Курсовая работа (т): Фоточувствительные приборы с зарядовой связью на МДП ИС

Кремний, выращенный методом Чохральского в магнитном поле. Обладает максимальными механической прочностью и однородностью, устойчив к термообработкам, хотя склонен к образованию дефектов упаковки из-за трудности внутреннего геттерирования.

Концентрация кислорода достаточна для ограничения роста дислокаций, но мала для того, чтобы создать хороший оксидный геттер, поэтому рекомендуется использовать дополнительное внешнее геттерирование. По плотности врожденных дефектов сравним с зонным кремнием.

Кремний, выращенный методом Чохральского, с оксидным геттером. Возможно, такой кремний является наиболее подходящим для ФПЗС, поскольку объединяет высокую механическую прочность и сравнимую низкую неоднородность с устойчивостью к термообработкам, обусловленный внутренним геттером.

Оптимальная концентрация межузельного кислорода позволяет достичь высокой плотности оксидных преципитатов в подложке при ширине бездефектной зоны примерно 50 мкм в результате трехступенчатого исходного геттерирования: 3 ч при 1000°C в азоте; 10 ч при 650°C в азоте и 4 ч при 1100°C в кислороде [1].

.4.2 Подзатворная диэлектрическая система

Используемый в ПЗС слой термического оксида должен быть весьма высокого качества, кроме того, оксид должен быть свободным от проколов и локальных нарушений диэлектрических свойств. Обычный метод окисления в сухом кислороде не обеспечивает требуемых характеристик оксида, и в технологии ПЗС повсеместно используют окисление в кислороде с добавкой галогенов (точнее, галогеноводородов). Известны многочисленные способы введения вместе с кислородом хлора, газообразного хлористого водорода, четыреххлористого углерода, трихлорэтилена и т.д. Рассмотрим основные достоинства метода окисления с добавлением галогеноводородов:

) уменьшение числа дефектов в оксиде и улучшение диэлектрических свойств. Добавление соединений водорода с галогенами позволяет существенно понизить плотность «слабых» участков в оксиде.

Если считать, например, слабыми участками локальные МОП-структуры с пробивным напряжением, меньшим 80% от предельного пробивного напряжения данного оксида, то плотность подобных дефектных структур снижается со 100 см-2 до 10-12 см-2 при добавлении 1-3% галогеноводородов;

) увеличение скорости окисления - примерно в 1,5 раза возрастает скорость окисления при добавлении галогенов. При этом увеличивается параболическая составляющая, характеризующая процесс диффузии реагентов сквозь оксид;

) очистка реакционных камер, труб и другой кварцевой оснастки.

Предварительная высокотемпературная и достаточно длительная (10 часов) обработка кварцевой трубы в кислороде с 10% добавкой хлористого водорода на порядок понижает содержание натрия в оксидах, выращиваемых затем в чистом кислороде.

При переходе на низкотемпературную технологию стали шире применять пирогенное окисление в смеси кислорода и водорода с добавками хлористого водорода.

Оксиды, полученные пирогенным способом, намного стабильнее и менее дефектны, нежели оксиды, выращенные в атмосфере кислорода с добавкой паров воды из внешнего питателя.

В технологии ФПЗС второго поколения на подзатворный оксид осаждают слой нитрида кремния. Нитрид кремния выращивают в горизонтальном реакторе с пониженным давлением из смеси дихлорсилана и аммиака при температуре около 830°C. Для стабилизации выращенного нитридного слоя его следует подвергнуть уплотнению - отжигу в окислительной среде при 900-1000°C [1].

.4.3 Поликремниевые слои и система поликремний-оксид-поликремний

К поликремниевым слоям, используемым в качестве электродов, предъявляются следующие требования:

) равномерность по толщине (на диаметре пластины, от пластины к пластине и между партиями пластин);

) зеркальная поверхность без включений, мелкозернистая структура.

Включения приводят к нарушению оксида на поликремнии, к утечкам и коротким замыканиям в межэлектродной изоляции, а от размеров зерен зависит уровень легирования и качество травления при фотолитографии; высокая адгезия осажденного слоя к оксиду;

) качество процесса выращивания поликремниевых слоев следует оценивать комплексно, с учетом характеристик получаемых МОП-структур (электрод-оксид-кремний).

Подбор оптимальных режимов выращивания проводят, измеряя не только толщину слоев, но и такие параметры, как поверхностное сопротивление после легирования, напряжение плоских зон и время релаксации тестовых МОП-структур, степень растравления при фотолитографии;

) при легировании поликремниевых слоев стремятся, как правило, достичь минимума поверхностного сопротивления, если речь идет об изготовлении крупноформатных матричных ФПЗС, в которых длина электрода может составлять 10-15 мм при ширине 5-8 мкм. Наименьшее сопротивление удается получить, комбинируя ионное легирование и диффузию;

) зернистая структура поликремния играет решающую роль в формировании многослойной системы поликремний-оксид-поликремний, являющейся основой любого ПЗС. На рис. 1.4 показано схематически строение слоя поликремния после нанесения (а), легирования (б) и окисления (в, г). В исходном слое поликремния размеры зерен лежат в пределах 100-200 нм. Ухудшение качества поликремниевого слоя проявляется в росте шероховатости. После осаждения поликремния на его поверхности могут наблюдаться шероховатость и выпуклости. Последние вызваны аномалиями в процессе роста и сохраняются при легировании и окислении, повторяясь на верхней границе оксида. Размеры зерен после легирования фосфором увеличиваются до 300-500 нм; легирование бором, напротив, вызывает уменьшение размеров зерен [1].

