На правах рукописи

ГОРШКОВА НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНА

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ

КРЕМНИЕВЫХ ЦВЕТНЫХ ФОТОЯЧЕЕК С ГЛУБИННЫМ

ЦВЕТОДЕЛЕНИЕМ НА ИЗОТИПНЫХ Р+-Р ПЕРЕХОДАХ

05.27.01 – твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,

микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники Российской академии наук и в ООО «Юник Ай Сиз», г. Москва

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор В.А.Гергель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.А.Раскин доктор технических наук, профессор В.Н.Мурашов

Ведущая организация:

ФГУП «Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина»

Защита состоится «_» 2008 года в _ часов _ минут на заседании диссертационного совета Д 212.134.01 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан «_» _ 2008 года Соискатель Н.М.Горшкова

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, доцент Т.Ю. Крупкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы При разработке современных матричных приемников цветного изображения (МПЦИ) для цифровой фото- и видеоаппаратуры одним из основных требований является относительная простота конструкции элементарной фотоприемной ячейки и совместимость соответствующей технологии с базовыми операциями микроэлектроники. Традиционные кремниевые фотосенсоры для получения цветного изображения используют полимерные микролинзы и цветные фильтры, что требует дополнительных технологических операций. Полимерные микролинзы, как известно, из-за своего органического происхождения весьма чувствительны к воздействию высоких температур и быстро блекнут при частом попадании на них прямых солнечных лучей. Возможно отказаться от систем с мозаикой цветных фильтров над матрицей неселективных фотоприемников и перейти к чисто полупроводниковым цветным фотоприемным устройствам на принципах глубинного цветоделения.

В основе глубинного цветоделения лежит зависимость глубины поглощения света в полупроводниках от длины волны квантов.

Имеющиеся к настоящему времени предложения по созданию чисто кремниевых селективно чувствительных фотоприемных ячеек для систем регистрации цветного изображения предполагают использование сложных транзисторо- и тиристороподобных пространственных структур. В этих структурах электрические поля встречных p-n переходов разделяют фототок на компоненты, отвечающие фотогенерации в заглубленных слоях фоточувствительной структуры p или n типа проводимости. Толщина многослойной структуры достигает 8 мкм. Существует проблема совмещения процессов производства кремниевых МПЦИ на основе глубинного цветоделения и считывающей КМОП электронной схемы, интегрированных на одном кристалле. За рубежом проблема совмещения технологических процессов решена путём использования многослойной эпитаксиальной структуры.

технологический процесс значительно повышает стоимость изделий.

Попытка создать МПЦИ на основе глубинного цветоделения без прецизионной многослойной эпитаксии успеха не принесла.

В России осуществляется программа создания МПЦИ на основе типового КМОП процесса с участием ООО «Юник Ай Сиз» и концерна X - FAB. В основу программы заложена идея разделения фототоков на цветовые компоненты в структуре с изотипными p+ - p переходами и реализация подобных структур в КМОП технологии. Однако, на начальном этапе работы оставались неясны ключевые вопросы:

достаточны ли встроенные потенциалы для разделения фототоков в требуемом динамическом диапазоне, возможно ли восстановление цветного изображения по регистрируемым фототокам, совместим ли процесс создания МПЦИ с типовым КМОП процессом.

Светочувствительность МПЦИ и контрастность изображения зависят не только от спектральных характеристик фотоячеек, но и от параметров считывающей электронной схемы. С уменьшением размеров КМОП транзисторов ухудшаются их усилительные свойства, а шумы, напротив, возрастают. Для промышленных применений и высококачественной бытовой видеотехники перспективной считается БиКМОП технология, совмещённая с процессами изготовления фотоячеек.

Настоящая диссертация посвящена исследованиям спектральных характеристик и электрических параметров фотоячеек МПЦИ и биполярных транзисторов, реализуемых в едином технологическом процессе. Объектом исследований является МПЦИ, предметом исследований – оптимизация спектральных характеристик в рамках ограниченности КМОП процессом.

