Ziel der Entwicklung

Es sollten aufbauend auf dem umfangreich vorhandenen Wissen über durch UV Strahlung generierte Defekte in der Silizium-basierten Technologie, die auftretenden Degradationseffekte durch UV Strahlung in Silizium, Siliziumoxid und an der Grenzfläche genau untersucht werden. Wesentlich ist dabei die Defektdynamik unter verschiedenen Bedingungen (Temperatur, Intensität, Wasserstoffgehalt). Diese Dynamik sollte für Defekte, die durch UV Bestrahlung erzeugt werden, wie zum Beispiel die freie Siliziumbindung in SiO2, die freie Sauerstoffbindung (non-bridging oxygen hole centers NBOHC) und die freie Sauerstoffbindung am Sauerstoffdimer (peroxy radical POR) analysiert werden. Für die Analyse dieser Defekte, deren Abhängigkeiten und deren Dynamik sollten Ladungsträgerlebensdauermessungen, Tieftemperatur-Photolumineszenz-Spektroskopie (TTPL) und elektrische Methoden verwendet werden. Dabei wurden die Degradationsexperimente mit einer Laserquelle durchgeführt.
Nach einer Modellbildung für die Defektdynamik unter UV Bestrahlung in den entwickelten Teststrukturen sollte das Modell und die eingestellte Defektdynamik an Hand von UV Detektoren validiert werden. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Voraussetzungen (Modell, design rules) zu schaffen, UV Detektoren auf Basis der Siliziumtechnologie herzustellen, die ein stabiles Degradationsverhalten unter UV Bestrahlung aufweisen.

