Nanostrutture Funzionali per Dispositivi Microelettronici

The growing dependence of modern society on electrical devices employed in computer, telecommunications, and automotive industries has benefited from great advances in power generation, distribution, and management technologies. The development of power electronics technologies has always been towa rds achieving higher power density, higher efficiency, lower size and weight, and higher integration density, while respecting, simultaneously, strict cost and production constraints. The introduction of wide bandgap semiconductor materials has been a revolutionary development in the field of power devices. One of the most promising materials is silicon carbide in virtue of its superior properties, such as high dielectric strength, large critical electric field, high thermal conductivity, high saturation dr ift velocity, and the ability to operate in harsh environments. For these reasons, SiC-based devices are mainly used for the manufacturing of high frequency and high power devices. The first part of this work is focused on the development, fabrication, and characterization of a 4H-SiC trench employed in the manufacturing of the new generation of the SiC power Trench Gate MOSFET in STMicroelectronics. The production of the 4H SiC trench has been performed through a fluorine-based plasma etching process on th e SiC substrate. More specifically, the experimental etching process conditions have been optimized to achieve morphological and geometrical features which make 4H-SiC trench suitable for the manufacturing of the power device. The second part of this work is dedicated to the optimization of the Ar plasma cleaning treatment, exploited on the surface of a polybenzoxazole film used as a dielectric polymer, in order to increase the reliability of the microelectronic packaging process phase. In particular, this process step, performed before the packaging phase of the microelectronic device, is employed to remove the presence of contaminant species from the device surface and roughen the polymeric surface on the nanometric scale to improve the adhesion between th e dielectric polymer and the other components of the microelectronic package. In conclusion, the experimental results obtained in this work will be transferred and employed to improve the manufacturing process in order to maximize the performance of the p ower SiC Trench Gate MOSFET still in the development phase.

Lo sviluppo dell’elettronica di potenza è volto al raggiungimento di una maggiore densità di potenza, maggiore efficienza del dispositivo, dimensione e peso ridotti, maggiore densità d’integrazione, rispettando, simultaneamente, rigidi vincoli dettati dai costi di produzione. L’introduzione di semiconduttori ad ambio band-gap ha rappresentato un rivoluzionario sviluppo nella produzione dei dispositivi di potenza. Uno dei materiali più promettenti è il carburo di silicio in virtù delle sue proprietà quali, elevata rigidità dielettrica, ampio campo critico, elevata conducibilità termica, alta velocità di deriva, e capacità di operare in ambienti difficili. Pertanto, il carburo di silicio è stato impiegato per la produzione di dispositivi ad alta frequenza e potenza. La prima parte del lavoro presente all’interno di questa tesi è stata incentrata sullo sviluppo, fabbricazione, e caratterizzazione di un 4H-SiC trench impiegato nella nuova generazione di SiC Trench-gate MOSFET di potenza prodotta da STMicroelectronics. La produzione del 4H-SiC trench è stata realizzata mediante un processo d'incisione al plasma. Le condizioni di processo sono state ottimizzare al fine di ottenere le caratteristiche geometriche e morfologiche necessarie per la fabbricazione del dispositivo di potenza. La seconda parte del lavoro presente in questa tesi è stata dedicata sull’ottimizzazione del processo di Argon plasma su un film di polibenzossazolo, impiegato come polimero dielettrico, al fine di accrescere l’affidabilità relativa alla fase di confezionamento del dispositivo. Tale processo, eseguito prima della fase di confezionamento del dispositivo microelettronico, viene utilizzato sia per rimuovere la presenza di specie contaminanti eventualmente presente sulla superficie del dispositivo che per rendere più rugoso il polimero dielettrico, su scala nanometrica, per migliorare l’adesione fra il polimero e gli altri componenti del packaging. In conclusione, i risultati sperimentali ottenuti e mostrati all’interno del presente lavoro saranno impiegati per migliorare per massimizzare le prestazioni del dispositivo SiC Trench-gate MOSFET di potenza ancora in fase di sviluppo.