Целью работы является развитие методики проектирования МПЦИ в части оптимизации ряда технологических параметров, обеспечивающих совместимость фоточувствительных ячеек с КМОП или БиКМОП технологическими процессами.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведён сравнительный анализ основных конструктивных вариантов ячеек МПЦИ.

2. Проведено исследование влияния разброса технологических параметров по энергии имплантации на спектральную чувствительность фотоячейки на изотипных p+-p переходах.

3. Разработана методика оптимизации режимов одновременного формирования фотоячейки и совместных с ней элементов КМОП и БиКМОП структур при использовании аналитического расчёта потоков неосновных носителей в этих структурах и численном расчёте концентраций легирующих примесей.

4. Предложены новые структуры биполярных транзисторов, интегрированные в структуру МПЦИ, разработанные с учётом проведённых исследований указанного разброса характеристик фотоячеек.

Положения выносимые на защиту:

1. Эффективное управление цветоделением в кремниевых фотоячейках на изотипных p+-p переходах достигается вариацией основных технологических параметров имплантации. Формирование p+областей осуществляется имплантацией бора с энергией до 1000 кэВ в рамках КМОП процесса.

2. Оптимальное цветоделение в критериях современной теории колориметрии обеспечивается при расположении максимумов концентраций p+- слоёв в фотоячейках на глубинах 0.40,1.25 и 2.50 мкм.

3. Изменение спектральной чувствительности p+-p перехода в три раза меньше по сравнению с p-n переходом при одинаковом смещении профиля легирования, связанного с технологическим разбросом.

4. Для предотвращения размывания профиля легирования бора в процессе термообработок при совмещении фотоячейки с КМОП приборами в едином технологическом процессе необходимо имплантировать дополнительный (компенсирующий) слой фосфора с энергией 900кэВ и дозой 1.31013см-2.

5. Предложена и реализована новая физическая структура матричного приёмника цветного изображения включающая массив фотоячеек с глубинным цветоделением, КМОП и биполярные n-p-n и p-n-p транзисторы.

Научная новизна работы 1. Впервые показано, что технологические ограничения КМОП процесса, связанные с разбросом энергии имплантации, не оказывают существенного влияния на спектральные характеристики фотоячейки с глубинным цветоделением и, как следствие, на качество цветопередачи.

2. Предложены алгоритмы оптимизации энергий и доз разделительных р+ имплантаций. Определены соответствующие глубины и концентрации р+ барьеров в изготовленных цветных фотоячейках.

3. Разработаны новые конструктивные решения и топология вертикально-интегрированных цветных фотоячеек для матрицы кремниевого приёмника цветного изображения.

4. Предложена новая физическая структура БиКМОП микросхемы, включающая одновременно биполярные n-p-n и p-n-p транзисторы, КМОП приборы и фотоячейки на основе глубинного цветоделения. Для создания биполярных транзисторов использованы элементы физической структуры, уже имеющиеся в составе микросхемы МПЦИ.

Практическая значимость работы 1. Повышение производительности проектных работ достигается применением новой методики оптимизации режимов одновременного формирования фотоячейки и совместных с ней элементов КМОП и БиКМОП структур при использовании аналитического расчёта потоков неосновных носителей в этих структурах и численном расчёте концентраций легирующих примесей.

2. Рекомендованные режимы легирования структур используются в производстве МПЦИ. Для эффективного цветоделения в фотоячейках глубина расположении максимумов концентраций p+- слоёв составляет 0.4, 1.25 и 2.5 мкм. Во избежание предотвращения размывания профиля легирования бора в процессе термообработок при совмещении фотоячейки с КМОП приборами в едином технологическом процессе необходимо имплантировать дополнительный слой фосфора с энергией 900кэВ и дозой 1.31013см-2.

