| Abstract | Modern semiconductor optical sensors are used in a large variety of applications, ranging from security and automotive applications to medical, scientific and space applications that require the sensors to be radiation-hard. In medical applications, such as CT scanners, the picture is created using X-rays. Unlike the visible light, X-rays generate electron-hole pairs along the whole trajectory of the particle. In most cases, the sensor is implemented as a reverse biased p-n junction with the goal of increasing the space charge region in order to efficiently collect charge by drift mechanism. There are also implementations that do not use the full depletion, but instead use special materials that have high-lifetime properties of minority carriers. This enables the generated charges to be efficiently collected by diffusion mechanism. Collected charges are further processed via the analog electronics. Finally, the picture is created via the analog-to-digital converter. In a CT scanner, there are two principles of X-ray conversion in the electrical signal: direct and indirect conversion. Direct conversion means that X-rays are directly reaching the detector structure, and the generated charges are then collected by the collecting electrode and further processed via the read-out circuitry. On the other hand, indirect conversion consists of using a scintillator membrane, which converts the high-energetic X-ray photons in the low-energetic photons of visible light that are then detected on the photodetector. Higher scintillator efficiency means that the detector efficiency increases, and additionally, lower dose is needed to achieve the same quality picture.
Radiation-induced defects degrade the sensor performance and limit the stability and the reliability of the sensors. Electrical and optical performance of the sensor is degraded, which is seen as an increase of the leakage current and reduction of spectral responsivity after irradiation. There are cumulative radiation effects and single event upsets. Cumulative effects are gradient effects, which are present over the whole lifetime of the sensor and are divided in ionizing and nonionizing effects. For example, a sensor sensitive to total-ionizing dose (TID) will show degradation after the accumulated TID surpasses the TID threshold of the device. On the other hand, single event upsets are created because the energy of a single particle is transferred to the sensitive electronic circuit. In the case of a CT scanner and X-ray detectors, only the cumulative effects are investigated, particularly the ionization effects.
Ionizing radiation is caused by charged particles and photons with high energy. Apart from generating electron-hole pairs in the silicon structure, ionizing radiation also forms charge carriers in the insulating layers (e.g. SiO2), where some of them are trapped, leading to charge buildup and creation of interface states. Initially, when charges are generated in the insulating layer, a fraction of electrons recombines with holes. The rest of the charges are separated because of the built-in electric field. Electrons are quickly swept away (in a few picoseconds) towards the collecting electrode, while the holes are moving towards the interface of the insulating layer with the silicon substrate. Fraction of unrecombined charges depend mostly on the size of the particle, or the density of generated charges. Larger particles, like protons, generate dens groups of electron-hole pairs, where the recombination rate is high and fewer charges will escape the initial recombination. On the other hand, smaller particles, like electrons and photons, generate charges in a larger spacing, where more charges will escape the initial recombination, thus leading to larger charge accumulation at the silicon to insulator interface. Inside the oxide, holes are moving by jumping through localized states, and since the mobility of the holes is much lower (105 times lower) in the oxide compared to the electron mobility, the accumulation process can be very long (~1000s). After the holes are accumulated at the interface, they could react with the passivated hydrogen atoms, creating protons that are moving along the interface, generating more protons and creating more interface states. These defects degrade the electrical and optical performance of the sensor, like leakage current increase and spectral responsivity reduction. Main parameter that describes the accumulated charges in the oxide is the density of fixed charges. Parameters that describe interface states are interface trap density, capture cross-sections for electrons and holes, energy levels in the forbidden bandgap and types of traps (acceptor or donor traps).
There are more methods for making the sensor radiation-hard. Temperature annealing between 125°C and 170°C is used to fix the damage in the oxide, but only 30% of the interface states are annealed. In most cases, processing methods are used, like highly doped shallow layers, which act as energetic barrier for the minority carriers coming from the silicon substrate. Additionally, a fully depleted epitaxial layer is used, which increases the efficiency of charge collection, because it lowers the probability for charge trapping. Structures designed in this work use special epitaxial layer with the high-lifetime property of minority carriers. This enables the charges to be efficiently collected via diffusion and reduces the space-charge region, which reduces the leakage current. Smaller space-charge region area also reduces the capacitance, while the spectral responsivity stays unchanged.
