Profiling of. Dopant Imaging and. Wide Bandgap SemiconductorDevices. accepted on the recommendationof. presented by. Diss. ETH No.

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Marilena Mazza
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1 Diss. ETH No Dopant Imaging and Profiling of Wide Bandgap SemiconductorDevices A dissertation submitted to the SWISS FEDERALINSTITUTEOF TECHNOLOGY ZÜRICH for the degree of Doctor of Technical Sciences presented by MARCO BUZZO Laurea in Ingegneria Elettronica, Universitä degli Studi di Cagliari born August 7, 1974 Citizen of Italy accepted on the recommendationof Prof. Dr. W. Fichtner, examiner Dr. V. Raineri, co-examiner 2007

SWISS FEDERALINSTITUTEOF TECHNOLOGY ZÜRICH for the degree of Doctor of Technical Sciences presented by MARCO

2 Abstract The development of advanced power electronic devices is a key re quirement for the efficient use of the available energy resources and to reduce the environmental impact. Silicon (Si) technology is the most advanced and mature technology for power electronics even if it presents difficulties meeting the demands for some high-power utility applications as a result of limitations in the intrinsic material prop erties. The superior electrical characteristics of wide-band-gap semi conductor materials motivate the development of new technological Solutions. In particular, Silicon Carbide (SiC) represents a promising emerging technology. The physical characterizationmethods well established on Si are not straightforward to apply to wide-band-gap materials. In this framework the accessibility of dopant distribution represents a key point for the development of new devices. This work considers Scanning Capacitance Microscopy (SCM) as the Standardtechnique for dopant profiling of Silicondevices, it presents some cutting-edge applications and its limits on SiC. In addition, it proposes Secondary Electron Potential Contrast (SEPC) as new method for the characterization of devices based on wide-band-gap semiconductors. The first thematic section describes the physics of the SCM sig nal and the practical analysis of cross-sectional samples. Different approaches to sample preparation are proposed and their limits are discussed with respect to the SCM measurements. The potential of SCM have been assessed with innovative analyses on Si superjunction devices which have been fabricatedusing proton implants and boron implantations at very high energy. The limits of this technique in v

limitations in the intrinsic material prop erties. The superior electrical characteristics of wide-band-gap semi conductor materials motivate the development of new technological Solutions.

3 vi Abstract measuring SiC sample are exposed in conjunction with the surface condition. In the second thematic section, SEPC is proposed as a new method for dopant profiling and imaging. The mechanism behind the contrast is based on the effect of local surface potentials on the secondaryelec trons (SE) emitted during scans using the Scanning Electron Micro scope. SE are either repelled from or attracted to the sample depend ing on the potential at the emission site. If an energy filter is used, the resulting image in grey-levels represents a map of the local poten tials. Potential distributions at the semiconductorsurface are caused by a number of phenomena including doping, self-bias, surfacestates, Scratches, and contaminations. Two-dimensional device simulations confirm that doping in particularbecomes the dominant source effect for the case of wide-band-gap semiconductors. The collected signal can be related to the doping level enabling a quantitative analysis of the sample under investigation with a very high doping accuracyand capable to locate electricaljunctions. The impact on the image qual ity of relevant factors such as experimentalconditions, surface effects, and sample preparation is discussed with dedicated experimentson specific test-structures. The capabilities of the technique are finally evidencedby the analysis of commercial and prototypepower devices. The third thematic section proposes a quantitativecomparison of the performance between SCM and SEPC applied to two different power devices based on Si and SiC. The analysis of a superjunction evidences the inconvenience of SEPC in characterizingsi structures due to the low built-in potential. On the other side, the SCM anal ysis of a SiC MOSFET is hindered by the difficulties in the sample preparation which are mainly related to the very high hardness of the sample. The peculiarity of SEPC to depend on local electric field on the surface of the sample and it excellent lateral resolutionevidence the fact that it can be used to observe the potential distribution in a wide ränge of different cases. As outlook the characterizationof photonic devices is discussedwith special focus on Vertical CavitySurface has been Emitting Laser and Quantum Wells (QW). In particularit demonstrated that alteration of the potential distribution occurring in QW due to the electron confinement, can be mapped by SEPC opening up the way to new investigation possibilities.

SE are either repelled from or attracted to the sample depend ing on the potential at the emission site.