3. Новые конструктивные решения позволяют оптимизировать БиКМОП структуры и фотоприёмную ячейку с глубинным цветоделением.

5. Материалы диссертации использованы в учебном процессе.

6. Патенты и заявки на изобретения обеспечивают патентную защиту новых изделий электронной техники.

Внедрение результатов работы 1. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении двух НИОКР: «Создание матричных фотоприёмников для устройств мобильной связи», «Разработка устройств передачи информации», что подтверждено актом внедрения от ООО «Юник Ай Сиз».

2. Результаты работы применялись в НИР «Эгида» лаборатории микро- и наноэлектроники Института радиотехники и электроники Российской академии наук, что отмечено в акте внедрения.

3. Материалы диссертации использованы при подготовке учебных пособий «Аналого-цифровые схемы», «Проблемы технологии и проектирования микроэлектронных устройств» в рамках обеспечения инновационной образовательной программы для магистров кафедры микроэлектроника факультета «Электронных технологий, материалов и оборудования» (ЭТМО) в Московском государственном институте электронной техники, что подтверждено актом внедрения в учебный процесс.

Достоверность научных положений, результатов и выводов Теоретические исследования, проведённые в данной работе с помощью методов математического анализа и численного моделирования, базируется на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов. Реализованная на практике цветная матрица изображения с разрешением 640х512х3 на основе конструкции фотоячейки с глубинным цветоделением на изотипных p+ p переходах демонстрирует согласие развитых теоретических положений и результатов численного моделирования с экспериментальными данными.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях:

• Международная конференция «Микро- и наноэлектроника 2005», г. Звенигород, 2005;

•V Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика – 2005», г.Москва, Зеленоград, фундаментальных и прикладных наук», Москва, МФТИ, 2005;

• 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2006», г.Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2006;

• XIX МНТК по фотоэлектронике и приборам ночного видения 2006, г.Москва, ФГУП НПО «Орион», 2006;

• XVII Международной научно-технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине 2006», г.Сочи, МНТОРЭС им.А.С.Попова, 2006;

• II Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2006», М.: ИППМ РАН, 2006;

• МНТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», INTERMATIC-2006, г.Москва, МИРЭА, • 49-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук 2006», г.Москва, МФТИ, • Международная конференция «Микро- и наноэлектроника 2007», г. Звенигород, 2007 г.

Работы по теме диссертации поддержаны двумя грантами Благотворительного фонда содействия отечественной науке в области естественных и гуманитарных наук по программе «Лучшие аспиранты РАН» за 2007 и 2008 гг.

Публикации По теме диссертации опубликованы 17 научных работ, из которых 3 статьи в журналах «Радиотехника и электроника», «Нано- и микросистемная техника», 1 статья в международном сборнике научных трудов «Proceedings of SPIE» и 10 тезисов докладов на научнотехнических конференциях. Новые технические решения защищены тремя патентами на изобретения РФ.

Объём и структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, содержащих акты об использовании результатов работы, списка литературы, содержит 140 страниц текста. Список литературы включает 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы и ее актуальность, определены цели и задачи исследования. В нём отражена научная новизна проблемы и перспективы практического применения результатов исследований.

В первой главе диссертации приведён литературный обзор, касающийся способов считывания и регистрации изображения.

Рассмотрены колориметрические характеристики излучения и особенности систем кодировки цвета. Приведены основные типы фотоприёмников изображения, обозначены преимущества фотоприёмников с глубинным цветоделением. Проанализированы спектральная чувствительность кремниевых приёмников изображения и принципы глубинного цветоделения. Рассмотрены проблемы, касающиеся считывающих электронных схем при проектировании МПЦИ и преимущества использования биполярных транзисторов.

Вторая глава посвящена исследованиям спектральной чувствительности фотоприёмных ячеек с n+ p p+ p структурой.