In this dissertation, radiation hardness of designed photodiodes in ams OSRAM 180 nm CMOS technology is analyzed. Reference structures are processed in 350 nm ams OSRAM technology. Four similar structures are designed with different shallow trench isolation (STI) coverage over the photoactive area. STI lines are implemented in order to allow for correct processing, as the large photoactive area was segmented into smaller regions. The photoactive area is divided into 242 N-Well islands and the surface between the islands is passivated with the highly doped shallow p-type implant. The photoactive area is surrounded with the guard ring in order to reduce crosstalk between the neighboring pixels.
Silicon wafer was divided into four quadrants. On each quadrant, a reference die is selected with respect to the total ionizing dose irradiation. Top right quadrant is the reference quadrant since it will not receive any irradiation and will be used to normalize optical measurements. In three out of the four quadrants, a shallow p-type implant below the STI was implemented in order to partially passivate that interface.
Irradiation was done on wafer-level, where each of the reference dies received TID = 100 Gy(Si), 200 Gy(Si) and 400 Gy(Si) respectively, with the constant dose rate of 100 Gy/h. Before irradiation, a laser was used to align the reference dies with the irradiation beam. After irradiation, the wafer was stored in a wafer box, which was placed in the ESD vacuum isolation bag and was stored in a cooling system in order to prevent any defect annealing.
Afterwards, the wafer was carefully transported to the optical laboratory where electrical and optical characterization was done. The measurements were done before and after irradiation, with the goal of comparing the aforementioned characteristics in order to determine the radiation hardness of the analyzed photodiodes. It is concluded that at the lifetime dose of a CT scanner, TID = 200 Gy(Si), the photodiodes are radiation-hard. After TID = 400 Gy(Si), dark current degraded 15 %, spectral responsivity 2.3 %, whereas the capacitance remained the same.
In addition to the measurement analysis, a comparison between the aforementioned structures and a reference structure fabricated in ams OSRAM 350 nm CMOS technology was presented. It was concluded that the photodiodes processed in 350 nm technology showed lower dark current and capacitance before irradiation, due to differences in processing parameters such as implant conditions, thermal budgets and steepness of the profiles, as well as the STI lines which were implemented in 180 nm technology. Photodiodes processed in 180 nm technology showed higher spectral responsivity over the observed spectrum range (400 nm – 900 nm). In addition to the technological differences, in 180 nm technology an additional thin silicon nitride layer was used, which acted as an anti-reflective coating (ARC) layer, improving the spectral responsivity
After TID = 200 Gy(Si), the dark current of the photodiodes in 350 nm technology degraded 89 %, whereas in the case of photodiodes in 180 nm technology, there was no degradation. Furthermore, after TID = 400 Gy(Si), the dark current degradation of 180 nm structures was lower than after TID = 200 Gy(Si) in the case of 350 nm structures. The capacitance of the photodiodes in 350 nm technology was lower, before and after irradiation, compared to the photodiodes in 180 nm technology. On the other hand, in 350 nm technology, the capacitance degraded 3-4 %, whereas the photodiodes in 180 nm technology were radiation hard up to TID = 400 Gy(Si). In case of the spectral responsivity, both technologies are radiation-hard up to TID = 200 Gy(Si), as the responsivity degradation was less than 1 %. Comparing the ratio of the normalized photocurrent over the dark current, it can be concluded that the photodiodes in 180 nm technology degraded 15 %, whereas the similar structures in 350 nm technology degraded 50 %. All in all, it can be concluded that the photodiodes processed in 180 nm technology were radiation-hard up to TID = 200 Gy(Si), whereas the similar structures in 350 nm technology showed large dark current degradation and small capacitance degradation.
In TCAD software, electrical and optical simulations of photodiodes in 180 nm and 3580 nm technologies were carried out. In case of the reverse-bias and capacitance-voltage characteristics, one-island cross-section was simulated. A statistical design of experiment (DoE) was implemented, which included statistical variation of physical parameters such as forbidden bandgap, mobility of minority carriers, Shockley-Read-Hall recombination and Auger recombination, in order to calibrate the simulations with the measurements. The methodology of the DoE included variation of input parameters within their physical boundaries, in order to model the observed responses (dark current and spectral responsivity) according to a quadratic equation of the input parameters. Final normalization was done by normalizing the simulated characteristics to 242 islands, which was the total amount of islands in the fabricated structures. On the other hand, the forward-bias characteristics was simulated such that also the periphery around the islands was included. Because of that, the cross-section was adjusted to take into consideration multiple neighboring islands, which were surrounded by the guard-ring.
