigurasjoner, i denne delen vil prosessene beskrives overordnet og detaljer vil bli gitt under prosedyren. 1 Firepunkstmåling Firepunktsmåling er en nyttig metode for å måle resistiviteten i prøver med høy elektrisk ledningsevne, denne metoden reduserer påvirkningen fra kontaktresistans i målepunktene ved å sende strøm gjennom to ytre noder og måle spenningen med to indre noder, se Figur 1. -wafer A V d Figur 1: Illustrasjon av firepunktsmåling. Probene til apparatet 1 trenger gjennom eventuelle lag av naturoksid på waferen og gir derfor en korrekt resistivitet tilhørende den dopede silisiumen. En korreksjonsfaktor a tilpasser resultatet ved å relaterer diameteren til waferen opp mot probeavstandene d. Resistiviteten er gitt ved Likning 1 der spenningen ofte måles opp mot en kjent strøm. Fra dette kan en dopekonsentrasjon approksimeres ved Likning 2 ved å anta full ionisering og kun ta hensyn til den dominerende ladningsbærerkonsentrasjonen. 1 Jandel KM3-AR t ρ = a U I t (1) 1 ρ = q(nµ n + pµ p ) (2) 2 Etsing I laboratorieoppgavene er etsning med flussyre blitt brukt for å fjerne lagene av O 2 på waferen ved reaksjonen i Likning 3. O 2(s) + 6HF (aq) 2H 2 O (l) + H 2 F 6(aq) (3) Etsningshastigheten vil variere ved konsentrasjon av flussyre og overflaten til O 2. Ved svake konsentrasjoner av flussyre i vann vil etsningen skje saktere enn ved høye konsentrasjoner[1]. Med et etsningsmiddel bestående av flussyre og ammoniumfluorid 2 vil etsningen skje med en hastighet på omtrent 800Å/min, det er derfor viktig å holde kontroll på oksidykkelsen for å kunne tilpasse etsningstid. Etter hver etsning ble waferene vasket med deionisert vann i fem minutter for å sikre tilstrekkelig fjerning av flussyre og eventuelle utenheter. Waferen ble så kontrollert i mikroskop 3 for å sikre at etsingen var tilstrekkelig. 3 Oksidasjon Oksidasjon blir brukt for å gro et kontrollert oksidlag inn i silisiumwaferen. Oksidasjonen kan gjøres i våt atmosfære ved Likning 4 eller tørr atmosfære ved Likning 5 i en tilpasset ovn 4. 2H 2 O (g) + (s) O 2(s) + 2H 2(g) (4) O 2(g) + (s) O 2(s) (5) Våtoksidering gir en raskere vekst enn tørroksidering hvor vekstraten ved C typisk er i området 0nm/h opp mot 60nm/h respektivt avhengig av blant annet oksidtykkelse. Veksten minker ettersom oksidlaget gror da oksigen diffunderer gjennom det tidligere grodde oksidlaget før oksigenet kan binde seg til nytt silisium. Veksten er illustrert i Figur 2. 2 Sunchem BOE 7:1 (49%HF, %[NH4 + F ]) 3 Olympus BX41M 4 Fra Thermco Systems 2

4 O 2 Figur 2: Illustrasjon av vekst av O 2 på en wafer. Der oksygenet må diffundere gjennom det tidligere laget av O 2 4 Litografi Litografiprosessen er en av de viktigste og mest sårbare prosessene under laboratorieoppgaven. Under litografiprosessen kan positiv eller negativ fotoresist brukes, den positive fotoresister dekomponeres ved bestråling av høyenergetisk lys, i motsetning til en negativ som bindes av det høyenergetiske lyset. På den måten vil en positiv fotoresist åpne områdene som blir bestrålt, og den negative vil beskytte de bestrålte områdene. I denne laboratorieoppgaven brukes kun positiv fotoresist. Litografiprosesser begynner ved at et lag primer 5 legges på waferen i en spinner 6. Tykkelsen til lagene bestemmes ved å tilpasse rotasjonshastigheten. Senere legges et lag fotoresist 7 over primeren. Fotoresisten herdes så i temperaturområdet 90 1 C avhengig av hvor godt fotoresisten skal bindes, før den legges i en litograf 8 som eksponerer ønskede områder med en høyenergetisk laser. Ved undereksponering vil ikke all fotoresist være brutt ned