Для осуществления глубинного цветоделения в кремнии используют зависимость коэффициента поглощения оптического излучения от длины волны. Диффузионная длина неосновных носителей в кремнии существенно превышает эффективную глубину поглощения для видимого излучения, поэтому спектральная фоточувствительность кремниевых фотодиодов постоянна в видимом диапазоне спектра оптического излучения. Препятствуя диффузионному перемешиванию компонент электронного потока, соответствующих «красному», «зелёному» и «синему» участкам спектра, специфическими потенциальными барьерами можно пространственно ограничить диффузионное растекание генерированных светом носителей.

Расстояние, где длинноволновые фотоны генерируют неосновные носители, является существенно меньше их диффузионной длины. Поэтому неосновные носители, диффундировав к переходу, коллектируются и дают вклад в результирующий фототок.

Для правильной цветопередачи необходимо также уменьшить чувствительность фотоприёмника в ближнем (более 0.65 мкм) инфракрасном диапазоне длин волн. Предложен способ подавления части диффузионного потока неосновных носителей за счёт дополнительного легирования подложки фотоприёмной структуры, поскольку для этого не требуются высокие значения электрических полей, свойственных p – n переходам. Достаточными являются поля, возникающие в соответствующих р+ - р или n+ - n переходах. В прилегающую к коллектирующему переходу область подложки имплантируется определенное количество дополнительной электроактивной примеси того же типа, что и основная примесь.

С помощью преобразования технологических параметров имплантационного процесса в профиль концентрации электроактивной примеси и решения уравнения Пуассона получены эффективный профиль концентраций примесей и распределение потенциала при обратном смещении 2.5 В для структуры представленной на рис.1.

Рис.1. Структура фотоприемной ячейки c коррекцией длинноволнового края чувствительности. X P+ – глубина залегания максимальной концентрации акцепторов p+-слоя, X S – толщина подложки Для решения уравнения Пуассона в приближении малого уровня инжекции используем упрощенные квазиравновесные выражения для концентрации носителей заряда.

В рассматриваемой задаче о коллектировании определяем границу прехода как ближайшую к n- - области точку x0, в которой концентрация дырок равна концентрации равновесных дырок в р - подложке p(x0 ) = p0. Потери фоточувствительности из-за рекомбинации определяются уравнением непрерывности (1).

где I0 – спектральная плотность потока фотонов излучения, – коэффициент собственного поглощения, n – концентрация неосновных носителей тока, n0 –термодинамическое равновесное значение концентрации, n – время жизни неосновных носителей, d/dx – распределение потенциала в структуре, x – глубина от поверхности подложки.

При реальных уровнях освещенности можно пренебречь влиянием фотогенерированных носителей на распределение потенциала в структуре и рассматривать производную d/dx как заданную функцию координаты.

рекомбинационное слагаемое n n0 / n в (1) и введем фиктивный контакт с бесконечной скоростью поверхностной рекомбинации на расстоянии от поверхности равном диффузионной длине L. После интегрирования уравнения (1) получим:

где I 0exp( ()x1 ) постоянная интегрирования.

Координата x1 представляет эффективную границу, слева от которой генерированные носители коллектируются обратносмещенным переходом, и, соответственно, дают вклад в фототок. Фотоносители, генерированные справа от x1 «скатываются» по «склону»

потенциального рельефа в электронейтральную область подложки, где и рекомбинируют, не давая вклад в фотосигнал диода. Решая (2) с использованием замены n(x) = A(x)exp q(x), с учётом граничных условий n(x0 ) = n(L) = 0 получаем выражение для константы интегрирования (3):

С помощью численного интегрирования определяется конкретная величина константы интегрирования для произвольной формы р+ р барьера. Квантовая чувствительность приемника, т.е. число коллектированных электронов на один фотон излучения равна:

В работе рассчитаны спектральные зависимости квантовой чувствительности ( ) диода с подложкой p - типа при различных дозах имплантированного бора с энергией Значению этой энергии отвечает положение максимума концентрации X p+ 1.4 мкм, предпочтительное для режекции фоточувствительности в «красной» области спектра.

