Réalisation et caractérisation de contacts ohmiques sur
diamant CVD
de Fabian Gabriel Civrac, Henri Schneider, Hui Ding, Karine Isoird, J. Achard
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de Fabian Gabriel Civrac, Henri Schneider, Hui Ding, Karine Isoird, J. Achard. Réalisation et caractérisation de contacts ohmiques sur diamant CVD. XIIème colloque Electronique de Puissance du
Futur (EPF 2008), Jul 2008, TOURS, France. 5 p. hal-01002267
HAL Id: hal-01002267
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Submitted on 5 Jun 2014
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Réalisation et caractérisation de contacts ohmiques sur diamant
CVD
1
G. Civrac1, H.Schneider1, H. Ding2,3, K. Isoird2,3, J. Achard4
Université de Toulouse ; INPT ; LAPLACE ; 2 rue C. Camichel F-31071 Toulouse, France
2
CNRS ; LAAS ; 7 avenue du colonel Roche, F-31077 Toulouse, France
3
Université de Toulouse ; UPS
4
CNRS ; LIMHP ; avenue J.B. Clément F-93430 Villetaneuse, France
Dans ce papier, nous présentons nos travaux concernant la fabrication et la caractérisation de contacts ohmiques sur diamant CVD. La
première partie fait état de nos avancées concernant le dopage du diamant par implantation ionique de bore. Ensuite, nous présentons les
contacts ohmiques que nous avons déposés et caractérisés par méthode TLM. Les deux technologies envisagées, Ti/Pt/Au et Si/Al, donnent
des résistances caractéristiques de contact compatibles avec une utilisation en électronique de puissance, de l’ordre de 1.10-5 Ω.cm2. La
troisième partie traite de nos avancées dans la mise au point d’une plate-forme de simulation des dispositifs en diamant.
I. INTRODUCTION
II. LE DOPAGE PAR IMPLANTATION IONIQUE DE
Les matériaux grand gap permettent de repousser les
limites d’applications des composants d’électronique de
puissance, notamment en terme de température d’utilisation
ou de tenue en tension. Le diamant a une bande interdite de
5,7 eV [1], ce qui autorise une utilisation à haute
température. Son champ de rupture de 10 MV/cm permet la
tenue de tensions très importantes. Sa conductivité
thermique exceptionnelle (20 W/cm.K) permet une bonne
évacuation de la chaleur. Enfin, il possède de très bonnes
mobilités des porteurs électriques [2]. Ces propriétés en
font un candidat idéal pour l’électronique de puissance,
particulièrement pour des applications haute température
et/ou haute tension.
BORE
Les récentes avancées dans le domaine de la synthèse de
substrats de diamant CVD ont permis de fabriquer des
substrats de qualité compatible avec la micro électronique.
La réalisation de contacts ohmiques performants, c’est à
dire ayant une caractéristique I(V) linéaire et une faible
résistance, est une condition nécessaire à la fabrication de
bons dispositifs de puissance. Pour cela, il est nécessaire de
déposer les contacts sur du diamant suffisamment dopé. En
effet, le dépôt d’un métal sur le diamant provoque la
création d’une barrière de potentiel élevée à l’interface. Un
fort dopage de la couche de semi-conducteur permet
d’affiner cette barrière, ce qui favorise le passage des
porteurs électriques par effet tunnel [3].
Nous présentons premièrement nos travaux concernant le
dopage du diamant par implantation ionique de Bore.
Puis, nous exposons les techniques que nous mettons en
œuvre pour déposer, puis caractériser des contacts
ohmiques sur des couches de diamant fortement dopées.
Enfin, nous exposons les avancées menées dans la mise
en place d’une plate-forme de simulation performante, qui
permettrait de concevoir plus précisément les dispositifs à
base de diamant.
A ce jour, le dopage reste un verrou technologique
majeur [4].
Le dopage n n’est pas encore maîtrisé, le phosphore,
donneur le plus couramment utilisé, ayant un niveau
d’ionisation trop profond (0,6 eV). Ce niveau d’ionisation
ne garantit pas de concentration suffisante de porteurs libres
à température ambiante.