With the similar statistical DoE, current-voltage characteristics were modeled in 180 nm technology after irradiation. In that case, the input parameters were the parameters of the total ionizing dose induced defects, such as the density of interface traps at the interface with the silicon oxide, energy levels of acceptor and donor traps, capture cross-sections of electrons and holes and fixed charges in the silicon oxide and silicon nitride layers. The model was explained on band diagram where the space charge region (SCR) reaches the interface between the silicon and the silicon oxide. It was concluded that there was an expansion of the surface SCR, since in the N-Well island, the acceptor traps were below the quasi-Fermi level for electrons. These traps more act as fixed negative charges, than the generation centers, resulting in wider surface SCR. Comparing the calibrated simulations with the measurements after irradiation, it can be concluded that in case of the dark current, the calibration was successful over a wider voltage range (0.75 V – 1.75 V), which included the operating bias condition, 1.25 V, that was determined by the read-out amplifiers. In the case of the photodiode capacitance, the visible differences between the simulations and the measurements was due to the fact that the parasitic capacitances, coming from the metallization lines and isolating oxides, was not simulated. On the other hand, the simulations also confirmed the radiation-hardness from the measurements. In the case of optical simulations, a cross-section of the STI over the shallow p-type implant (SPI) was presented, where it was concluded that the SPI improves the radiation hardness. Since the irradiation does was relatively low, the impact of the SPI was negligible on the radiation hardness. |
| Abstract (croatian) | Poluvodički optički senzori se primjenjuju u mnogim aplikacijama, poput sigurnosnih i automobilskih, pa sve do medicinskih, znanstvenih i svemirskih aplikacija gdje se zahtjeva visoka otpornost detektora na zračenje. Konkretno, u medicinskim aplikacijama poput CT skenera, za dobivanje slike se koriste X-zrake, koje za razliku od vidljive svjetlosti, generiraju parove elektron-šupljina po cijeloj putanji čestice. U većini slučajeva je senzor izveden kao zaporno-polarizirani p-n spoj sa ciljem da je osiromašeno područje čim veće, jer se time naboj brzo i efikasno skuplja putem električnog polja, odnosno mehanizmom drifta. Također postoje i izvedbe senzora koje ne koriste potpuno osiromašenje, te se u tom slučaju sakupljanje naboja obavlja putem difuzije. U tom je slučaju potrebno koristiti posebni materijal podloge sa svojstvom velikog vremena života manjskih nosilaca, čime se osigurava dovoljno dugačka difuzijska duljina kako bi se naboj efikasno skupio. Sakupljeni naboj se dalje obrađuje korištenjem analognih sklopova, te se u zadnjem koraku obavlja analogno-digitalna konverzija nakon čega se dobiva konačna slika. U CT-skeneru postoje dva principa konverzije X-zraka u električni signal: direktna i indirektna konverzija. Kod direktne konverzije, X-zrake direktno upadaju na detektor, te se generirani naboj unutar strukture skuplja putem sakupljačke elektrode i onda se dovodi na daljnju obradu signala. S druge strane, kod indirektne konverzije se koristi
scintilator, koji služi kao membrana kojom se visoko-energetski fotoni X-zraka pretvaraju u nisko-energetske fotone vidljive svjetlosti, te se oni dalje detektiraju na fotodiodi i sakupljaju te šalju na daljnju obradu signala. Što je veća efikasnost pretvorbe X-zraka u vidljivu svjetlost, time je i sama efikasnost detektora veća, a ujedno je potrebna i manja doza zračenja kako bi se postigla jednaka kvaliteta slike.