Для показателя поглощения в кремнии используется аналитическая аппроксимация экспериментальной зависимости фундаментального поглощения.

Проведена качественная оценка требуемой дозы имплантации, необходимой для подавления фототока из толщи подложки. Для этого где NA - концентрация дополнительно имплантированной примеси.

Рис.2. Расчетные зависимости квантовой спектральной чувствительности ( ) фотоприемной ячейки, полученные для различных доз p+ имплантации DA при одной и той же энергии Тогда выражение для константы интегрирования примет вид:

где D = N (x)dx – доза имплантации.

максимуме распределения имплантированной примеси значительно превышает фоновую р0 (~10-13см-2), глубина разделения оказывается практически совпадающей с положением максимума распределения имплантированного бора, т. е. x1 X P+ (рис. 3).

Таким образом, изменяя величину X p+, зависящую от энергии имплантации, можно достаточно эффективно управлять длинноволновым краем спектральной чувствительности фотоэлемента.

Были получены экспериментальные данные подтверждающие, что предложенное р+ легирование действительно эффективно сдвигает длинноволновый край фоточувствительности прибора в оптическом диапазоне спектра в зависимости от глубины залегания р+ слоя.

Сформулирована новая концепция создания селективно чувствительных фотоэлементов для МПЦИ. Соответствующие экспериментальнотехнологические результаты, подтверждающие эффективность предложенного метода управления спектральной чувствительностью кремниевой n+–p структуры имплантацией бора в подложку, а также использование стандартных слоев КМОП технологии типа p+ - кармана для n транзистора получены в процессе практической разработки многоэлементных фотоприемных матриц цветного изображения.

Предложена фоточувствительная структура с дополнительным слоем BB (Buried Barrier) (рис.4). На рис. 5 приведены экспериментальная зависимость спектральной чувствительности структуры со слоем BB, демонстрирующая спад фоточувствительности в красной и инфракрасной областях спектра и расчётная зависимость распределения встроенного потенциала в поперечном сечении прибора, полученная с помощью решения уравнения Пуассона с известным профилем распределения концентрации акцепторов. Слой ВВ представляет собой имплантированный на глубину 2.45 мкм бор с концентрацией электроактивных акцепторов N a = 2.5 1017 см-3.

Рис.3. Расчетные зависимости квантовой спектральной чувствительности ( ) фотоприемной ячейки, полученные для различных энергий имплантации E при одной и той же дозе р+ чувствительности к инфракрасному излучению с помощью потенциального р+ - р барьера, который препятствует коллектированию фотоэлектронов, генерированных в глубинных слоях подложки.

Влияние разброса длинноволнового края спектральной чувствительности не оказывает существенного влияния на качество цветопередачи.

В ряде случаев для режекции длинноволнового края фоточувствительности вместо специализированных имплантационных слоев могут применятся и стандартные (в рамках КМОП технологического процесса) типы подлегирования подложки, например, n - и р -карманы соответствующих р - и n - транзисторов.

Используя совместно три изотипных перехода с различной глубиной имплантированного p+-слоя x1, можно составить элементарную ячейку матричного фотоприёмника цветного изображения.

Рис.4. Принцип функционирования n+-p фоточувствительной структуры со встроенным p+ слоем BB (Buried Barrier) Латеральный размер фотоприемной площадки отдельного фотоэлемента матрицы не превышает 10 мкм, что существенно меньше диффузионной длины неосновных носителей. Фотоэлектроны, генерированные глубже барьера, могут быть утилизированы с помощью дополнительного n+ - контакта.

Результаты проведенных экспериментальных измерений показывают, что такой сбор эффективен и может быть использован для считывания двух и более разделенных фототоков к разным считывающим n+ - контактам. Таким образом, можно конструировать фотоячейки со считыванием двух и более спектральных компонент падающего света в одном фотоэлементе.