og vil hindre blant annet etsning og og ioneimplantasjon. For å være sikker på at fotoresisten blir fullstendig eksponert uten å få overeksponering og for store eksponerte arealer er det viktig å tilpasse eksponeringstiden til tykkelsen på fotoresisten. Da det også er viktig å unngå 5 MicroPosit Primer fra Rohm and Haas 6 Karl Suss RC8 7 MicroPosit S1813 fra Rohm and Haas 8 µp G1 fra Heidelberg Instruments feileksponering fra andre lyskilder er rommet for litografi belyst med kun gult lys da dette lyset har lav energi. Etter eksponering blir waferen lagt i et fremkallingsbad med et tilpasset fremkallingsmiddel 9 som løser opp kun de eksponerte områdene etterfulgt av vask med deionisert vann og en kontroll i mikroskop. En for lang fremkallingstid kan fjerne mer enn de eksponerte områdene og må derfor også tilpasses. Høy presisjon og lav feileksponering er viktig for å oppnå et godt resultat. Under de gjentagene litografiprosessene for N-MOSFET ble derfor waferen plassert nøyaktig for hånd for senere en rekalibreering gjort av litografen fra referansepunkter. 5 Ioneimplantasjon Ioneimplantasjon er en prosess hvor dopantene blir ionisert og så akselerert i et elektrisk felt før de skytes mot substratet som skal dopes. Alt skjer i et spesiallaget apparat for ioneimplantasjon som kan implantere H, Li, B, C, N, Mg, Al,, P, Fe og Ag. Dopantionene trenger inn i strukturen med varierende dybde og simuleres ofte i SRIMS (The Stopping and Range of Ions in Matter) for å beregne dopingen. Da dopantionene vil fordeles likt over bestrålingsområdet brukes fotoresisten som et offermateriale over de områdene som ikke skal eksponeres. Dopantionene vil ikke trenge gjennom laget av fotoresist og kan derfor fjernes sammen med fotoresisten i etterkant. Da ioneimplantasjon ofte skader strukturen i waferen varmes strukturen opp til 850 C og holdes der i en halv time for å la strukturen relaksere. Alternativt til ioneimplantasjon kan gassdiffusjon i ovn brukes, denne prosessen har gjerne en dårligere kontroll av dopingen og tar lenger tid. 9 En del MicroPosit 351 fra Rohm and Haas med tre deler deionisert vann NEC Tandem accelerator 3

5 6 Metalldeposisjon og lift off Metalldeposisjon ble brukt for å legge metallkontakter på komponentene, dette foregår i et metalldeposisjonskammer 11 hvor metaller som Al og Pt kan dampes på overflaten til waferen. Fotoresisten fungerer som en beskyttelse av områdene hvor metall ikke skal deponeres, etter deponeringen kan waferen legges i et bad av fotoresistfjerner 12 som effektivt løser opp fotoresisten. Et ultralydbad ble brukt for å fremskynde oppløsningen. Metalldeposisjonen kan også skje over en ren wafer, hvor det senere legges på et lag fotoresist, da kan områdene som ønskes metallfri eksponeres og etses bort. Denne metoden er derimot tidkrevende og har fare for å legge igjen forurensninger i form av metallioner. Del II N-MOSFET 7 Teori En metall-oksid-halvleder felt effekt transistor (MOSFET) er et av de fremste komponenetene innen store integrerte kretser som i mikroprosessorer og diverse minneteknologi. MOSFET er lett og isolere og lar seg derfor pakke svært tett, dette er gunstig spesielt i store intergrerte kretser hvor mange komponeneter skal pakkes sammen. MOSFET tar utgangspunkt i fenomentet av dopinginversjon ved en påsatt tilstrekkelig stor spenning over gatekontakten. En N-MOSFET tar derfor utgangspunkt i et p-dopet substrat hvor source og drain kompansasjonsdopes på substratet. Ved en påsatt spenning over gaten vil hull akkumulere til eller depletere fra kanalen (området i p-substratet ved gateoksiden). Når