4 Riassunto Lo sviluppo di un'elettronicadi potenza avanzatae un elementochiave per l'uso efficiente delle risorse energetiche disponibili e per ridurne l'impatto ambientale. La tecnologia del Silicio (Si) e la piü avanzata e matura per l'elettronica di potenza anche se incontra difficoltä in alcune applieazioni di alta potenza a causa dei limiti intrinseci del materiale. Le caratteristiche elettriche superiori dei semiconduttori ad ampio band-gap motivano lo sviluppo di nuove soluzioni teenologiche. In particolare il Carburo di Silicio (SiC) rappresenta la piü promettentetecnologia emergente. I metodi di caratterizzazionefisica affermatisi su Si non sono di immediata applicabilitä su materiali ad ampio band-gap. In quest'ambito accedere alle distribuzioni di drogaggio rappresenta un punto chiave per lo sviluppo di nuovi disposi tivi. Questo saggio tratta la Scanning CapacitanceMicroscopy (SCM) in qualitä di teenica Standard per lo studio dei profili di drogaggio di dispositivi in Si, presenta alcune applieazioniavanzate e descrive i sui limiti su SiC. Infine viene proposto Secondary Electron Potential Contrast (SEPC) come un nuovo metodo per la caratterizzazionedi dispositivi basati su semiconduttori ad ampio band gap. La prima parte descrive la fisica del segnale SCM e l'analisi dei campioni sezionati. Diversi approcci alla preparazione dei campioni sono proposti, i cui limiti vengono discussi rispetto alle misure SCM. Le potenzialitädella teenica sono evidenzate grazie ad innovative anal isi su dispositivi a supergiunzione, fabbricati utilizzandoimpiantazioni protoniche e impiantazione di boro ad altissimaenergia. I limiti della teenica nella misura di SiC sono esposti in relazione alle condizioni della superficie dei campioni. vn

Le caratteristiche elettriche superiori dei semiconduttori ad ampio band-gap motivano lo sviluppo di nuove soluzioni teenologiche.

5 viii Riassunto Nella seconda parte SEPC e proposta come nuovo metodo per mappare e profilare la distribuzionedei drogaggi. II meccanismo del contrasto si basa sull'effetto dei potenziali superficialisugli elettroni secondari (SE) che vengono emessi durante una analisi con il microscopio a scansione elettronica. I SE vengono repulsi o attratti dal cam pione a seconda del Potenziale del punto di emissione. Se si utilizza un filtro energetico, si ottiene un'immagine in livelli di grigio che rap presenta una mappa del Potenziale locale. La sua distribuzionesulla superficie del semiconduttorepuö essere dovuta a diversi fenomenitra cui drogaggio, self-bias, stati di superficie, danni e contaminazioni. Simulazioni di dispositivo bidimensionali confermano che nel caso di semiconduttori ad ampio band-gap il drogaggio e in particolare la causa dominante. II segnale misuratopuö essere messo in relazione al livello di drogaggio, permettendo una analisi quantitativa del campi one sotto esame, con una elevataaccuratezza in termini di drogaggio, in grado di localizzare la giunzione elettrica. L'impatto sulla qualitä dell'immagine di fattori quali condizionisperimentali,effetti di super ficie e preparazione del campione, vengono discussi con esperimenti dedicatie specifiche strutturedi test. Le potenzialitädi questa teenica sono in conclusione messe in evidenza mediante l'analisi di dispositivi di potenza commercialie prototipi. La terza parte propone un confronto quantitativo delle Perfor mance di SCM e SEPC applicate a due diversi dispositivi basati su Si e SiC. L'analisi di una supergiunzione evidenzia gli inconvenienti che si possono fronteggiarequando SEPC e usata per strutture in Si, principalmente a causa del suo basso Potenziale di built-in. D'altro canto l'analisi SCM di un MOSFET in SiC e complicatadalle difficoltä nella preparazione del campione, che sono principalmente dovute alla durezza del campione. La caratteristica di SEPCdi dipenderedal campo elettrico locale alla superficie del campione e la sua eccellente risoluzione evidenzia il fatto che puö essere usata per osservare la dis tribuzione del Potenziale in una ampia gamma di casi. Come prospet tiva futura viene discussa la caratterizzazionedi dispositivi fotonici con una particolareattenzione per Vertical Cavity Surface Emitting Laser e Quantum Wells (QW). In particolare viene dimostrato che l'alterazione della distribuzionedel Potenziale che avviene nelle QW a causa del confinamento elettronico, puö essere mappato mediante SEPC, aprendo la strada per nuovi tipi di studi.

I SE vengono repulsi o attratti dal cam pione a seconda del Potenziale del punto di emissione.

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