Рис.5. (а) Спектральная чувствительность n+-p структуры со встроенным p+ слоем; (б) распределение потенциала по глубине для n+-p структуры Предложена ячейка с использованием двух барьерных BB слоев и области специального р+ легирования, где слой BB_1 предназначен для цветоделения в «сине-зеленой» области спектра, слой BB_2 – для цветоделения в «зелено-красной» области, а ретроградный р+ - профиль препятствует взаимному проникновению цветовых компонент фототока между каналами A1, A2 и A3 (рис.6).

Рис.6. Конструкция фотоячейки со считыванием 3-х цветовых компонент в одном фотоэлементе с использованием 2-х слоев типа BB (BB_1 и BB_2) и специального ретроградного р+ легирования Для режекции чувствительности фотоячеек в инфракрасном диапазоне и устранения проникновения фотогенерированных носителей соответствующих «красному» участку спектра между соседними ячейками, как альтернативу сложному профилю, предложено использовать р+ - подложки с р - эпитаксиальным слоем. Подобный конструктивный вариант фотоячеек уменьшит размытие изображения в длинноволновых компонентах видимого спектра из-за пониженного значения диффузионной длины неосновных носителей в подложке.

В третьей главе рассчитаны глубины цветоделительных барьерных р+ -слоев для наиболее эффективного цветоделения. Предложен способ компенсации смыкания барьерных р+ - слоев при их формировании.

В предложенных спектрально чувствительных фотоячейках с глубинным цветоделением, где для разделения фототока на цветовые компоненты используется система из потенциальных энергетических барьеров, проблемой является взаимное расположение «сине-зеленого» и «зелено-красного» барьерных р+ -слоев, поскольку эти слои формируются с помощью имплантации каждого слоя дозами атомов бора соответствующих энергий. Взаимное расположение этих слоев диктуется не только формой спектральной зависимости коэффициента поглощения излучения в кремнии, но и требованием к кривым спектральных чувствительностей каждого канала. Слишком близкое расположение этих слоев приводит к их смыканию, увеличивая вероятность проникновения «зеленых» носителей в «синий» и «красный» диффузионные каналы, что уменьшает селективность и чувствительность «зеленого» канала.

Используя выражение для плотности фототока в зависимости от длины волны (8), можно записать выражение для спектральной чувствительности каждого цветового диффузионного канала, расположенного между двумя потенциальными барьерами с глубинами от поверхности xi и xi-1, соответственно (xi > xi-1) (9).

При оптимизации глубин залегания цветоразделительных барьеров необходимо учитывать влияние положения каждого из барьеров на спектральную чувствительность двух цветовых каналов одновременно, т.к. слишком близкое взаимное расположение двух барьеров может привести к их перекрытию по концентрациям примесей и потере чувствительности одного из каналов.

В работе проведена оптимизация положения цветоделительных барьеров (при заданном внешнем оптическом полосовом фильтре) с последующим вычислением коэффициентов c X,i, cY,i, c Z,i i = 1, 2, матрицы преобразования спектральных характеристик Ai (xi 1, xi, ) в пространство XYZ для получения наибольшего приближения к колориметрическим кривым этого цветового пространства.

Приближение проводилось посредством одновременной минимизации среднеквадратичного отклонения и минимизации детерминанта матрицы, обратной матрице перехода к цветовому пространству XYZ (для уменьшения разностного цветового шума) при вариации глубин барьеров x1, x2, x где Ys(x1, x2, x3, ) = cY,1 A1(x1, x2, ) + cY,2 A2 ( 0, x1, ) + cY,3 A3(x2, x3, ), Zs(x1, x2, x3, ) = cZ,1 A1(x1, x2, ) + cZ,2 A2 ( 0, x1, ) + cZ,3 A3(x2, x3,).