den effektive n-dopingen fra depletering når den originale p-dopingen vil kanalen være effektivt udopet og det nås inversjon. Om man lar den effektive n- 11 Leybold AG, evaporator L MicroPosit levert av Rohm and Haas dopingen bli dobbelt så stor som den originale p- dopingen vil kanalen effektivt være dopet med en N d (effektiv) = N a (original) og det nås sterk inversjon. Spenningen som kreves for å nå sterk inversjon kalles terskelspenning V T og er gitt av fire hovedelementer. V T = (Φ metall Φ halvleder ) Q i C i Q d C i + 2Φ F (6) Der Φ metall og Φ halvleder er arbeidsfunksjoner opp til oksidets ledningsbånd for henholdsvis metallet og halvledermaterialet, ideeelt skal forskjellen være liten for å få en lav V T. Q i og Q d er ladninger i henholdsvis gateoksidet og i deplesjonssonen. C i er kapasitansen til gateoksidet og Φ F er den potensialforskjellen mellom det intrinsiske ferminivået og ferminivået fra den originale p-dopningen. Da det ønskes å kunne bruke transistoren med lavest mulig energi vil man ønske å tilpasse alle elementene i Likning 6 for en lavest mulig absolutt terskelspenning. Φ F kan ved Likning 7 finnes fra den originale dopingkonsentrasjonen som igjen kan approksimeres fra resistiviteten ρ. N a p 0 = N i e qφ F /kt (7) Ved lave drainspenninger V D vil MOSFET fungere som en restor regulert av gatespenningen V G, dette kan vises fra strøm-spenning-karakteristikken i Likning 8. Her vil lave V D føre til at det siste leddet vil kunne neglisjeres og det blir en lineær sammenheng mellom I D og V D som kan reguleres lineært med V G. V 0 p-dopet I D = µ nzc i L V G Gateoksid S n-dopet [ (V G V T )V D 1 ] 2 V D 2 V D D n-dopet (8) Figur 3: Illustrasjon av en N-MOSFET, S merker source, D merker drain. Doping er også merket. 4

6 8 Hensikt Hensikten med oppgaven er å lage et sett transistorer med varierte bredder på kanalen. En oversikt over komponentstørrelse og plassering ligger som Figur for- Figur 4: Oversikt over komponentenes Z[µm] L[µm] hold og plassering på waferen. 9 Prosedyre En p-dopet (0) silisiumwafer 13 ble brukt som basis til serien av N-MOSFET, waferen hadde diameter på 4 og tykkelse på 500 ± 25µm. Resistiviteten til waferen ρ ble målt med firepunktsmåling på en tilsvarende wafer for å ikke kontaminere områdene hvor komponentene skulle lages. Da det dannes et tynt lag naturoksid på waferen ble dette laget etset bort med flussyre 14 i 30 sekunder. Deretter ble waferen plassert i ovn der det ble grodd et kontrollert lag med silisiumoksid med en siktet tykkelse på 3000Å. Ovnen ble forvarmet til 600 C og waferene ble skjøvet sakte inn i ovnen 13 Levert av University Wafer Company 14 Flussyre % fra VWR, utvannet til ( 2%) for en gradvis oppvarming. En nitrogenatmosfære med en tilstrømning på 6L/min ble satt på under oppvarming for å fjerne oksygen og evnetuelle urenheter. Temperaturen ble så økt til 950 C med gradient på C/min hvor temperaturgradienten ble satt ned til 5 C/min videre opp til 00 C. Her ble atmosfæren endret til oksygen med en tilstrømning på 8L/min og hydrogengass med en tilstrømning på 2L/min i minutter. Etter oksidasjonen ble oksidtykkelsen kontrollert med et ellipsiometer 15. Under litografiprosessen ble waferen først behandlet med et lag primer med en en rotasjonshastighet på 4500rpm i ett minutt etterfulgt av ett minutt hvile før det ble påført et lag 16 fotoresist og herdet på 1 C i ett minutt. Waferen ble så plassert i litografen for å bryte ned fotoresisten i området Source og Drain (Figur 5) med en eksponeringstid på 15ms. Wafern ble så behandlet med fremkallingmiddel i et minutt og