Ziel der Entwicklung

Ziel des Projektes war es, den Einfluss ausgewählter Defekte im Silizium auf elektrische Eigenschaften des Siliziums zu erforschen und darauf aufbauend ein gezieltes Defekt-engineering zur Optimierung von Sensoreigenschaften zu entwickeln. Weiterhin wurde eine Korrelation zwischen den Defektkonzentrationen und -konfigurationen im Silizium und den Eigenschaften eines Demonstrators (Strahlungsdetektor) besonders für den ASi-Sii-Defekt hergestellt. Dafür erforderliche Analysemethoden wurden entwickelt beziehungsweise angepasst.

Vorteile und Lösungen

Indem Unwägbarkeiten oder Nachteile aufgrund des Einflusses verschiedener Defekte im Siliziumkristall auf die Fertigbarkeit und Eigenschaften von sensorischen Lösungen, bei denen im Gegensatz zu CMOS auch Volumeneffekte wesentlich sind, untersucht wurden, können technologische Risiken besser vorhergesagt, Maßnahmen zum Defektengineering gezielt eingesetzt werden. Damit wird die Machbarkeit für eine Vielzahl innovativer Ansätze hergestellt oder wesentlich verbessert.
Im Rahmen der Projektarbeit wurden Untersuchungen zum ASi-Sii-Defekt an verschieden präparierten Proben vorgenommen. Der ASi-Sii-Defekt ist Ursache für die Licht-induzierte Degradation im Silizium. Das heißt, dass die Rekombination der Ladungsträger bei ständiger Beleuchtung zunimmt und damit die Ladungsträgerlebensdauer sinkt. Im Bereich der Hochenergiephysik wird Silizium als Detektormaterial verwendet. Unter der ständigen hochenergetischen Bestrahlung degradiert das Silizium. Beide Effekte, Licht-induzierte Degradation und Degradation unter Bestrahlung, wurden lange Zeit als voneinander unabhängig angesehen. Tatsächlich ist es aber so, dass der Effekt der Licht-induzierten Degradation schon 1972 von Crabb beschrieben wurde. Ihm fiel auf, dass Solarzellen nach Elektronenbestrahlung unter Beleuchtung degradieren. Im Bereich der Photovoltaik wurde dieses Paper lange Zeit vergessen und als Beginn der Forschung an der Licht-induzierten Degradation die Arbeit von Fischer und Pschunder angesehen. In dieser Arbeit wird der Einfluss von Bestrahlung auf den beobachteten Defekt nicht mehr diskutiert. Erst die Untersuchungen zur Licht-induzierten Degradation von Indium-dotiertem Silizium am CiS Forschungsinstitut führten dazu, das ein vollkommen neues Defektmodell vorgeschlagen wurde . Der darin vorgeschlagene ASi-Sii-Defekt verbindet die in den 1970’er Jahren durchgeführten Bestrahlungsversuche mit den modernen Ladungsträgerlebensdauermessungen der Photovoltaik¬forschung.
Aufbauend auf den ersten Ergebnissen und Defekt-konfigurations¬vorschlägen wurde das ASi-Sii-Defektmodell im Rahmen dieses Projektes weiter ausgebaut. Es wurden Versuchsabläufe für Temperschritte erarbeitet und erprobt, um den Defekt gezielt herzustellen und auch (vor allem während Bestrahlung) dessen Bildung zu unterbinden. Weiterhin wurden Bestrahlungsversuche durchgeführt, um zu untersuchen, in wie weit Temperaturbehandlungen und das Einbringen von Stickstoff und Sauerstoff in das Kristallgitter die Strahlenhärte von Silizium beeinflussen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Ergebnisse zielen auf eine wesentlich verbesserte Machbarkeit für eine Vielzahl innovativer Ansätze aufgrund der besserer Stabilität und Robustheit von sensorischen und mikromechanischen Siliziumkomponenten. Die Innovationskraft für neue sensorische high-end und high-stability Lösungen wurde wesentlich erhöht. Damit soll den ständig steigenden Anforderungen des Marktes und den Forderungen nach immer präziseren Sensoren bei wesentlich verbesserter Robustheit gegenüber den Einsatzbedingungen entsprochen werden, besonders bei strahlenharten Sensoren für den Einsatz in Experimenten und Ausrüstungen von Großforschungs-einrichtungen in der Hochenergie- und Schwerionenphysik.
Diese Sensoren basieren im Gegensatz beispielsweise zu CMOS-Chips auf Volumeneffekten. Das Sensorsignal wird durch Interaktionen im Siliziumkristall (bulk) mit Ladungstrennung und Transport zu den Auslesestrukturen an den Oberflächen der Chips erzeugt.