Аналитически рассчитаны спектральные чувствительности каналов A1, A2 и A3 (рис. 7). Для более точного преобразования кривых спектральных чувствительностей цветной фотоячейки на границах видимого диапазона излучения в кривые сложения цветового пространства используется внешний оптический фильтр, подавляющий излучение в инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Получены спектральные чувствительности каналов, преобразованные в XYZ методом равномерного приближения (рис.8). Однако, точность цветового преобразования зависит не только от формы спектральной пропускной способности фильтра, но и положения цветоделительных чувствительности каналов. При этом значения x1, x2, x3, полученные в результате оптимизации, составили, 0.40, 1.25 и 2.5 мкм соответственно.

Наиболее существенным для данной конструкции является расстояние по глубине между указанными двумя барьерами, определяющее эффективность сбора «зеленых» носителей. Для «синих»

фотоэлектронов поле, образованное приповерхностным p - n переходом достаточно для разделения электронно-дырочных пар, а для «красных»

носителей есть значительный запас по р области в глубину подложки, определяемый диффузионной длиной для неосновных носителей.

Рис.7. Рассчитанные аналитически с учётом внешнего фильтра спектральные чувствительности каналов Ai ( xi 1, xi, ), i = 1, 2, В результате проведенного моделирования технологического процесса получены распределения электроактивных примесей в одномерном сечении структуры, а также потенциала. Расстояние между потенциальными барьерами в глубину подложки, обеспечивающее соответствие спектральных чувствительностей кривым сложения составило 1.1 мкм.

Рис.8. Спектральные чувствительности каналов Ai ( xi 1, xi, ), i = 1, 2, 3, преобразованные в XYZ методом равномерного приближения Для обеспечения соответствующего расстояния и устранения проблемы смыкания барьерных слоев предложено использование компенсирующего n- слоя, расположенного между барьерными слоями.

Получены расчетные спектральные чувствительности каждого из цветовых каналов такой конструкции с учетом пропускной способности многослойной оксидной защитной пленки над фотоэлементом.

В четвёртой главе теоретически и экспериментально исследованы спектральные зависимости пропускания защитного многослойного диэлектрического покрытия интегральных схем применительно к вопросам разработки и конструирования цветных матричных КМОП фотоприемников. Проведены измерения, демонстрирующие значительную модуляцию спектральной чувствительности фотоэлементов, закрытых стандартным многослойным диэлектрическим покрытием, что существенно препятствует качественному цветоделению фотосигнала. Численное моделирование спектральной прозрачности используемого стандартного диэлектрического покрытия показывает, что основную роль при этом играет интерференция в верхнем диэлектрическом слое, показатель преломления в котором оказался существенно больше соответствующего справочного значения, а именно 2.5.

модифицированная КМОП - технология 0.25 мкм фабрики XFAB с числом уровней металлизации, равном 5. Большое количество слоев металлизации приводит к росту толщины набора диэлектрических слоев над фоточувствительной площадью фотоэлементов. Кроме того, по всей площади микросхемы наносится дополнительное верхнее защитное диэлектрическое покрытие, состоящее обычно из планаризующего слоя фосфоро-силикатного стекла (ФСС) и защитного слоя Si3N4. Указанные диэлектрические материалы оптически прозрачны, но обладают различными показателями преломления, что приводит к многократному отражению световых волн на межслойных границах и соответствующей интерференции. При этом пропускная способность многослойного покрытия становится спектрально-зависимой и приводит к искажению формы результирующей спектральной чувствительности фотоэлемента.

Эти искажения являются критичными для фотоприемников цветного изображения, где от формы спектральной чувствительности фотоэлементов зависит точность цветопередачи.

Проведено экспериментальное исследование на предмет установления влияния защитного пассивирующего покрытия на спектральную чувствительность фотоприемников. Были изготовлены три типа фотоэлементов, представляющих собой n+-psub фотодиоды.