vask i ett minutt. Waferen ble varmebehandlet på 125 C i tre minutter og så etset i 270s med et fluorbasert etsningsmiddel. Med fotoresisten på ble det implantert ( 31 P ) på waferen med ioneimplanteren. Forsforionene ble akselerert til en kinetisk energi på 36keV med en ionestrømmen var på I ion = 300nA til en fordeling på 2 14 ioner per cm 2. Fotoresisten ble fjernet med aceton etterfulgt av vasking og så varmet på 950 C i 30 minutter med gradient på C/min. Waferen ble på nytt behandlet med et lag primer og et lag fotoresist og herding på 1 C i ett minutt før den ble lagt til ny litografiprosess. Her ble området til Gate eksponert i 15ms med laser etterfulgt av fremkalling i ett minutt og vask i ett minutt. Waferen ble etset i 280s for å bryte ned oksidlaget over gaten etterfulgt av vasking i fem minutter. Waferen ble lagt i et acetonbad i 30s for å fjerne fotoresist og senere vasket i ett minutt. Senere ble waferen lagt i et bad av H 2 O 2 og H 2 SO 4 i s med fem minutter vasking i etterkant og ny kontroll i mikroskop. Den vaskede waferen, sammen med en oksidfri referansewafer, ble satt i forvarmet ovn på 600 C 15 AutoEL fra Rudolph Research 16 Med en tykkelse 12500Å 5

7 Waferen ble behandlet en siste gang med ett lag primer og ett lag fotoresist etterfulgt av herding på 90 C i to minutter 17. Områdene til kontaktpunktene ble så eksponert i 18ms i litografen og så lagt i fremkallingsbad i ett minutt etterfulgt av vask i ett minutt. Waferene ble så lagt i metalldeposisjonskammeret for å legge et lag aluminium over waferen med en siktet tykkelse på 1500Å. Senere ble samme prosess gjort for å legge aluminium som bakkontakt. Etter metalldeposisjonen ble det utført lift off for å kunn beholde metall i området kontaktpunkter (Figur 5). Waferen ble senere herdet på 0 C i ovn med N 2 atmosfære med tilstrømning på 3L/min. Figur 5: Illustrasjon av maker til litografi: Rødt = Source og Drain, Grønt = Gate, Blått = Kontakpunkter med en tilførsel av N 2 på 3L/min. Temperaturen økte til 950 C med en gradient på C/min, der ble gradienten endret til 5 C/min og latt stige til 00 C. På 00 C ble atmosfæren endret til O 2 i åtte minutter med en tilstrømning på 8L/min, og latt tørroksidere med en siktet oksidtykkelse på 0Å. Atmosfæren ble endret tilbake til N 2 på 3L/min og temperaturen ble senket til 700 C med en gradient på C/min, der ble atmosfæren endret til en blanding av %H 2, 90%N 2 med en tilstrømning på 6L/min i 30 min for å fjerne ladninger i oksidet. Oksidtykkelsen ble i etterkant målt på referanseplaten i et ellipsiometer. Etter at oksidlaget var grodd ble waferen behandlet med ett lag primer og ett lag fotoresist etterfulgt av herding på 1 C i ett minutt. Waferen ble så lagt til litografi hvor Source og Drain igjen ble eksponert med 15ms utenom området dekket av Gate (Se Figur 5). Waferen ble lagt til fremkalling i ett minutt før vask i ett minutt. Waferen ble så etset i 30s etterfult av vask. Fotoresisten ble så fjernet med acetonbad i omtrent s og vasket i tre minutter. Senere ble den varmebehandlet på 95 C i fem minutter. Waferen med de ferdige komponentene ble lagt i en probestasjon 18 hvor størm spenningskarakteristikk ble gjort på én komponent av hver type. Komponentene ble først sjekket for kortsluttning før I D ble logget opp mot V D i et spekter fra 0V til 5V med steg på 0.2V. I D V D plottet ble gjort for gatespenninger V G = [1V, 2V, 3V, 4V ]. Senere ble det gjort en I D V G karakteristikk ved V D = 2V på komponenten med L = µm og Z = 80µm. Resultater Under karakteriseringen av waferen ble spenningen under firepunktsmålingen