Monolithisches RC-Element für leistungselektronische Anwendungen

In der vorliegenden Arbeit wurden monolithische RC-Elemente für die Leistungselektronik entwickelt, welche den Stand der Technik in Bezug auf Bauelementeigenschaften und erwartete Herstellungskosten übertreffen. Für die Herstellung der RC-Elemente wurden Löcher in einer Siliciumscheibe erzeugt und darauf MIS-Kondensatoren durch Abscheidung verschiedener dielektrischer Schichten und einer Metallisierung aufgebaut. Zunächst wurde eine Modellbildung durchgeführt, um eine optimale Anordnung der Löcher auf der Siliciumscheibe und einen optimalen Lochdurchmesser für eine maximale Vergrößerung der Kapazität bei einer gegebenen Grundfläche zu erreichen. Durch eine Prozesssimulation wurden die geätzten Löcher insbesondere in Hinblick auf die Oberflächenrauhigkeit und die Schichteigenschaften der di elektrischen Schichten in den Löchern untersucht. Darauf aufbauend wurde eine Simulation der elektrischen Eigenschaften der RC-Elemente durchgeführt, um eine Vorhersage der elektrischen Feldverteilung und der Kapazität sowie des Serienwiderstandes der Bauelemente zu erhalten. Für die Herstellung der RC-Elemente wurde ein Prozess entwickelt und die einzelnen Prozessschritte optimiert. Insbesondere wurden die Parameter des Ätzschritts zur Erzeugung von Löchern mit hohem Aspektverhältnis in Siliciumscheiben untersucht. Die Konformität und die Inhomogenität verschiedener erzeugter dielektrischer Schichten wurde bestimmt und mit den elektrischen Eigenschaften der RC-Elemente korreliert. Die elektrische Charakterisierung der RC-Elemente erfolgte anhand der Isolatorkapazität, der Spannungsfestigk eit, des Serienwiderstandes und der Temperaturkoeffizienten der Kapazität und des Serienwiderstandes. Das erfolgversprechendste Ergebnis hinsichtlich der erreichten Kapazität und der Spannungsfestigkeit wurden mit einem dielektrischen Schichtstapel aus 15 nm SiO2 und 508 nm Si3N4 erzielt: Der Wert der Kapazität war hier 1,5 nF/mm2, die Spannungsfestigkeit lag im Breich von 500 V. Damit sind die RC-Elemente geeignet für leistungselektronische Anwendungen. Der Temperaturkoeffizient der Kapazität war hier mit 85 ppm/°C sehr gering gegenüber vergleichbaren diskret aufgebauten RC-Elementen. Weiterhin ermöglicht die niedrige parasitäre Serieninduktivität der RC-Elemente die niederinduktive Ankopplung an einen zu dämpfenden Leistungsschalter.