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Entwicklung eines Hochtemperatur-Trench-Kondensators mit Hilfe von Methoden der Atomlagenabscheidung

Dietz, Dorothee

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines Hoch-temperatur-Trench-Kondensators. Im Bereich der Tiefenbohrung, der Raumfahrt oder auch der Automobilindustrie werden immer mehr passive Komponenten benötigt, die einer Betriebstemperatur von bis zu 300 °C standhalten. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Kondensator zu entwickeln, welcher bei höheren Temperaturen einen geringen Leckstrom zeigt und gleichzeitig eine Durchbruchspannung deutlich oberhalb der Betriebsspannung aufweist. Darüber hinaus soll der Kondensator aber auch einen großen Kapazitätsbelag zeigen. Gemäß der Gleichung für einen Plattenkondensator, nimmt die Kapazität mit der relativen Dielektrizitätskonstante sowie mit der Fläche des Dielektrikums linear zu und mit der Dicke der dielektrischen Schicht linear ab. Eine Reduzierung der Dicke des Dielektrikums zur Verbesserung der Kapazität ist limitiert, da im Hochtemperatur-Bereich der Leckstrom, induziert durch Defekte im Dielektrikum, mit dünner werdendem Dielektrikum dramatisch zunimmt. Somit werden die verbleibenden Parameter relative Dielektrizitätskonstante und Fläche genutzt, um bei erhöhten Temperaturen gute Eigenschaften des Kondensators zu erzielen. Um eine vergrößerte Fläche zu erhalten, wird der Kondensator 3D-integriert. Es werden mit reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) verschiedene Strukturen in das Substrat geätzt, um die Kondensatorfläche zu vergrößern. Zudem werden, statt des häufig eingesetzten SiO2 als Dielektrikum, high-k-Materialien verwendet. Die Kombination von verschiedenen Dielektrika, abgeschieden mit der Atomlagenabscheidung (ALD) und die 3D-Integration, geben exzellente Möglichkeiten, die Kondensator Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen zu verbessern. Es wird das ALD-Verfahren gewählt, da es ein sehr homogenes und konformes Abscheideverfahren ist, welches aufgrund der hohen Aspekt-Verhältnisse der geätzten Strukturen benötigt wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Prozessablauf entwickelt und die einzelnen Teilschritte optimiert. Die gefertigten Strukturen werden im Anschluss elektrisch charakterisiert. Hierbei geben Strom-Spannungs-Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen, mit unterschiedlichen Materialkombinationen und 3D-Konfigurationen Aufschluss über den jeweils fließenden Leckstrom und die Durchbruchspannungen. Kapazitäts-Spannungs-Messungen liefern den Kapazitätsbelag und die Spannungs- und Temperaturabhängigkeiten der Kondensatoren.

Subject of this thesis is the development and characterization of a high temperature trench capacitor. In the application of deep drilling, aerospace or in the automobile industry, more and more passives are needed, which have to withstand temperatures up to 300 °C. In the frame of this work, the development of a capacitor is investigated, which shows a low leakage current at elevated temperatures and a breakdown voltage sufficiently above the operating voltage at the same time. Furthermore, the capacitor shall show a large capacitance per unit area. According to the well known formula for the parallel plate capacitor, the capacitance value shows a linear increase with the relative permittivity and the area of the dielectric, respectively, and a linear decrease with the thickness of the dielectric layer. A further decrease of the thickness of the dielectric layer to enhance the capacitance per unit area is limited by the fact, that in the high temperature case the leakage current, induced by defects in the dielectric layer, increases dramatically with thinner layer. Thus, the remaining two parameters, area and permittivity, are used to get good capacitor performance at elevated temperatures. To get a preferably large capacitor surface area, the capacitor is 3D-integrated. Deep reactive ion etching (DRIE) is used to etch different structures into the substrate, to increase the capacitor area. In addition, high-k materials are used as dielectrics, instead of the common used SiO2. The combination of different dielectric materials deposited via atomic layer deposition (ALD) and the 3D-integration technique gives an excellent opportunity to enhance the capacitor performance at high temperatures. ALD is chosen, because it is a very homogenous and conformal deposition technique, which is needed due to the high aspect ratios of the etched structures. In scope of this work, the process flow is developed and every step is optimized. Subsequently, the processed structures are electrically characterized. Current-voltage measurements at different temperatures, with different material combinations and 3D-configurations give some indication of each leakage current and each breakdown voltage. Capacitance-voltage measurements give the capacitance per unit area and the voltage and temperature dependency of the capacitors.

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Dietz, Dorothee: Entwicklung eines Hochtemperatur-Trench-Kondensators mit Hilfe von Methoden der Atomlagenabscheidung. 2017.

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