målt til U = 7mV ved en størm I = 1.0mA. Med Likning 1 fås ρ = 1.7Ω cm hvor kompansasjonsfaktoren er a = Dopingkonsentrasjonen kan finnes ved Likning 2 hvor det antas at ladningsbærerene er dominert av hull. Dopingkonsentrasjonen blir da på N a p 1 ρqµ p = cm 3 Oksidlaget som ble grodd på referansewaferen ble målt til å være 35Å og antas å være lik prøvewaferen. Etter første litografisk steg ble det oppdaget at midterste komponent med gatelengde L = 2.5µm var ufullstendig eksponert, da de resterende komponentene var gode ble det ikke 17 Valgt en svakere herding for å lettere kunne gjøre lift off senere 18 Pegasus S0FA. Wentworth Laboratories 6

8 gjort noen endringer på dette. Figur 6 viser denne Figur 8. komponenten opp mot en vellykket komponent. Figur 6: Bilder av vellykket komponent opp mot en komponent med dårlig eksponering. Oksidtykkelsen til refreansewaferen, antatt til å være lik gateoksidet til prøvewaferen, ble målt til å være 250Å, litt tykkere enn tilsiktet. Undersøkelser i mikroskopet viser at alle litografiprosessene Figur 8: I V graf for L = µm og Z = 80µm. D G ble gjort med god presisjon, bilder etter siste litografiprosess ligger som Figur 7. Kontaktlaget av aluminium ble målt til 1500Å slik som ønsket. Figur 7: Bilder etter siste litografiprosess som indikerer vellykkede komponenter. Til venstre L = 2.5µm, til høyre L = µm. Under ID VD karakteriseringen ble det oppdaget på grafen at komponenten med kanallengde L = 2.5µm hadde ladningsbærerene med ujevn distribusjon, gatespenningen ble derfor satt til Vg = 8V og kjørt gjennom en gang for å redistribuere ladningsbærerene, loggingen ble gjort som normalt etter dette. Resultatene fra ID VD karakteriseringen er lagt ved som Figur -15. Komponenten med L = µm og Z = 80µm viste best transistoregenskap (Figur 15) og ble brukt for beregninger fremover. Et ID VG diagram for denne komponenten er også lagt Figur 8.Terskelspenningen VT og transkonduktansen gm ble ekstrapolert fra ID VG diagrammet og bestemt til VT = 0.73V og gm = 0.072mS, se Figur 9: Et plot av konduktans g opp mot drainspenning VD der toppunktene for hver gatespenning er lagret og den konstante stigningen mellom punktene er g. Konduktansen finnes ved g = ID VD, FiVG gur 9 viser g(vd ) basert på ID (VD ). Og bestemt til g(vg ) = ms for komponenten med L = µm og Z = 80µm. Serieresistansen finnes fra Figur 8 fra den lineære stigningen ved høy VG ved å bruke RS = VIDG fås en gjennomsnittlig verdi på 9.35kΩ. 7

9 Figur : I D V D graf for L = 2.5µm og Z = µm. Figur 13: I D V D graf for L = µm og Z = µm. Figur 11: I D V D graf for L = 5µm og Z = µm. Figur 14: I D V D graf for L = µm og Z = µm. Figur 12: I D V D graf for L = µm og Z = µm. Figur 15: I D V D graf for L = µm og Z = 80µm. 8

10 11 Diskusjon Man ser at I D V D diagrammene ligner på oppførselen beskrevet i Likning 8 men det er tydelig at de større transistorene har en oppførsel som ligner mer på teorien enn de mindre. Det er gjennomgående for alle komponenter at I D V G som stemmer godt med Likning 8, man ser også at kompoenetene med Z L = 2 har omtrent halve I D av de med Z L = 4, dette er også i trå med likningen. Terskelspenningen for en ideell transistor V T (Ideell) beregnes fra Likning 6 hvor det antas at Φ metall = Φ halvleder og Q i = 0. Q d settes til sin maksimale [ ] verdi og det fås Likning 9 hvor Φ F = kt q ln N a n i og ε inneholder ε 0. V T (ideell) = 2 (qnaε Φ F ) 1/2 d O2 ε O2 + 2Φ F (9) Terskelspenningen funnet fra I D V G diagrammet, V T 0.73V er negativ og indikerer derfor en transistor i depletion mode hvor transistoren uten en påsatt