Le dopage p fait généralement intervenir le bore, dont le
l’énergie d’ionisation dans le diamant vaut 0,36 eV. Les
résultats les plus concluants concernent le dopage in-situ,
au cours de la croissance du diamant. Le dopage par
diffusion ne fonctionne pas car les coefficients de diffusion
des dopants dans le diamant sont bien trop faibles. En ce
qui nous concerne, nous travaillons sur le dopage p par
implantation ionique. L’implantation ionique a l’avantage
d’être une technique plus souple que les techniques de
dopage in-situ ou par diffusion, permettant de réaliser des
dopages localisés et ayant des concentrations précises. Elle
est indispensable à la conception de dispositifs avancés.
Toutefois, l’implantation dans le diamant est délicate.
L’une des difficultés majeures provient du fait que le
diamant, aux conditions normales de température et de
pression, est une phase métastable du carbone. Lors du
recuit post-implantation, une couche trop endommagée se
recristallise en phase graphitique, perdant ainsi la plupart
des propriétés intéressantes du diamant. La densité critique
de défauts vaut Dc = 1.1022 cm-3 [5]. De nombreuses études
sont donc menées pour minimiser la concentration de
défauts créés dans le cristal [6] ou pour trouver des
conditions de recuit favorisant la recristallisation du
diamant [7]. Le recuit post implantation lui-même n’est pas
aisé. En effet, à haute température, le diamant réagit avec
l’oxygène pour former du CO2. Les recuits postimplantation sont donc généralement effectués dans des
conditions de vide poussé.
La méthode que nous utilisons consiste à encapsuler les
échantillons de diamant dans une couche de silicium. Cette
couche permet, d’une part, de limiter la création de défauts
dans la couche de diamant lors de l’implantation, et d’autre
part, d’isoler le diamant de l’atmosphère lors du recuit. Elle
peut, en outre, être utilisée par la suite pour créer des
contacts Si/Al sur l’échantillon.
que le phénomène de graphitisation du diamant n’a pas eu
lieu.
Ici, nous avons encapsulé l’échantillon de diamant dans
une couche silicium de 100 nm d’épaisseur, déposée par
PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition),
méthode permettant de faire le dépôt à une température
suffisamment faible pour ne pas provoquer la combustion
de l’échantillon. Ensuite, nous avons effectué
l’implantation ionique à une énergie de 100 keV, à
température ambiante et en utilisant un faible courant
d’implantation. Enfin, l’échantillon a été recuit par méthode
RTP (Rapid Thermal Process) durant 20 secondes.
La figure 1 montre le profil SIMS (Secondary Ion Mass
Spectroscopy) effectué après retrait de la couche de
silicium, ainsi que la simulation SRIM de l’implantation à
travers la couche tampon. Les deux courbes concordent
bien, notamment en ce qui concerne la forme du pic
d’implantation. Cette comparaison est possible car nous
avons, au préalable, vérifié que la température de recuit
utilisée n’entraîne pas de diffusion des dopants dans le
diamant.
Il faut toutefois noter que le simulateur SRIM considère
des implantations dans des matériaux amorphes. Or,
l’énergie nécessaire au déplacement d’un atome de carbone
ou le pouvoir d’arrêt du matériau varie selon sa cristallinité.
Un travail de paramétrage du simulateur a donc été mené
auparavant.
Le pic de concentration de Bore présent, sur le profil
SIMS, juste sous l’interface silicium/diamant est en réalité
une erreur de mesure commise par le SIMS.
Figure 2 : conductance en fonction de l’inverse de la température
III. LE DEPOT ET LA CARACTERISATION DE
CONTACTS OHMIQUES
Pour le moment, les contacts déposés sur les couches de
diamant que nous avons dopées par implantation ont des
caractéristiques courant-tension symétriques mais pas
linéaires. Ceci révèle un dopage insuffisant en surface. De
nouvelles implantations seront prochainement menées pour
tenter d’incorporer les atomes dopants à des profondeurs
moindres.
Nos études concernant les contacts ohmiques sont donc
effectuées sur des couches très fortement dopées bore lors
de la croissance (dopage in-situ). Le dopage est de l’ordre
de 3.1020 cm-3. Ces couches ont été synthétisées sur des
substrats de diamant HPHT isolants.
Nous avons testé deux technologies de contacts
distinctes, des contacts Ti/Pt/Au et des contacts Si/Al.