Vorteile und Lösungen

Im durchgeführten Forschungsvorhaben wurde systematisch vorgegangen, um die gestellten Aufgaben zu lösen. Zunächst wurden die Komponenten für den Aufbau des Messplatzes beschafft, wie zum Beispiel der UV Laser. Damit wurde dann der Messplatz zur Degradation unter UV-Bestrahlung von UV-Fotodioden aufgebaut und erste Tests durchgeführt. Insbesondere die Laserstabilität ist für die Untersuchung der UV-Fotodioden äußerst wichtig. Daher wurde überprüft, unter welchen Bedingungen der Laser stabil emittiert. Es konnte gefunden werden, dass er eine Einlaufzeit von etwa 2 Stunden benötigt. Danach läuft er stabil.
Als nächstes wurde die Defektdynamik mit Hilfe der Simulation analysiert. Dabei konnte für ein System mit sieben Zuständen die Degradationskinetik durch Lösen des Differentialgleichungssystems veranschaulicht werden. Diese Komplexität der Degradation konnte durch Literaturrecherche untermauert werden. Weiterhin wurden Devicesimulationen auf der Basis von PC1D und Atlas durchgeführt. Die Notwendigkeit eines flachen p-n-Überganges wurde dabei manifestiert. Zudem wurden zwei Konzepte zum Aufbau von UV selektiven Fotodioden vorgestellt und die Diffusionsprofile der einzelnen Dotanden wurden simuliert. In einem speziellen Fall wurde durch geeignete Wahl von zwei p-n-Übergängen eine im sichtbaren Bereich blinde UV-Fotodiode konzeptioniert und simuliert. Dabei wird durch eine Wannenstruktur ein zweiter tiefliegender p-n-Übergang konstruiert. An diesen werden die durch das sichtbare Licht generierten Elektronen-Loch-Paare abgesaugt und können daher nicht zum Strom im ersten und flachen p-n-Übergang beitragen. In der Konsequenz hat man zwei Dioden, die in unterschiedlichen Bereichen sensitiv auf die einfallende Strahlung sind.
Zusätzlich zum UV Degradationsmessplatz wurden verschiedene Messmethoden getestet auf deren Einsatzfähigkeit zur Qualifizierung der UV-Degradation. Darunter zählen die Deep level transient spectroscopy, Ellipsometriemessungen, Tieftemperatur-Photolumineszenz (TTPL)-Spektroskopie und Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR). Bei den TTPL Messungen konnten in den Spektren nach UV-Degradation zwei zusätzliche Peaks gefunden werden, die auf die UV-Degradation zurückgeführt werden konnten. Die ESR Messungen ergaben ein Signal in speziell präparierten Siliziumproben, das vergleichbar mit einem aus der Literatur bekannten Signal war. Es konnte dadurch ein erster Hinweis auf einen speziellen Defekttyp, der der Degradation zu Grunde liegt, gefunden werden.
Quanteneffizienzmessungen wurden an degradierten und nicht degradierten Proben durchgeführt. Die Veränderung der Quanteneffizienz war deutlich zu erkennen. Weiterhin wurde die Quanteneffizienz an Dioden mit doppeltem p-n-Übergang bestimmt. Eindrucksvoll konnte die Wirkungsweise des doppelten p-n-Überganges belegt werden. Die erste Diode des flachen p-n-Überganges zeigte eine signifikante Quanteneffizienz bis 500 Nanometer. Im sichtbaren Spektrum darüber hatte sie eine Quanteneffizienz von <10 Prozent. Die zweite Diode hatte eine signifikante Quanteneffizienz erst ab 400 Nanometer.
Die entwickelten UV-Fotodioden wurden im Forschungsvorhaben in einem Prozessrun prozessiert. Variiert wurde die Streuoxiddicke, was einen Einfluss auf das Arsenkonzentrationsprofil und damit auf die Grenzflächeneigenschaften hat. Die prozessierten Dioden wurden umfangreich mit dem im Forschungsvorhaben entwickelten und aufgebauten UV-Degradationsmessplatz vermessen.
Es wurde festgestellt, dass die UV-Degradation der Dioden einen einfach exponentiellen Verlauf nimmt, so dass sich das komplexe Differentialgleichungssystem auf eine Differentialgleichung zur Beschreibung der UV-Degradation reduziert. Um die UV-Degradation genauer zu untersuchen und die zu Grunde liegenden Defektmechanismen zu analysieren, wurden temperaturabhängige UV-Degradationsmessungen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die UV-Degradation nicht von der Temperatur der UV-Fotodiode abhängt. Der zu Grunde liegende Defektmechanismus muss also ein athermaler Prozess sein. Hier gibt es beispielsweise Ladungsträgerrekombinations-unterstützte Prozesse, bei denen eine Defektreaktion nur abläuft, wenn die Energie für die Reaktion durch einen Ladungsträgerrekombinationsprozess zur Verfügung gestellt wurde. Es konnte eine temperaturunabhängige Zeitkonstante des einfach exponentiellen Abklingens des Fotostromes von 4600 s für die UV-Degradation bestimmt werden.
Für eine Prozessvariation konnte mit dem entwickelten UV-Degradationsmessplatz keine UV-Degradation festgestellt werden. Dies war die Versuchsgruppe mit 60 nm Streuoxid und nur einem p-n-Übergang.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das CiS ist in der Lage, einen vollständigen Entwicklungs- und Fertigungsprozess für kundenspezifische Mikrosystem-Chips anzubieten. Dies ist besonders für innovative klein- und mittelständige Unternehmen attraktiv. Mit den Projektergebnissen wurden die Kompetenz der kunden-/ applikationsspezifischen Auslegung von Detektoren im Allgemeinen und besonders bezüglich der Entwicklung und Realisierung von UV-Detektoren erhöht. Die Entwicklungs- und Fertigungsprozesse können zuverlässiger und effektiver gestaltet werden.
Das Forschungsziel des Vorhabens unterstützt damit die Vermarktungsstrategie des CiS,
• zuverlässige Modelle für Design und Simulation bzw. Systemsimulation,
• die Schaffung von technologischen Plattformen,
• die Kombination von verschiedenen ergänzenden Mikrotechnologien,
• große Flexibilität bzgl. der Systemgestaltung (bes. des Funktionsumfangs) und
• die Bereitstellung einer Entwicklungsplattform (Design-Rules).
Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit gehören zu den wichtigsten technischen Anforderungen der Kunden in der Prozessmesstechnik bspw. in der chemischen Industrie, den physikalischen Großexperimenten, aber auch in FuE-Laboren sowie Test und Messtechnikapplikationen. Die angestrebte bessere Prognose von Entwicklungsergebnissen in Abhängigkeit von dem untersuchten Zusammenspiel von Eigenschaften der eingesetzten neuartigen Detektoren sowie Aufbau- und Verbindungstechnik und des Systemdesigns ermöglicht eine zielgerichtete, verbesserte Spezifikation der Entwicklungsziele von Sensoren. Dadurch werden kundenspezifische Lösungen befördert. Die Schnittstelle zwischen Entwicklungsdienstleister und besonders der mittelständischen Industrie kann ausgehend von den Entwicklungsergebnissen wesentlich effektiver gestaltet werden. Das hohe Risiko für den Einsatz neuester Ergebnisse aus der physikalischen Grundlagenforschung wurde mit dem Projekt deutlich gesenkt und damit die Tür für konkrete Entwicklungsprojekte zwischen CiS und den entsprechenden Industriepartnern geöffnet.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konnte ein Vortrag auf der GADEST Konferenz 2019 (Gettering and defect engineering in semiconductor technologies) gehalten werden. Zudem wurde ein Paper in einer referierten Fachzeitschrift veröffentlicht.