gatespenning har en åpen kanal. For en ideell transistor er terskelspenningen V T (ideell) = 0.98V berenget med d O2 = 250Å og dopingkonsentrasjonen fra tidligere. Terskelspenningen for en ideell transistor indikerer at den teoretiske transistoren skulle vært i enchantment mode der kanalen er lukket uten en påsatt gatespenning. Den store forskjellen, på V T V T (ideell) = 1.7V kommer antageligvis fra en spenning F B Φ MS om oksidladninger neglisjeres og kan beregnes teoretisk fra Likning. V F B Φ M χ S E g 2q kt [ ] q ln Na () Settes inn tradisjonelle ideelle verdier som Φ Al(O2 ) = 4.1V, χ S = 4.05V, d = 250Å og en doping på N a = cm 3 fås en teoretisk V F B = 0.84 som er lavere enn hva som er sett i transistorene, det er derfor tenkelig at faktorer som dårlig anhealing av metallet eller uren kontaktflate har ført til en høyere Φ MS enn teoretiske verdier. n i Transkonduktansen ble ikke målt for andre komponenter og eksperimentelle verdier for g m opp mot L kan ikke fremvises. Det forventes derimot at g m minker med L da dette er en ekstensiv variabel g m 1 R 1 ρcm og varier med lengden. Da deler av det eksperimentelle utstyret ikke er fullstendig kjent vil optimalisering av enkeltprosessene være til hjelp for å gjøre oppførselen til transistorene mer lik den teoretiske oppførselen. qv F B qv F B Aluminium O 2 E c E F E v Figur 16: Illustrasjon av flate bånd potensialet V F B, som skiller teoretisk ideell og eksperimentell terskelspenning. Selv om faktoren som vanligvis vil påvirke terskelspenningen i størst grad vil være kanalens originale doping, ser man at Φ MS har stor innvirkning på terskelspenningen. 9

11 Del III Schottkydiode 12 Teori En Schottkydiode er basert på kontakten mellom et metall og en halvleder, i kontakten vil det dannes en deplesjonssone liknende en p + n/n + p halvlederovergang da metall har en ladningsbærerkonsentrasjon mye større enn halvledere. Schottkydioder responderer raskt på potensialendrigner og er derfor gunstige i blant annet kretser med alternerende spenning med høy frekvens. Laboratorieoppgaven ta utgangspunkt i et metall og en n-halvleder som gir mange likheter med en p + n diode. qχ 13 Hensikt Hensikten med laboratorieoppgaven var å lage et sett schottkydioder og karakterisere resultatet i etterkant. Et sett sirkelformede dioder med diametere d = 0.5, 1, 2, 3 ble laget med syv/14 komponenter av hver vist i Figur 18. d = 1.0 d = 2.0 d = 3.0 d = 0.5 d = 1.0 qφ m qφ B qv 0 E c Metall E F E i E v Figur 18: Oversikt over schottkydioder på waferen, diameteren d er gitt i mm. Figur 17: Illustrasjon av energinivåer i en schottkydiode. Schottky dioden har en strøm-spenning karakteristikk vist i Likning 11 hvor strømmen er avhengig av barrierehøyden Φ B vist i Figur 17. [ I = AA T 2 qφb exp kt ] ( [ ] ) qv exp 1 ηkt (11) Kapasitansen til dioden gis ved Likning 12 hvor deplesjonssonen gis ved Likning 13. C = W = dq A = ε dv rev W (12) 2ε N d q (V 0 + V rev ) (13) 14 Gjennomføring En n-dopet silisiumwafer 19 ble brukt som basis til serien av Schottky dioder, waferen hadde diameter på 2 og tykkelse på 380 ± 25µm. Resistiviteten til waferen ρ ble målt med firepunksmåling på en tilsvarende wafer for å ikke kontaminere områdene hvor komponentene skulle lages. Det naturlige oksidlaget på waferen ble etset bort i et bad av flusssyre i 30 sekunder. Deretter ble det ble grodd et kontrollert lag med silisiumoksid med en siktet tykkelse på 00Å. Ovnen ble forvarmet til 600 C og waferene ble skjøvet 19 Fra University Wafer Company Flussyre % fra VWR, utvannet til ( 2%)