Рисунок 1.4 - Схематическое изображение структуры поликремния после нанесения (а), легирования фосфором (б) и окисления (в, г)

1.4.4 Материал контактов

Металл, используемый для получения контактов, должен отвечать следующим требованиям: фоточувствительный заряд интегральный контакт

) иметь высокую проводимость с удельным поверхностным сопротивлением Rсл ≤ 0,04 Ом;

) обеспечивать нормальное функционирование межсоединений при плотностях тока j ~ (1÷3)∙105 А/см2;

) обеспечивать омические контакты с n- и р-областями кремния;

) быть технологичным при нанесении, избирательном травлении и термообработке, а также при создании электрических соединений с внешними выводами корпуса;

) не подвергаться коррозии, а также окислению, способному заметно повысить сопротивление контакта;

) не образовывать химических соединений с кремнием, снижающих механическую прочность контактов и проводимость;

) иметь высокую адгезию к пленке SiO2;

) быть прочным, не подверженным механическим повреждениям (вмятинам, царапинам) и разрушению при циклических изменениях температуры.

Металл, который отвечал бы всем перечисленным требованиям, подобрать нельзя. Наиболее полно им отвечает высокочистый алюминий марки А99 [1].

2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФПЗС

Базовой структурой ФПЗС является массив перекрывающихся электродов (затворов), к которым прикладываются импульсы напряжений, обеспечивающие хранение и перенос сигнальных зарядов в нижележащем полупроводнике. Электроды отделены от полупроводника тонким диэлектрическим слоем, и каждый из них, по сути, представляет собой хорошо известную структуру металл-окисел-полупроводник (МОП-конденсатор).

Самый первый ПЗС и представлял собой аналоговый регистр сдвига на 8 элементов, изготовленный по p-МОП технологии с молибденовыми затворами, разделёнными 2-х микронными зазорами. Изготовили его в 1970 г. сотрудники фирмы Bell (США) У. Бойл и Дж. Смит, исследуя возможность создания электрического аналога схем на цилиндрических магнитных доменах в МОП структурах. Они предложили принцип зарядовой связи и продемонстрировали его на этом регистре экспериментально[6] .

Технология ФПЗС с поверхностным p-каналом исчерпала свои возможности, когда потребовались приборы, работающие с частотой более 10 МГц и потерями заряда менее 10-4 на один перенос. Радикальным улучшением технологии ПЗС стало предложенное в 1974 г. К. Секеном и М. Томпсеттом из Bell Labs использование электродов из поликристаллического кремния, прозрачного почти во всём видимом диапазоне и сокративших межэлектродные зазоры с 2-х до 0,2 мкм. Недостатки же приборов, связанные с поверхностным переносом заряда, удалось устранить инженерам фирмы Philips, в 1972 году предложившим ПЗС с объёмным каналом. Эти решения оказались настолько удачными, что с тех пор все ПЗС выпускаются только с объёмным каналом переноса заряда и поликремневыми затворами. От поверхностного объёмный канал переноса отличается тем, что в приповерхностной области кремниевой подложки создаётся тонкий (порядка 0,3 - 0,5 мкм) слой с типом проводимости, противоположным подложке, и с концентрацией примеси такой, чтобы он мог полностью обедняться при подаче управляющих напряжений на, расположенные над ним поликремниевые затворы.

Сигнальный заряд локализуется в некотором отдалении от границы раздела окисел-полупроводник, что полностью устраняет влияние поверхностных состояний на процесс переноса заряда, обеспечивая эффективность переноса 0,999995 на частотах до 40 - 50 МГц.

Выбор структуры ПЗС и технологии изготовления в каждом конкретном случае являет собой компромисс. Сложная форма управляющих импульсов, минимально возможный размер элемента, простота технологии и процент выхода годных - вот некоторые из факторов, влияющих на окончательное решение; имеет также значение ранее накопленный технологический опыт. Следовательно, можно заключить, что не существует универсальных структур и процессов, подходящих для любого применения и любого предприятия. Более того, выбранная технология приборов должна постоянно совершенствоваться в свете общих достижений кремниевой планарной технологии [7].

