Der anhaltende Trend hin zu Digitalisierung und Elektrifizierung erfordert eine kontinuierliche Leistungssteigerung von Schaltlösungen mit hoher Leistungsdichte wie Si Split-Gate Trench Leistungs-MOSFETs. Die weitere Leistungssteigerung dieser Bauteile durch herkömliche Skalierung nähert sich jedoch einer physikalischen und wirtschaftlichen Grenze und ist durch die intrinsischen Materialeigenschaften von Si begrenzt. Aufgrund der dehnungsabhängigen Ladungsträgermobilität in monokristallinen Si zeigen die funktionellen Transistoreigenschaften aber eine starke Abhängigkeit von der Gitterdehnung. „Strain Engineering“ bietet deshalb eine effektive Möglichkeit den Einschaltwiderstand RON zu reduzieren und somit die Leistung weiter zu verbessern, ohne dass eine zusätzliche Skalierung des Transistors erforderlich ist. Die Verteilung von Eigenspannungen und mechanischen Dehnungen in einem Split-Gate Trench Leistungs-MOSFET sowie deren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften sind indessen noch nicht vollständig untersucht und verstanden.
Diese Arbeit zeigt die Wechselwirkung von mechanischen und funktionellen Eigenschaften eines Si Split-Gate Trench Leistungs-MOSFETs. Zur genauen Analyse von Eigenspannungen und mechanischen Dehnungen innerhalb der komplexen MOSFET Struktur werden physikalische Messverfahren mit einer lateralen Auflösung im Nanometerbereich vorgestellt. Die Bestimmung von Eigenspannungen in den Polysiliziumelektroden wurde mittels Röntgen Nanobeugung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen geometrie-, korngrößen- und dotierungsabhängige Eigenspannungen, die in der unteren Source-Elektrode im Bereich von -65 bis -95 MPa in horizontaler Richtung und -185 bis -225 MPa in vertikaler Richtung liegen. Die obere Gate-Elektrode weist Spannungen zwischen 70 und 150 MPa in beiden Richtungen auf. Die Schubspannungen sind im Allgemeinen auf sehr niedrigem Niveau und reichen von -40 bis 20 MPa. Die Dehnungsverteilungen in monokristallinem Si wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Nanobeam Electron Diffraction (NBED) untersucht. Komplexe Dehnungsverteilungen, welche sowohl von der Struktur und Geometrie des Transistors als auch von der Dotierungsniveau im Si abhängen, wurden in einem Bereich von 1 µm2 mit einer Auflösung von 5.4 nm/pixel und einer Genauigkeit besser als 0.05 % aufgezeichnet. Außerdem wurden die gemessenen Eigenspannungen und Dehnungen mit den Ergebnissen von einer Finite Elemente (FE) Simulation verglichen, welche gute Übereinstimmungen zeigten.
Darüber hinaus wird ein neuartiges, vollständig integriertes „Strain Engineering“ Konzept vorgestellt und auf einen Split-Gate Trench Leistungs-MOSFET angewendet, der einer Durchbruchspannung von 25 V standhalten kann. Das Konzept beinhaltet thermisch gewachsene funktionelle SiO2 Dehnungsschichten, die durch partielle Oxidation in die Source- und Gate-Elektrode eingebracht werden. Der Einfluss der funktionellen Dehnungsschicht auf die Dehnungsverteilung im angrenzenden monokristallinen Si wird durch eine FE Simulation beschrieben und die resultierenden Bauteileigenschaften mittels detaillierter elektrischer Charakterisierung bewertet. Im Kanal und der Driftzone zeigt die FE Simulation stärkere Zugspannungen in Richtung des Stromflusses und stärkere Druckspannungen senkrecht dazu, was sich positiv auf die Elektronenmobilität auswirkt. Der RON der dehnungsmodifizierten Bauteile verbessert sich um bis zu 16,8 und 13.8 % bei einer Gate-Spannung VG von 4,5 und 10 V, während sich die Durchbruchspannung VBD nicht ändert. Die Einsatzspannung VTH verringert sich jedoch in Gegenwart einer funktionellen Dehnungsschicht in der Gate-Elektrode, was ebenfalls zur RON Verbesserung beiträgt. Die RON Verbesserung nimmt mit höherem Oxidanteil in den Elektroden zu und liegt im Allgemeinen auf einem höheren Niveau, wenn die funktionelle Dehnungsschicht in die Source-Elektrode eingebracht wird, wodurch hauptsächlich die Dehnungsverteilung in der Driftzone beeinflusst wird. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass die Funktionalität der Bauteile durch die Einführung funktioneller Dehnungsschichten nicht beeinträchtigt wird.
Zusammenfassend kann eine signifikante Leistungssteigerung von Split-Gate Trench Leistungs-MOSFETs als Ergebnis einer erhöhten Ladungsträgermobilität durch die gezielte Optimierung von Dehnungsvertilungen in monokristallinen Si erzielt werden. Die erfolgreiche Implementierung eines neuartigen „Strain Engineering“ Konzeptes und die Fähigkeit, Eigenspannungen und mechanische Dehnungen mit einer Auflösung im Nanonmeterbereich abzubilden, ermöglicht ein tieferes Verständnis der Wechselwirkung zwischen elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Si Split-Gate Trench Leistungs-MOSFETs, wodurch eine weitere Leistungssteigerung zukünftiger Bauteilgenerationen realisiert werden kann.