Zračenjem uzrokovana oštećenja na senzorima degradiraju performanse te limitiraju stabilnost i pouzdanost senzora. Električka i optička svojstva seznora degradiraju tim oštećenjima, te se to vidi pri porastu tamne struje i smanjenju spektralnog odziva nakon ozračivanja. Efekti zračenja se dijele na kumulativne i pojedinačne tranzijentne efekte. Kumulativni efekti su gradijentni efekti, koji su prisutni tokom cijelog radnog vijeka senzora i dijele se na ionziacijske i neionizacijske efekte. Na primjer, senzor osjetljiv na totalnu-ionizacijsku dozu (TID) će pokazati degradaciju nakon što se premaši limit akumulirane TID-e. S druge strane, pojedinačni efekti nastaju zbog prijenosa energije pojedinačne čestice na osjetljive elektroničke sklopove. U slučaju CT-skenera i detektora X-zraka, samo se kumulativni efekti promatraju, specifično ionizacijski efekti.
Ionizacijsko zračenje je posljedica interakcije nabijenih čestica i visoko-energetskih fotona sa senzorskom strukturom, uslijed čega dolazi do generacije naboja u silicijskoj strukturi, ali i u izolacijskim slojevima. Na primjer, u silicijevom dioksidu, dolazi do akumulacije naboja, te uslijed toga i do stvaranja nezasićenih kovalentnih veza na granici između dielektrika i silicija. Kada ionizacijska čestica generira naboj u oksidu, dio elektrona i šupljina se odmah rekombinira. Preostali dio naboja se razdvoji uslijed ugrađenog električnog polja, i elektroni krenu prema upravljačkoj elektrodi (unutar nekoliko pikosekundi), dok se šupljine kreću prema granici silicija i oksida. Udio nerekombiniranog naboja ovisi prije svega o veličini čestice, odnosno gustoći generiranog naboja. Veće čestice, poput protona, će generirati veće skupine manje razmaknutih naboja, a time je vjerojatnost rekombinacije veća te će manje naboja izbjeći početnu rekombinaciju. S druge strane, manje čestice poput elektrona i fotona će generirati naboje u većim razmacima, i time će više naboja izbjeći inicijalnu rekombinaciju te će se više naboja akumulirati na granici između silicija i oksida. Šupljine se unutar oksida kreću preko lokaliziranih stanja, te s obzirom da je pokretljivost šupljina u oksidu puno manja (105 puta manja) nego pokretljivost elektrona, proces akumulacije šupljina može biti dugotrajan (~1000 s). Nakon što se šupljine akumuliraju na granici između silicija i oksida, može doći do
interakcije između šupljina i pasiviziranih vodikovih atoma. Interakcijom nastaju protoni, koji se onda kreću duž međupovršine te reagiraju s drugim protonima, čime se stvaraju površinska stanja. Ti defekti degradiraju perfomranse senzora, prije svega električne i optičke parametre poput povećanja struje curenja i smanjenja spektralnog odziva. Glavni parametri akumuliranog pozitivnog naboja u oksidu, te zamki u siliciju su gustoća akumuliranog naboja, gustoća zamki, udarni presjek za elektrone i šupljine, te energetski nivo u zabranjenom pojasu i vrsta zamke (akceptorska ili donorska zamka).
Postoji više metoda kako se senzor može učiniti otpornim na zračenje. Temperaturnim procesima između 125 °C i 170 °C je moguće dobrim dijelom popraviti oštećenja u oksidu, dok se samo 30 % nezasićenih veza popravi. Češće se koriste procesne metode, poput visoko-dopiranih plitkih slojeva koji služe kao energetska barijera za sprječavanje akumulacije manjinskih nosilaca na strani silicija. Također se često koristi potpuno osiromašeni epitaksijalni sloj, čime se efikasnost skupljanja naboja poboljšava, jer se smanjuje vjerojatnost zarobljavanja naboja. U slučaju projektiranih struktura u ovom radu, koristi se poseban epitaksijalni materijal sa svojstvom velikog vremena života manjinskih nosilaca, čime se omogućava sakuplanje naboja i putem difuzije. Uz to, osiromašeno područje je vrlo maleno, čime se također smanjuje i tamna struja, a zbog manje površine p-n spoja kapacitet se također smanjio, dok je spektralni odziv ostao isti.
