Entwicklung von CMOS und CMOS kompatiblen Prozessen

Erfahrung und Prozess im Bereich der CMOS-Technologieentwicklung am Fraunhofer IMS

Das IMS besitzt mehr als 30 Jahre Erfahrung in CMOS Technologieentwicklung und hat als Entwicklungsbasis eine vollständige, professionell betriebene 200 mm CMOS-Linie  mit verschiedenen robusten CMOS-Prozessen bis zu einer minimalen Strukturgröße von 0,35 µm.

Das IMS optimiert CMOS Prozesse im Sinne des »More-than-Moore« Prinzips durch die Integration weiterer Funktionen, wie z. B. hochspannungsfeste Bauelemente, Hochfrequenzschaltungen, Sensoren, oder entwickelt Technologien die den Einsatz der Schaltung unter rauen Bedingungen ermöglichen. Die Vorbereitung der CMOS-Wafer als »intelligentes« Substrat durch z. B. Planarisierung ist ebenfalls eine wichtige Entwicklungsaufgabe. Auf diesen »intelligenten Substraten« werden durch Post-CMOS Prozesse Schichten abgeschieden und strukturiert und damit neue, zusätzliche Bauelemente auf den CMOS-Schaltungen realisiert

Entwicklung von anwendungs- und kundenspezifischen CMOS-Prozessen

Beispiele für die komplette Entwicklung von kunden- und anwendungsspezifischen CMOS Prozessen ist die Entwicklung eines Mixed Signal 0,35 µm Automotive CMOS-Prozesses sowie die Entwicklung von Hochtemperatur (300 °C) und Hochspannungs-SOI CMOS (1200 V) Prozessen. Dabei gehören begleitende Prozess- und Bauelemente-Simulationen (TCAD) sowie die elektrische Charakterisierung inklusive Parameterextraktion und Zuverlässigkeitsuntersuchungen zu den Tätigkeiten des Fraunhofer IMS.

Auch die Integration von speziellen Bauelementen und Prozessmodulen in die eigenen oder auch in Kunden-CMOS-Prozesse ist ein wichtiges Aufgabenfeld. Dies gilt z.B. für Sensorik in Form von optisch empfindlichen Bauelementen wie SPADs (Single-Photon Avalanche Diodes) auch Drucksensoren. Aber auch weitere Schaltungskomponenten wie nicht-flüchtige Speicher (EEPROM oder Flash-Zellen) inklusive spezifischer Schaltungsentwicklung sowie Hochspannungsbauelemente sind ein Tätigkeitsfeld mit viel Erfahrung. Spezielle Prozessmodule für eine UV-transparente Passivierung und die Entfernung der dielektrischen Schichten über einer Photodiode mit anschließender Abscheidung einer Antireflexbeschichtung gehören ebenfalls zum Repertoire des Fraunhofer IMS.

Zudem beschäftig sich das Fraunhofer IMS auch mit der Entwicklung von CMOS kompatiblen Prozessen für diskrete Bauelemente wie z. B. SiPM (silicon photomultiplier), DEPFET ( depleted p-channel field-effect transistor) oder DOEs (diffractive optical elements), die auch die Entwicklung entsprechender Verbindungstechnologien wie doppelseitige Wafer-Prozessierung beinhaltet.

Post-CMOS-Prozess zur Sensorintegration

Planarisierte CMOS-Oberflächen dienen als Grundlage für die Post-CMOS Sensorintegration. Durch die Kombination mit »Micro-Electro-Mechanical Systems« MEMS oder »Nano-Electro-Mechanical Systems« NEMS lassen sich darüber hinaus auch Sensorelemente wie optische, mechanische, physikalische, chemische und Bio-Sensoren realisieren. Beispiele dafür sind ungekühlte Bolometer Arrays und Nanodraht Gassensoren. Durch die Kombination von CMOS und MEMS (bzw. NEMS) entstehen innovative und extrem kompakte Mikrosysteme für den Einsatz in Medizin, Industrie, Automobil, Luft- und Raumfahrt bis hin zu Consumer-Anwendungen.