Analytische Modellierung und Weiterentwicklung von monolithisch integrierten 900 V Silizium RC-Snubbern
Internally funded project
Start date : 01.07.2023
Project details
Short description
Eine Verringerung der Schaltzeiten von Leistungshalbleitern ist eine wesentliche Maßnahme zur Reduzierung der Schaltverluste in Leistungsmodulen in denen (U)WBG-Transistoren genutzt werden. In konventionellen Modulen können jedoch parasitäre Induktivitäten durch hohe Schaltgeschwindigkeiten zu Überspannungsspitzen und „Ringing“-Effekten führen, welche Schäden anderer Bauelemente im Leistungsmodul zur Folge haben können. Ein dissipativer, monolithisch in Silizium integrierter, RC-Snubber (in Reihe geschalteter Widerstand R und Kondensator C) kann solche Überspannungen absorbieren und Oszillationen effektiv dämpfen, was Schäden verhindern und kürzere Schaltzeiten ermöglichen kann. Solche Si RC-Snubber können direkt in das Leistungsmodul integriert werden, was die Nutzung konventioneller Modulaufbauten und Wärmemanagement ermöglicht.
Die Herstellung dieser Si RC-Snubber ist durch die Dicke der dielektrischen Schichten, sowie einer einseitigen Oberflächenvergrößerung (Lochstrukturierung zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators) aus thermo-mechanischer Sicht herausfordernd und z.T. starke Waferverbiegungen können eine Prozessierung der Halbleiterscheiben erschweren oder verhindern. Um dieses Problem zu lösen und gleichzeitig die Durchbruchfestigkeit bei gleichbleibender Kapazität zu erhöhen, soll in diesem Projekt ein neuer dielektrischer Stapel entwickelt und der Ladungstransport durch diesen verstanden und analytisch modelliert werden.
Das Forschungsprojekt wird im Rahmen eines LEB-Promotionsvorhabens in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) bearbeitet.
Scientific Abstract
Eine Verringerung der Schaltzeiten von Leistungshalbleitern ist eine wesentliche Maßnahme zur Reduzierung der Schaltverluste in Leistungsmodulen in denen (U)WBG-Transistoren genutzt werden. In konventionellen Modulen können jedoch parasitäre Induktivitäten durch hohe Schaltgeschwindigkeiten zu Überspannungsspitzen und „Ringing“-Effekten führen, welche Schäden anderer Bauelemente im Leistungsmodul zur Folge haben können. Ein dissipativer, monolithisch in Silizium integrierter, RC-Snubber (in Reihe geschalteter Widerstand R und Kondensator C) kann solche Überspannungen absorbieren und Oszillationen effektiv dämpfen, was Schäden verhindern und kürzere Schaltzeiten ermöglichen kann. Solche Si RC-Snubber können direkt in das Leistungsmodul integriert werden, was die Nutzung konventioneller Modulaufbauten und Wärmemanagement ermöglicht.
Durch eine Lochstrukturierung des Siliziums kann die effektive Oberfläche und damit die Kapazität des Kondensators vergrößert werden. Bei der Abscheidung der dielektrischen Schichten (Siliziumdioxid, stöchiometrisches und „stressfreies“ Siliziumnitrid) auf diese Oberfläche entstehen jedoch hohe thermo-mechanische Spannungen, welche die Siliziumhalbleiterscheibe verbiegen können und einen Prozessierung erschweren oder unmöglich machen. Bei einer Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit bei gleichbleibender Integrationsdichte (Kapazität), muss außerdem gleichzeitig die Dicke der dielektrischen Schicht als auch die Oberflächenvergrößerung, also Lochtiefe, erhöht werden, was zu noch größeren Spannungen führt. Um diese Problematik zu lösen, soll in diesem Projekt ein neuer dielektrischer Schichtstapel bestehend aus thermisch gewachsenen Siliziumdioxid und stöchiometrischen Siliziumnitrid so designt werden, dass die mechanischen Spannungen reduziert werden und eine Herstellung der RC-Snubber mit erhöhter Durchbruchfestigkeit ermöglicht wird. Gleichzeitig soll der Ladungsträgertransport durch die einzelnen Schichten, sowie den gesamten Schichtstapel, inklusive eingefanger Ladungen und die Verteilung des elektrischen Feldes verstanden und analytisch modelliert werden.