3.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Цель данного курсовой работы исследование, проведение анализа устройства и применения фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС) на метало-диэлектрик-полупроводниковых интегральных схемах (МДП ИС) с числом элементов 2048х2048, размером ПЗС матрицы 10х10 мм, спектральный диапазон 0,4 - 0,9 мкм. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: изучить принцип работы и схемы организации ФПЗС, составить основные характеристики ФПЗС используя исходные данные, выбрать систему охлаждения ФПЗС матрицы, рассчитать шумы ФПЗС, определить области применения.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

.1 Схемы организации и характеристика ФПЗС

Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью имеют два основных типа организации матричного массива: с кадровым переносом - КП и с межстрочным переносом - МП.

Матричная структура с кадровым переносом образована совокупностью вертикальных регистров ПЗС и, в общем случае, имеет одну фоточувствительную область и выходной сдвиговый регистр с устройством вывода информации (рис. 4.1 а). Такая матричная структура носит название полнокадровая (ПК), в английской аббревиатуре (full frame-FF), и находит достаточно широкое применение при регистрации неподвижных или мало подвижных изображений. Преимуществом такой организации является достаточная простота конструкции, основной недостаток- необходимость механического затвора, перекрывающего световой поток на время считывания накопленного кадра [8].

Если к фоточувствительной секции добавить ещё одну такую же секцию, но экранировать её от света, то мы получим матрицу с кадровым переносом (КП) - frame transfer (FT). Такая матрица содержит две расположенные друг под другом секции: накопления (СН) и хранения (СХ) и выходной сдвиговый регистр с устройством вывода информации (рис. 4.1 б). Принцип действия матричного ФПЗС с КП удобно рассмотреть на примере ТВ - режима. В течение времени, равного примерно одному полю кадровой развертки, во всех элементах СН происходит синхронное накопление фотогенерированных зарядов.

Затем, во время обратного хода кадровой развертки, происходит быстрый параллельный во всех столбцах матрицы перенос зарядов из СН в СХ. В следующем поле в СН изменением управляющих напряжений смещается центр накопления на полшага матрицы по вертикали, т.е. обеспечивается чересстрочность разложения, а из СХ производится построчный перенос зарядов в горизонтальный регистр (ГР) с последующим выводом заряда и преобразованием его в выходном устройстве (ВУ) в видеосигнал. Основное достоинство по сравнению с конструкцией с межстрочным переносом: вся площадь секции накопления является фоточувствительной, т. е. коэффициент заполнения (fill factor) равен 100%. Эта особенность выводит приборы с КП на первое место везде, где требуется высокая чувствительность.

Основным недостатком матриц с КП является высокий смаз изображения, возникающий при переносе изображения с секции накопления в секцию памяти. Кадровый перенос занимает до 10% периода кадра, во время КП секция накопления остаётся открытой для света и яркие участки изображения успевают дать вклад в чужой зарядовый пакет даже за то короткое время, когда он проходит через них и происходит смазывание изображения, что является особенно критичным для приёма цветного изображения [8].

а)                                                                            б)

Рисунок 4.1 - Конструкция матриц ФПЗС с переносом кадра

Радикально проблема смаза изображения решается в ФПЗС с межстрочным переносом (МП) - interline transfer (IT). В отличие от матриц с КП, функции накопления заряда и его переноса здесь разделены. Матричная структура с межстрочным переносом (рис. 4.2 а) может быть представлена образованной из матрицы с КП путем вдвигания экранированных от света столбцов СХ между столбцами СН. В отличие от матриц с КП, где ПЗС ячейка выполняет поочерёдно функции накопления и переноса (т.е. они разделены во времени), матрицы с МП имеют пространственное разделение этих функций.

В такой структуре перенос кадра из секции накопления в экранированные от света области хранения происходит за один такт, занимающий время не более 1 мкс. Изображение следующего кадра (в виде картины зарядовых пакетов) накапливается в «очищенных от заряда» фотодиодах.

Приёмники с межстрочным переносом работают достаточно просто, но имеют сложную конструкцию ячейки и уменьшенную фоточувствительную площадь (за счёт встроенных вертикальных каналов переноса, которые необходимо экранировать от света). Особенностями этих приборов являются:

фотодиодные ячейки накопления с удвоенной емкостью за счет слоя аккумуляции дырок на их поверхности;

встроенное под фотодиодами вертикальное устройство антиблуминга в виде n-p-n структуры с предельно низким уровнем легирования области p-кармана, обеспечивающим возможность работы в режиме электронного затвора;

двуполярное трехуровневое управление вертикальными 4-фазными регистрами матричной области, работающими в режиме двойной синхронизации, обеспечивающее параллельный перенос информации из фотодиодов без импульсной активации отсутствующих в конструкции фотозатвора и разрешающего затвора;

-фазный выходной регистр.

Смаз изображения в матрице ФПЗС с МП составляет величинe порядка 0,1 %, что уже является вполне допустимым для создания цветного изображения. Ещё больше уменьшить смаз изображения при переносе заряда позволяет конструкция ФПЗС со строчно-кадровым переносом (СКП) - frame-interline transfer (FIT), приведённая на рис. 4.2 б. Несмотря на то, что заряд переносится в экранированных от света вертикальных сдвиговых регистрах, за счёт диффузии к нему во время переноса добавляется фоновый заряд, приводящий к смазу.