A. Les contacts Ti/Pt/Au
La premiers contacts testés sont des contacts Ti/Pt/Au,
souvent utilisés dans la littérature. Le titane a la propriété
de réagir avec le diamant, lors du recuit des contacts, pour
créer du carbure de titane. Ceci promeut l’accroche du
contact, ainsi que son ohmicité. L’or est utilisé pour
permettre un éventuel assemblage de l’échantillon. Le
platine sert de barrière de diffusion de l’or.
Figure 1 : profil SIMS et simulation SRIM du bore incorporé dans
l’échantillon par implantation ionique
Après le recuit post-implantation, la surface de
l’échantillon est bien devenue conductrice.
La figure 2 présente l’allure d’une conductance mesurée
à la surface de l’échantillon en fonction de l’inverse de la
température. La pente de la courbe révèle une énergie
d’activation des atomes de Bore de 0.3 eV. Cette énergie
d’activation révèle une concentration de dopants activés
d’environ 2.1019 cm-3.
L’échantillon a ensuite été plongé dans un bain d’acide
sulfochromique chaud. Sa résistivité n’a pas varié, prouvant
La figure 3 présente les motifs de test TLM [8] utilisés
pour caractériser les contacts Ti/Pt/Au. Son originalité
réside dans le rapport élevé de la longueur de contact W sur
l’espacement inter-contacts Li. De cette manière, on peut
faire l’hypothèse que les lignes de courant circulant d’un
contact à l’autre sont parallèles, condition nécessaire à
l’extraction des résultats. Ici, nous avons L1 = 5 µm, L2 =
10 µm, L3 = 20 µm, L4 = 40 µm, pour W = 400 µm. La
largeur de contact vaut LC = 10 µm. Une couche de SiO2,
préalablement déposée sur l’échantillon de diamant par
PECVD. Des tranchées effectuées par gravure RIE
(Reactive Ion Etching) permettent de découpler la taille
effective des contacts sur le semi-conducteur de la taille des
métallisations déposées. Ceci est important car les
métallisations doivent être suffisamment grandes pour
pouvoir effectuer des tests électriques sous pointes. Les
métaux sont ensuite déposés par lift-off. Ils sont enfin
recuits à 500 °C pendant une heure.
Cette fois, nous avons réalisé un motif de test plus
traditionnel, faisant intervenir une gravure d’isolation de la
zone de test. La figure 5 est une photographie MEB du
motif de test terminé.
Figure 3 : a) schéma du motif de test TLM utilisé. b) coupe
schématique des contacts. c) photographie des structures réalisées
Après recuit les contacts sont ohmiques. La
caractéristique R(L) est très linéaire (fig. 4). La pente vaut :
p=
RSH
W
Figure 5 : photographie MEB du motif de test TLM Al/Si
(1)
où RSH est la résistance par carré de la couche de semiconducteur caractérisée.
L’ordonnée à l’origine vaut :
R( L = 0) = 2 RC
(2)
où RC est la résistance d’un contact.
Le process technologique utilisé est le suivant :
- Dépôt d’une couche de silicium fortement dopée bore par
PECVD.
- Recuit RTP : 1200 °C, 20 secondes.
- Dépôt Ti/Au (500 Å / 2000 Å) par lift-off. Le métal ainsi
déposé servira de masque de gravure pour les étapes
suivantes
- Gravure RIE de la couche de silicium
- Gravure RIE de la couche de diamant p+, jusqu’au
substrat HPHT. La figure 6 présente une photographie
MEB d’un des flancs de gravure réalisé. Les flancs sont
très verticaux. On peut noter une légère surgravure,
caractéristique d’une gravure énergétique.
- Retrait du masque de gravure par attaque chimique :
KI+I2 puis HF.
- Dépôt des contacts aluminium (5000 Å) par lift-off.
- Gravure RIE du silicium présent entre les contacts. Les
contacts déposés précédemment servent de masques de
gravure.
figure 4 : caractéristique extraite des mesures effectuées sur le
motif de test TLM
- Recuit des contacts : 450 °C, 20 minutes.
Les données extraites de ces mesures nous donnent une
résistivité de contact valant ρC = 1.10-5 Ω.cm-2. Ceci est
compatible avec une utilisation en électronique de
puissance.
Les deux premières étapes sont réalisées dans des
conditions très proches des dépôts de silicium précédent
une implantation ionique et du recuit post-implantation.
