Entwicklung und Charakterisierung von Trench-Gate-Strukturen für 4H-SiC Leistungs-MOSFETs

Das Ziel dieser experimentellen Arbeit ist die prozesstechnologische Umsetzung einer Trench-MOSFET-Technologie auf der Silicium-Seite von 4H-Siliciumcarbid sowie deren elektrische Charakterisierung und Bewertung hinsichtlich des optimalen Designs. Trench-MOSFETs auf 4H-Siliciumcarbid stellen aufgrund der hohen Integrationsdichte im Vergleich zu planaren MOSFETs hocheffiziente Transistoren für das Schalten von großen Strömen und hohen Spannungen dar. Die Entwicklung und Charakterisierung der Kernprozesse Trench, Trench-Nachbehandlung, Gate-Dielektrikum und dielektrische Feldplatten sowie deren Wechselwirkungen erfolgt unter Verwendung von Trench-MOS-Strukturen sowie planaren MOS-Strukturen. Neben der elektrischen Untersuchung erfolgt eine elektronenmikroskopische Charakterisierung der Kernprozesse, was aufgrund der sich ausbildenden Topographie auf den strukturierten Wafern unerlässlich ist.

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Das Ziel dieser experimentellen Arbeit ist die prozesstechnologische Umsetzung einer Trench-MOSFET-Technologie auf der Silicium-Seite von 4H-Siliciumcarbid sowie deren elektrische Charakterisierung und Bewertung hinsichtlich des optimalen Designs. Trench-MOSFETs auf 4H-Siliciumcarbid stellen aufgrund der hohen Integrationsdichte im Vergleich zu planaren MOSFETs hocheffiziente Transistoren für das Schalten von großen Strömen und hohen Spannungen dar. Die Entwicklung und Charakterisierung der Kernprozesse Trench, Trench-Nachbehandlung, Gate-Dielektrikum und dielektrische Feldplatten sowie deren Wechselwirkungen erfolgt unter Verwendung von Trench-MOS-Strukturen sowie planaren MOS-Strukturen. Neben der elektrischen Untersuchung erfolgt eine elektronenmikroskopische Charakterisierung der Kernprozesse, was aufgrund der sich ausbildenden Topographie auf den strukturierten Wafern unerlässlich ist.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein 4H-Siliciumcarbid Trench-Prozess zur Herstellung von anisotropen Gräben mit einer Flankensteilheit von ca. 89° ohne Trenching-Effekte im Trench-Boden entwickelt. Die Selektivität zur Trench-Maskierung aus Siliciumdioxid beträgt bis zu 3:1, die Ätzrate von Siliciumcarbid entspricht ca. 700 nm/min. Als optimale Trench-Nachbehandlung wurde eine Kombination aus einem Ausheilprozess bei 1500°C in Argon-Atmosphäre mit anschließender Opfer-Oxidation bei 1300°C in reinem Sauerstoff identifiziert. Der Ausheilprozess bewirkt eine Glättung des strukturierten Siliciumcarbid Wafers, wodurch sich eine ausgeheilte, defektfreie Grenzfläche zum nachfolgend eingebrachten Gate-Dielektrikum ausbildet. Die anschließend durchgeführte Opfer-Oxidation entfernt die durch den Ausheilprozess generierten, oberflächennahen Kohlenstoff-Anreicherungen auf dem strukturierten Wafer, wodurch die Stöchiometrie von 4H-Siliciumcarbid wiederhergestellt wird. Drei unterschiedliche Prozesse zur Herstellung von Gate-Dielektrika aus Siliciumdioxid wurden in dieser Arbeit untersucht und auf deren Eignung im Trench-MOSFET bewertet. Neben einem in reiner Sauerstoff-Atmosphäre gewachsenen, thermischen Gate-Oxid erfolgte die Herstellung von MOS-Strukturen mit deponiertem Siliciumdioxid und einer Kombination aus thermischem Gate-Oxid und deponiertem Gate-Oxid. Dabei wurde das deponierte Gate-Oxid als bestgeeignetes Gate-Dielektrikum hinsichtlich der Verwendung im Trench-MOSFET identifiziert. Ein fertigungsrelevanter Ansatz zur Herstellung dielektrischer Feldplatten im Trench-Boden, welche die Zuverlässigkeit von Trench-MOSFETs deutlich erhöhen, wird dargestellt.

Eine Abhängigkeit der MOS-Kanaleigenschaften von der Kristallorientierung der Trench-Seitenwand konnte nachgewiesen werden. Es wurde gezeigt, dass sowohl die Transistor-Schwellspannung als auch die maximale Feldeffekt-Elektronenbeweglichkeit deutlich orientierungsabhängig ist, was das optimale Transistor-Layout beeinflusst. Die besseren Zuverlässigkeitswerte von Gate-Oxiden auf der ausgeheilten Trench-Seitenwand im Vergleich zu planaren Oberflächen deuten auf signifikante Vorteile der Trench-Technologie hinsichtlich der Herstellung robuster Leistungshalbleiterbauelemente hin. Die geringfügig größere Grenzflächenzustandsdichte an der Trench-Seitenwand zeigt weiteres prozesstechnologisches Optimierungspotenzial auf.