U ovoj disertaciji se analizira otpornost na zračenje dizajniranih fotodetektora u ams OSRAM 180 nm CMOS tehnologiji. Referentne strukture su procesirane u 350 nm ams OSRAM tehnologiji. Četiri strukture su dizajnirane, te se one razlikuju u zastupljenosti plitkog izolacijskog sloja oksida (engl. shallow trench isolation, STI) po fotoaktivnoj površini. STI linije su implenetirane kako bi se omogućilo pravilno procesiranje time što se velika fotoaktivna površina segmentirala na manje dijelove. Fotoaktivno područje je podijeljeno na 242 otoka n tipa te je površina između otoka pasivizirana visoko-dopirajućim plitkim slojem p-tipa. Na rubu fotoaktivnog područja se nalazi zaštitni prsten kako bi se smanjilo preslušavanje između susjednih pixela.
Silicijski wafer se podijelio na četiri kvadranta, te je na svakom kvadrantu definiran referentni čip ovisno o tome kojom je ionizacijskom dozom ozračen. Gornji desni kvadrant je referentni kvadrant jer taj kvadrant nije ozračen i on služi za normalizaciju optičkih mjerenja. U tri od četiri kvadranta (svi osim donjeg desnog kvadranta) je implementiran plitki p-tip sloj (engl. shallow p-type implant, SPI) ispod STI, kako bi se i ta površina djelomično pasivizirala.
Ozračivanje se provodi na razini wafera, odnosno svaki od tri referentna čipova na waferu (gornji lijevi te donji lijevi i donji desni kvadranti) su ozračeni redom sa TID = 100 Gy(Si), 200 Gy(Si) i 400 Gy(Si), konstantnom stopom od 100 Gy/s. Prije ozračivanja, laserom se uskladila zraka ozračivanja sa referentinm čipovima na waferu. Nakon ozračivanja, wafer je pospremljen u kutiju za skladištenje wafera te je ona stavljena u vakumiranu izolacijsku vreću, koja je stavljena u hladnjak kako bi se spriječilo napuštanje generiranih defekata uslijed ionizacijskog zračenja.
Nakon ozračivanja, wafer je pažljivo transportiran do optičkog laboratorija gdje se provode optička i električka mjerenja, poput strujno-naponske i kapacitivno-naponske karakteristike, te spektralnog odziva. Mjerenja su izvršena prije i poslije ozračivanja, s ciljem usporedbe prethodno navedenih karakteristika, te definiranja otpornosti na zračenje promatranih fotodioda. Zaključeno je da na životnoj dozi CT skenera, TID = 200 Gy(Si), nije došlo do degradacije promatranih karakteristika, te su fotodiode potpuno otoporne na ionizacijsko zračenje do TID = 200 Gy(Si). Nakon TID = 400 Gy(Si), tamna struja je degradirala 15 %, spektralni odziv 2.3 %, dok se kapacitet nije promijenio.
Uz analizu mjerenja je provedena i usporedba između sličnih fotodioda procesiranih u 180 nm i 350 nm ams OSRAM CMOS tehnologijama. Usporedbom karakteristika prije ozračivanja, zaključeno je da fotodiode procesirane u 350 nm tehnologiji imaju nižu tamnu struju i kapactitet, zbog razlika u procesnim parametrima poput energije implantacije, termalnog budžeta i strmine profila primjesa, te STI linija koje su implementirane u 180 nm tehnologiji. Fotodetektori procesirani u 180 nm tehnologiji imaju veći spektralni odziv, po promatralnom spektru valne duljine (400 nm – 900 nm), u odnosu na fotodiode u 350 nm tehnologiji. Uz razlike u procesnim parametrima, u 180 nm tehnologiji je dodatno korišten tanki sloj silicijeva nitrida, koji služi kao antirefletkivni sloj, čime se poboljšava spektralni odziv.