12 sakte inn i ovnen for en gradvis oppvarming. En nitrogenatmosfære med en tilstrømning på 6L/min ble satt på under oppvarming for å fjerne oksygen og evnetuelle urenheter. Temperaturen ble så økt til 950 C med gradient på C/min hvor temperaturgradienten ble satt ned til 5 C/min videre opp til 00 C. Her ble atmosfæren endret til oksygen med en tilstrømning på 8L/min og hydrogengass med en tilstrømning på 2L/min for å gi en våt atmosfære i 30 minutter. Oksidtykkelsen kontrollert med et ellipsiometer. Under litografiprosessen ble waferen først behandlet med et lag primer, et lag 21 fotoresist og varmebehandlet på 1 C i ett minutt. Waferen ble så plassert i en litograf for å bryte ned fotoresisten i områdene vis i Figur 18 med en eksponeringstid på 15ms. Wafern ble så behandlet fremkallingmiddel i 0 sekunder og så vasket i et minutt. Waferen ble senere varmebehandlet på 125 C i tre minutter og så etset i 160s for å fjerne oksidlaget i områdene hvor fotoresisten er fjernet. Med fotoresisten på ble waferene lagt i et metalldeposisjonskammer for å legge et lag palladium over waferen med en siktet tykkelse på 1500Å. Senere ble samme prosess gjort for å legge aluminium som bakkontakt. Fotoresisten ble så oppløst i et bad av aceton i ultralydbad for å fremskynde oppløsningen. Waferen ble vasket med vann i fem minutter og senere herdet på 300 C i ovn. 15 Resultater Spenningen under firepunktsmålingen ble målt til V = 6.95mV da det ble sendt en størm I = 1.0mA gjennom probene. Ved Likning 1 fås ρ = 3.85Ω cm. Resistiviteten tilsvarer en dopingkonsentrasjon på N d n 1 ρqµ n = cm 3 om det antas at hullstrømmen er neglisjerbar i Likning 2. Oksidlaget som ble grodd på referansewaferen ble målt til å være 1970Å og antas å være lik prøvewaferen. Etsningen av oksidet varte s lenger enn tilsiktet (totalt 180s) men dette ga ingen synlige negative sider under kontroll. Palladiumlaget ble målt til en tykkelse Å. Totalt gir dette en båndstruktur illustrert i Figur 17 og en ladningstetthet samt elektrisk felt vist i Figur 19. Aluminium n-dopet silisium Q qnd Q d W x Waferen med de ferdige schottkydiodene ble lagt i en probestasjon strøm- spenningskarakteristikk ble gjort på et utvalg av komponentene. Det ble først kontrollert at komponentene ikke var ohmske før en sjekk av lysforhold ble gjort hvor spenningsintervallet strakk seg over V = [ 2V, 2V ] med steg på 0mV. Senere ble et detaljert diagram i spekteret V = [0V, 1V ] laget med steg på mv for dioden med diameter 0.5mm og 1mm. Til slutt ble kapasitansen målt i spekteret V = [ V, 0V ] med steg på 0.5V for en komponent med d = 1mm. ξ Figur 19: Illustrasjon av ladningstetthet (oppe) og elektrisk felt (nede) i en schottkydiode. Ladningene i aluminiumen er fordelt på et smalere område enn vist i figuren, hvor deplesjonssonen trygt kan tilnærmes til å kun være i halvlederen. W x 21 Med en tykkelse 12500Å 11

13 Resultatene fra kontrollen av dioden med og uten lys ble lagt i Figur. Figur 21: I V diagram for en schottkydiode med d = 1mm. Figur : Plot fra sammenlikning av dioden med og uten belysning. Et detaljert I V diagram for en komponent med d = 1mm ligger som Figur 21. Idealitetsfaktoren ble beregnet fra Likning 11 forenklet til Likning 14 for spenninger i spekteret 50mV 0mV her er qv tilstrekkelig stor opp mot ηkt slik at eksponensialen er stor nok til at leddet 1 kan neglisjeres. Det fås da en idealitetsfaktor på η = [ ] qv I = I 0 exp (14) ηkt Barrierehøyden Φ B kan beregnes fra I 0 = ABT 2 exp [ qφ B /kt ] i Likning 11, som kan skrives om til Likning 15. Barrierehøyden ble med det beregnet til Φ B = 0.7V for en diode med diameter d = 1mm. Φ B = kt [ ] q ln I0 ABT 2 (15) C V diagrammet med tolkning ligger som Figur 22, man kan se i diagrammet at V 0 = 0.47V basert på Likning C 2 = 2(V 0 + V ) qn d ε A 2 (16) Fra stigningstallet til grafen i Figur 16 kan dopingkonsentrasjonen beregnes ved Likning 17. Det fås da en dopingkonsentrasjon N d = cm 3. d dv ( C 2 ) = 2 qn d ε A 2 (17) Figur 22: C V diagram for en diode med diameter d = 1mm. 12