Zusätzlich wird der Siliziumkristall durch die Bestrahlung noch intensiv geschädigt, was zur Folge hat, dass eine Vielzahl von verschiedenen Defekten mit zum Teil konträren Verhalten (zum Beispiel hinsichtlich Dynamik, Reaktionen mit anderen Defekten, Ladungstrapping) das elektrische Verhalten und damit den Teilchennachweis massiv beeinträchtigen und die Lebensdauer derartiger Siliziumdetektoren extrem sinkt bzw. für die neuen Anforderungen hinsichtlich Strahlenhärte nicht einsetzbar sind.
Es wurde ein innovativer Ansatz zur Modellierung von Defektreaktionen auf der Basis der Untersuchungen des ASi-Sii-Defektes im Zusammenwirken mit Maßnahmen der bewussten Defektgestaltung, beispielsweise durch hinsichtlich Temperatur-Zeitverläufen auf andere Defekte abgestimmte Temperverfahren gewählt.
Die Weiterentwicklung des ASi-Sii-Defektmodells ermöglicht weitere Untersuchungen von verschiedenen Defekten unter einem neuen Blickwinkel. Der ASi-Sii-Defekte kann als eine Art „Marker“ dienen und durch Nachweis von Defektreaktionen in den verschiedenen Phasen des ASi-Sii Komplexes bzw. deren bessere Charakterisierung ermöglichen.
Die bereits erreichte Verbesserung der Prognose von Entwicklungsergebnissen in Abhängigkeit von dem untersuchten Zusammenspiel von Eigenschaften der eingesetzten Materialien (bes. der Waferspezifikation), Prozesstechnologie sowie Sensor-Chip- und Systemdesign hat bereits zu einer zielgerichteten, verbesserten Spezifikation der Entwicklungsziele von Sensoren beigetragen.
Das Verständnis und die Nutzbarkeit der Nitrosil-Technologie (NFZ-Wafer mittels Stickstoffanreicherung während der Kristallherstellung) wurde vorangebracht und eröffnet Wege zur Nutzung im Prototyping von extrem strahlenharten Pixel-Detektoren.
Gerade für extrem strahlenharte Detektoren bedeutet die Defektgeneration und deren Dynamik nach wie vor ein hohes technisches Risiko. Die Projektergebnisse haben einerseits einen hohen wissenschaftlichen Beitrag zum Verständnis von wesentlichen Defekten, die die Strahlenhärte bestimmen, geleistet und andererseits konnten Impulse für weitere Untersuchungen von extrem strahlenharten Pixeldetektoren, Sensoren mit innenliegenden Grenzflächen
aufgrund von zum Beispiel Wafer-Direkt-Verbünden (Waferstapel) und weiter durch Silizium-bulk beeinflusste Sensoren mit höchsten Anforderungen an die Stabilität, aufgrund der Analyse von Defektverhalten mit den weiter entwickelten Analysemethoden und Modellansätzen
gegeben werden.
Für stabilere Sensoren ist es wesentlich, das physikalische Verständnis von deren Wirkungsweise, dem Einfluss des Herstellungsprozesses und von parasitären Einflüssen auf die Stabilität und Genauigkeit und das Verständnis der Beschreibung all dieser Effekte ständig weiterzuentwickeln und zu verfeinern.
Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sind die Grundlage und werden auch zur Verbesserung der Prozess- und Technologieentwicklung genutzt.
Entwicklung und Fertigung von neuen Sensorgenerationen mit verbesserten Parametern und Stabilitäten entsprechend der zukünftigen Marktanforderungen, besonders für Strahlungsdetektoren (Teilchendetektoren für Großexperimente am CERN, FAIR und weiteren; Schwerionendetektoren, X-Ray und Gamma-Detektoren, UV-Sensorik) und hochpräzisen piezoresistiven sowie optischen Drucksensoren sowie Cantilevern, Momentsensoren und Kraftsensoren. CiS kann Partnern ausgehend von den Projektergebnissen hochspezialisierte Analysemethoden anbieten. In Verbindung mit den flexiblen Prozessierungsmöglichkeiten in der eigenen Einrichtung ist es möglich, eine große Varianz an Proben gezielt und effektiv sowie zeitnah herzustellen und zu analysieren.
Dies ist ein neuer innovativer Ansatz zur Defektanalyse und Defektengineering und wird Anknüpfungspunkte sowohl für Forschungsthemen als auch der Optimierung von Sensoren generieren.
Die erworbenen Kompetenzen sollen gezielt ausgebaut werden und in das Portfolio des Geschäftsfeldes Siliziumdetektoren als Dienstleistungsangebot Eingang finden.