Nakon ozračivanja, tamna struja fotodioda u 350 nm tehnologiji je degradirala 89 % nakon TID = 200 Gy(Si), dok u slučaju fotodioda u 180 nm tehnologiji nije bilo degradacije. Nadalje, nakon TID = 400 Gy(Si), degradacija tamne struje fotodioda u 180 nm tehnologiji je bila manja, nego degradacija fotodioda u 350 nm tehnologiji nakon TID = 200 Gy(Si). Kapacitet fotodioda u 350 nm tehnologiji je i poslije ozračivanja niži u odnosu na fotodiode u 180 nm tehnologiji, no također je kapacitet degradirao 3-4 %, dok kapacitet fotodioda u 180 nm tehnologiji nije uopće degradirao nakon ozračivanja. U slučaju spektralnog odziva, obje tehnologije su otporne na ionizacijsko zračenje do TID = 200 Gy(Si), jer je degradacija spektralnog odziva manja od 1 %. Uspoređujući omjer normalizirane fotostruje sa tamnom strujom, može se zaključiti da su fotodiode u 180 nm tehnologiji degradirale 15 %, dok su slične strukture u 350 nm tehnologiji degradirale 50 %. Uzevši u obzir cijelu usporedbu, može se zaključiti da su fotodiode procesirane u 180 nm tehnologiji otporne na zračenje do TID = 200 Gy(Si), dok na istoj TID fotodiode u 350 nm tehnologiji vide veliki porast tamne struje i malu degradaciju kapaciteta.
Uz pomoć TCAD software-a su izvršene električke i optičke simulacije fotodioda u 180 nm i 350 nm tehnologijama. U slučaju zaporno-polarizirane strujno-naponske karakteristike, kapacitivno-naponske karakteristike i spektralnog odziva, jedno-otočni poprečni presjek je simuliran. Implementiran je statistički dizajn eksperimenta (DoE) koji je obuhvatio razne fizikalne parametre, poput zabranjenog pojasa, pokretljivost manjniskih nosioca, Shockley Read-Hall rekombinacije te Auger rekombinacije, kako bi se provela kalibracija simulacija s mjerenjima. Metodologija DoE je uzela u obzir varijaciju ulaznih parametara unutar fizikalnih granica te su se promatrane karakteristike, poput tamne struje i spektralnog odziva, modelirale kao kvadratna jednažba ulaznih parametara. Konačna normalizacija je provedena tako što se simulirana karakteristika skalirala na 242 otoka, što je ukupni broj otoka u procesiranim strukturama. S druge strane, propusno-polarizirana strujno-naponska karakteristika je simulirana tako što se uzeo u obzir i periferni dio strukture, odnosno područje između otoka. Zbog toga je prilagođen poprečni presjek strukture, te se on sastojao od više susjednih otoka, koji su okruženi zaštitnim prstenom.
Sličnim statističkim dizajnom su modelirane strujno-naponske karakteristike fotodioda u 180 nm tehnologiji, nakon ozračivanja. U tom slučaju su ulazni parametri bili parametri zračenjem generiranih defekata, poput gustoće nezasićenih silicijskih veza (zamki) na granici sa oksidom, energetski nivoi akceptorskih i donorskih zamki, udarni presjeci elektrona i šupljina, te gustoće fiksnog naboja u oksidu i nitridu. Model je objašnjen na primjeru zabranjenog pojasa u području fotodiode gdje osiromašeno područje dolazi do granice između silicija i oksida. Zaključeno je da je došlo do proširenja osiromašenog područja uz površinu, jer je u n-otoku dio akceptorskih zamki ispod kvazi-Fermijevog nivoa. Te zamke manje sudjeluju u generacijsko rekombinacijskim procesima, a više djeluju kao dodatan fiksan naboj, što rezultira proširenjem osiromašenog područja. Usporedbom kalibriranih simulacija i mjerenja nakon ozračivanja, može se zaključiti da je u slučaju tamne struje kalibracija bila uspješna u širem naponskom rasponu, od 0.75 V do 1.75 V, te je obuhvatilo naponsku radnu točku koja je određena izlaznim pojačalima i iznosi 1.25 V. U slučaju kapaciteta, razlika između simulacija i mjerenja je vidljiva zbog toga što u simulacijama nisu obuhvaćene parazitne komponente kapaciteta, koje dolaze od metalizacijskih slojeva i izolacijskih oksida. S druge strane, simulacije također nisu pokazale porast kapaciteta nakon ozračivanja, te je time potvrđena otpornost na zračenje fotodioda u 180 nm tehnologiji. Zbog kompleksne strukture fotodioda u 180 nm tehnologiji, optičke simulacije nisu provedene, ali je prikazana usporedba poprečnog presjeka sa i bez SPI na granici između STI i silicija. Zaključeno je da SPI pomaže u poboljšanju otpornosti na zračenje, no s obzirom da je doza zračenja bila niska, njegov utjecaj nije bio značajan. |