14 Barrierehøyden Φ B kan beregnes fra Likning 18 der det antas full ionisering av dopanter samt at det intrinsiske ferminivået ligger midt i båndgapet. Barrierehøyden blir her beregnet til Φ B = 0.725V basert på verdier fra C V diagrammet i Figur 22. Φ B = 1 E g 2 q + V 0 kt q ln [ Nd n i ] (18) Deplesjonssonen W gitt reversspenning V rev ble beregnet fra Likning 13 hvor resultatet er vist i Figur 23. Potensialbarrieren Φ B har blitt beregnet fra både I V og C V diagrammet, resultatene ble Φ B = 0.7V og Φ B = 0.73V respektivt som ligger relativt tett og indikerer en potensialbarriere i dette området. Kontaktpotensialet V 0 er også logisk opp mot Φ B da det kan ses fra Figur 17 at V 0 < Φ B. Dopingkonsentrasjonen ble beregnet fra både reisititeten ρ og kapasitansen C hvor dopingen ble N d = cm 3 og N d = cm 3 respektivt som også indikerer en dopingkonsentrasjon i dette området. Del IV Konklusjon Det er blitt syntesert et sett transistorer av type MOSFET og et sett Schottkydioder paralelt over fire uker. Komponentene er til slutt testet og det ble funnet flere defekte komponenter. Figur 23: Graf over bredden til deplesjonssonen i en schottkydiode med diameter d = 1mm, basert på eksperimentelle data. 16 Diskusjon Fra Figur er det lett å se at dioden i lys gir en økt lekkstrøm på omtrent to størrelsesordner høyere enn den ubelyste. Dette kan forklares ved at lyset eksiterer elektroner opp fra metallets ferminivå og opp barrieren. Der vil elektronene følge potensialet og totalt danne en høyere lekkstrøm enn om dioden ikke var belyst. Schottkydioden oppfører seg relativt likt hva teorien predikterer, selv med en idelitetsfaktor η = 1.19 som vil si at det er en relativt ideell diode opp mot η = 1. Transistorene som fungerte var typisk på, som kalles depletion mode. Én transistor, med L = µm og Z = 80µm ble brukt til beregninger da denne hadde en oppførsel som lignet mest på teorien. Terskelspenning en målt var V T = 0.73V som strider med den teoretiske V T = 0.98V, det antas derfor at spenningen for å nå flate bånd er i området Φ ms 1.7V, større negativ en teoretiske verdier Φ ms = 0.84V. Det antas også at dette kan komme fra anhealing av metallkontakter eller metalldeposisjon på en uren overflate. Et I D diagram og et C V diagram ble laget for en schottkydiode med d = 1mm. Det ble beregnet at idealitetsfaktoren var η = 1.2 og at barrierehøyden var tett på Φ B = 0.7V med et kontaktpotensiale V V. Laboratorieoppgaven har gitt god innsikt i produksjon av elektroniske komponenter med tanke på praktisk gjennomføring og feilkilder. Tolkningen av måleresultatene har gitt en dypere forståelse for teorien og hvordan eksperimentelle målinger kan avvike fra denne. 13

15 Referanser [1] David J. Monk, David S. Soane og Roger T. Howe. A review of the chemical reaction mechanism and kinetics for hydrofluoric acid etching of silicon dioxide for surface micromachining applications. I: Thin Solid Films (1993), s issn: doi: http: / / dx. doi. org /. 16 / (93 ) B. [2] UiO MiNaLab. Online, Visited at url: http : / / www. norfab. no / lab - facilities/uio-minalab/. [3] Bart J. Van Zeghbroeck. Flat Band Voltage Calculation. Online, Visited at url: book/flatband.htm. 14