B. Les contacts Si/Al
Ce type de contact a été caractérisé de manière à vérifier
la faisabilité de l’utilisation de la couche de silicium
déposée durant le process d’implantation pour fabriquer des
contacts ohmiques. Toutefois, les implantations n’ont, pour
le moment, pas permis d’incorporer des concentrations
suffisantes de bore en substitution. Nous avons donc testé
les contacts Si/Al sur la couche de diamant utilisée pour
caractériser les contacts Ti/Pt/Au. Ceci permet de comparer
les deux techniques.
Les contacts ainsi fabriqués ont une caractéristique I(V)
linéaire. Ils ont une résistance caractéristique de l’ordre de
1.10-5 Ω.cm-2, tout comme les contacts Ti/Pt/Au testés
précédemment.
dans la littérature pour différentes valeurs de concentration
de porteurs libres. On peut constater une dispersion
importante des résultats et donc s’interroger sur la
pertinence des valeurs mesurées. Afin d’extraire les valeurs
des paramètres du modèle de mobilité (relation 3) utilisé
dans le logiciel nous avons donc approximé la
caractéristique µp (NA) à partir des points expérimentaux.
Les valeurs des paramètres obtenus sont présentées dans le
tableau 1.
§ −Pc · µconst − µmin 2
¸+
© Ni ¹
§ Ni ·α
1+ ¨ ¸
© Cr ¹
µ = µmin 1 .exp¨
§ T ·ξ
¸
© 300 ¹
µconst = µmax ¨
(3)
Figure 6 : photographie MEB d’un profil de gravure RIE
IV. MISE EN PLACE D’UNE PLATE-FORME DE
SIMULATION
Comme l’a démontré le développement de la filière
silicium, il est nécessaire de développer une base de
simulation avec des outils tel que SENTAURUS TCAD
pour concevoir les composants du futur à base de diamant.
La simulation avec le logiciel SENTAURUS TCAD est
basée sur la résolution d’équations du semiconducteur
(Equation de continuité des électrons et des trous et
équation de poisson). Pour cela, il est nécessaire de
s’appuyer sur des modèles physiques et des paramètres
décrivant notamment le transport de charges dans le
matériau. L‘objectif est donc, dans un premier temps, de
constituer un fichier de paramètres dont les valeurs sont
issues de la littérature, afin de réaliser les premières
simulations. Une large étude bibliographique a permis de
déterminer certains paramètres tels que la largeur de bande
interdite (Eg), le nombre de porteurs intrinsèques (ni), la
conductivité thermique (λth), la permittivité diélectrique
(εr). D’autres valeurs de paramètres sont à ce jour peu
connues ou inconnues comme celles des coefficients
d’ionisation des électrons et des trous (αn et αp)
nécessaires au calcul de la tension de claquage ou encore
celle de la durée de vie des porteurs (τn et τp) permettant de
calculer le taux de recombinaison. L’évolution de l’énergie
d’activation (EA) du bore en fonction de la concentration
de dopant est encore mal connue. En effet, pour les fortes
concentrations de dopants (Na 1020 cm-3), l’ionisation
des atomes dopants est complète [9]. Mais pour les
concentrations de bore inférieures (Na 3.1019 cm-3), on
trouve dans la littérature de multiples valeurs. Il a été
démontré que l’énergie d’activation du bore était
directement liée à la qualité des couches de diamant et
notamment au taux de compensation dû à la présence
d’azote dans ces couches [9]. Les valeurs de mobilité (µp et
µn) présentées dans la littérature ont la particularité d’être
assez inhomogènes. En effet, ce paramètre dépend
fortement des défauts présents ou non dans le matériau, il
évolue donc avec la qualité des couches obtenues. Le
dopage de type n étant encore très difficile, seule la valeur
de la mobilité des trous (µp) est étudiée. Le graphe présenté
(Fig. 7) montre les différentes valeurs de mobilité relevées
Figure 7 : Variation de la mobilité en fonction de la densité de
porteurs
Tableau 1 : Paramètres du modèle de mobilité
Paramêtre
Valeur
µmax (cm2/V.s)
1800
2
µmin1 (cm /V.s)
0
µmin2 (cm2/V.s)
0
-3
0
-3
Cr (cm )
2,78.1015
α
0,39
Pc (cm )
Le fichier de paramètres ainsi complété, nous avons
simulé la structure de test TLM utilisée pour caractériser les
contacts Ti/Pt/Au, qui est une partie d’un motif TLM
présenté précédemment (Fig. 3) Comme le montre la figure
8, les résultats obtenus par simulation avec les paramètres
de mobilités du tableau 1, sont très différents de ceux
obtenus expérimentalement. Deux paramètres peuvent être
à l’origine de l’écart observé entre résultats simulés et
résultats expérimentaux : la mobilité et la concentration de
dopants ionisés (concentration de trous). Comme nous
l’avons mentionné plus haut, la valeur de la mobilité
dépend de la qualité des couches et varie donc d’un substrat
à l’autre. De plus, la concentration de trous est aussi
largement dépendante du procédé de fabrication des
couches de diamant, qui peut induire des effets de
compensation des dopants (présence d’azote par exemple).
