Dielettrici high-κ Al-based per 4H-SiC tramite Atomic Layer Deposition

Il carburo di silicio 4H (4H-SiC) è un semiconduttore ad ampio band gap che attira sempre maggiore attenzione per applicazioni in dispositivi elettronici ad elevata potenza o operanti ad alte temperature. In particolare, i metal-oxide-semiconductor field-effect transistors ottenuti su 4H-SiC (4H-SiC MOSFETs) sono già disponibili in commercio, impiegando l'ossido di silicio (SiO2) come dielettrico di gate. Tuttavia, problematiche intrinseche associate alla convenzionale interfaccia SiO2/4H-SiC, quali l'alta densità di stati interfacciali e le proprietà dielettriche non ottimali, rendono necessario lo studio di materiali isolanti di gate alternativi. La ricerca svolta durante le attività di dottorato, riassunta in questa tesi, si è concentrata sullo studio di isolanti ad ad alta costante dielettrica (high-k), alluminum-based, depositati su 4H-SiC tramite thermal e plasma enhanced-Atomic Layer Deposition (ALD). In particolare, è stata studiata la deposizione di ossido di alluminio (Al2O3), nitruro di alluminio (AlN), le loro combinazioni in stack e mixing nanometrici di Al2O3/HfO2. Le caratterizzazioni strutturali e chimiche sono state effettuate mediante ellissometria spettroscopica in-situ (SE), microscopia a forza atomica (AFM) e AFM conduttiva (C-AFM), diffrazione di raggi X ad alta risoluzione (HR-XRD), microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e TEM a scansione (STEM) accoppiata con spettroscopia a dispersione di raggi X (EDX) e spettroscopia di perdita di energia degli elettroni (EELS), fornendo informazioni sull’effetto dei diversi processi di deposizione o dei substrati durante la crescita iniziale, la uniformità di spessore, la qualità strutturale dell'interfaccia, la composizione chimica, la morfologia e la struttura cristallina dei film depositati. Le proprietà dielettriche sono state valutate e correlate con le caratteristiche strutturali tramite caratterizzazioni elettriche, come misure in tensione di capacità (C-V) e corrente (I-V) su condensatori metal-insulator-semiconductor (MIS) fabbricati a partire dai campioni depositati, o in alternativa a livello nanometrico utilizzando C-AFM. La qualità dielettrica è stata valutata in termini di cariche o stati di trappola all'interno dell'isolante o all'interfaccia con il semiconduttore, e sono state calcolate anche proprietà intrinseche come la permittività dielettrica. I risultati rivelano informazioni utili sugli effetti di diversi parametri di processo ALD e sulle proprietà strutturali ed elettriche. I processi plasma enhanced-ALD (PE-ALD) mostrano una migliore conformità delle proprietà dielettriche rispetto ai processi thermal-ALD (T-ALD) nel caso di Al2O3 su 4H-SiC, mentre una maggiore contaminazione e danneggiamento da ossigeno sono stati osservati se si utilizza AlN come strato interfaccia tra lo strato ossido e il substrato 4H-SiC. È stato dimostrato che il pulsing time del plasma influenza la selettività della fase cristallina di AlN sul substrato 4H-SiC. Infine, il bilayer Al2O3/AlN presenta una qualità dielettrica e di interfaccia migliore rispetto al singolo strato Al2O3, e i nanolaminati Al:Hf mostrano un valore di costante dielettrica modulabile controllando la composizione elementare tramite alternanza di cicli ALD diversi. Sebbene alcuni aspetti legati al comportamento dielettrico, quali l'effetto di successivi trattamenti termici e alcune problematiche di integrazione meritino ulteriori indagini, i risultati preliminari di questa tesi hanno già permesso di evidenziare il potenziale dei dielettrici Al-based ingegnerizzati tramite ALD, aprendo la strada al loro futuro impiego nella tecnologia power-MOSFET su 4H-SiC.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• GALIZIA, BRUNO

Contributors dc:contributor

• MALANDRINO, Graziella

• Atomic Layer Deposition
• ALD
• Silicon carbide
• 4H-SiC
• SiC
• Dielectric
• High-k
• High-κ
• Al2O3
• AlN
• HfO2
• Stack
• Nanolaminates
• Carburo di Silicio
• Dielettrici
• Nanolaminati

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:NON PUBBLICO - Accesso privato/ristretto
• license uri:iris.PRI01

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/685431

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/685431