Nous avons donc fait varier ces 2 paramètres. Les résultats
sont présentés sur la figure 8. En dégradant de manière
significative la mobilité (division par 10), nous obtenons
des résultats plus proches des résultats expérimentaux. Mais
en faisant varier de 33 % la concentration de bore de la
couche p+ (Na = 2.1020 cm-3), nous remarquons qu’il faut
seulement diviser la mobilité par 4 pour obtenir des
résultats simulés en concordance avec les valeurs
expérimentales. Nous pouvons donc en déduire qu’il reste
encore une grande incertitude sur les valeurs des paramètres
utilisés dans le simulateur notamment concernant la valeur
de la mobilité des porteurs.
D: Applied Physics, Volume 40, Issue 20, pp. 64676478 (2007)
[5] C. Uzan Seguy, C. Cytermann, R. Brenner, V. Richter,
M. Shaanan, R. Kalish, “Damage threshold for ionbeam induced graphitization of diamond”, Applied
Physics Letters, Volume 67, Issue 9, August 28, 1995,
pp.1194-1196
[6] N. Tsubouchi, M. Ogura, A. Chayahara, H. Okushi,
“Formation of a heavily B doped diamond layer using
an ion implantation technique”, Diam. Rel. Mat., In
Press, Corrected Proof, Available online 8 December
2007
[7] K. Ueda, M. Kasu, “High-pressure and hightemperature annealing effects of boron-implanted
diamond”, Diam. Rel. Mat., In Press, Corrected
Proof, Available online 2 February 2008
[8] G.K. Reeves , H.B. Harrison, “Obtaining the specific
contact resistance from transmission line model
measurements”, IEEE Electron Dev Lett, 1982, volume
3, issue 5, pp. 111-113
[9] J.P. Lagrange, A. Deneuville, E. Gheeraert, “Activation
energy in low compensated homoepitaxial boron-doped
diamond films”, Diamond and Related Materials, 1998,
volume 7, pp. 1390-1393
Figure 8 : Comparaison simulation expérience : évolution de la
résistance en fonction de la distance inter-contacts du motif TLM.
V. CONCLUSION
Nous avons réussi à doper des couches de diamant par
implantation ionique de bore. Cependant, elles ne sont pas
suffisamment dopées en surface pour déposer des contacts
ohmiques. Nos essais de réalisation de contacts ohmiques
donnent des résultats satisfaisants pour les deux
technologies étudiées, Ti/Pt/Au et Si/Al. En outre, les bons
résultats obtenus en utilisant cette dernière nous poussent à
mener plus loin le développement de la technique
d’implantation présentée. Les simulations présentées dans
la troisième partie donnent des résultats intéressants. La
dispersion dans les propriétés physiques du matériau
données dans la littérature suggère que le matériau n’a pas
encore atteint sa maturité.
VI. RÉFÉRENCES
[1] H. Schneider, J.L. Sanchez, J. Achard, ”The diamond
for power electronic devices”, EPE'2005 - 11th
European Conference on Power Electronics and
Applications, Dresden, Germany, September 2005
[2] C.E. Nebel, “Electronic properties of CVD diamond”,
Semicond. Sci. Technol., 2003
[3] M. Yokoba, Y. Koide, A. Otsuki, F. Ako, T. Oku, M.
Murakami, “Carrier transport mechanism of ohmic
contact to p-type diamond”, Semiconductor Science
and Technology, Journal of Applied Physics, Volume
81, Issue 10, May 15, 1997, pp.6815-6821
[4] R. Kalish, “Diamond as a unique high-tech electronic
material: difficulties and prospects”, Journal of Physics