Фотодиоды расположены на одной и той же кремниевой пластине, изготовлены по одному и тому же технологическому маршруту, в котором отличались только наборы диэлектрических слоев над фоточувствительной областью. В первом из них был нанесён только SiO2, во втором на SiO2 был нанесен один пассивирующий слой ФСС, в третьем образце на SiO2 были нанесены слои ФСС и Si3N4.

Результаты измерений тестовых фотодиодов подтверждают существенное влияние пассивирующих слоев на форму зависимости спектральной чувствительности от длины волны света. Характеристика диода без пассивации наименее селективна и довольно близка к форме фоточувствительности обычных кремниевых фотодиодов. Наблюдаемая здесь модуляция с множеством резонансных пиков связана с интерференцией высокого порядка в толстой многослойной области SiO2, толщина которой в реальных конструкциях оказывается порядка 7-12 мкм. Характеристика спектральной чувствительности фотодиода с однократной ФСС пассивацией демонстрирует суперпозицию «высокочастотной» и «низкочастотной» модуляции с небольшими амплитудами. Спектральные характеристики структур с двойной ФСС– Si3N4 пассивацией отличает существенно бльшая амплитуда «низкочастотных» спектральных изменений и значительное (до 40%) подавление светового сигнала на некоторых спектральных участках видимого спектра. При этом наблюдается негативный для цветных фотоячеек провал фоточувствительности в зеленой области.

Оказалось, что к требуемой модификации спектров, как по амплитуде, так и по положению соответствующих максимумов приводит только изменение эффективного показателя преломления верхнего слоя, а именно: пленки ФСС в двухслойной структуре и Si3N в трехслойной.

Эти данные свидетельствуют о том, что финишные технологические процессы, среди которых имеются и довольно критичные, например, термоотжиг в атмосфере водорода, существенно изменяют стехиометрию наружного диэлектрического слоя и приводят к значительному росту показателя преломления.

Использованные в измерениях образцы фотоприемников прошли обработку отжигом в водороде (H2 anneal) при температуре примерно 400°С в течение времени порядка 15 мин, что и привело к обнаруженным спектральным нарушениям пропускной способности всей структуры Si3N4-ФСС-SiO2-Si. Поскольку процесс изготовления большой интегральной схемы, в том числе и мегапиксельного многоэлементного матричного фотоприемника, достаточно сложен как по организации, так и по настройке параметров технического процесса на всех этапах производства, то высокотемпературный финишный отжиг в водороде не может быть исключен, поскольку он обеспечивает повышение качества защитного покрытия.

Способы устранения нежелательного эффекта, связанного с деградацией показателя поглощения:

1. Вытравливание слоёв Si3N4-ФСС непосредственно над полем фоточувствительной матрицы на финишном участке производства, не нарушая термического бюджета типового КМОП процесса.

2. Нанесение вместо защитных слоёв дополнительного слоя с показателем преломления меньшим или равным показателю преломления нижних слоёв SiO2.

3. Настройка толщин защитных слоёв при данных параметрах отжига и нанесение дополнительных плёнок без нарушения целостности поверхности кристалла.

В пятой главе теоретически и экспериментально исследованы различные конструкции биполярных транзисторов, выполненные в КМОП процессе. В реальных приборах динамический диапазон цветов ограничен шумами управляющих схем, а светочувствительность и контрастность изображения зависят не только от спектральных характеристик, но и от параметров считывающей электронной схемы.

Важной задачей является снижение уровня шума в периферийной электронной схеме. Однако, с уменьшением размеров КМОП транзисторов ухудшаются их усилительные свойства, а шумы возрастают. Биполярные транзисторы (БТ) в сравнении с МОП транзисторами обладают меньшим уровнем низкочастотных шумов.

Эти свойства определяют преимущества БТ. Совмещение в структуре БИС КМОП и биполярных транзисторов даёт возможность улучшить функциональные характеристики и технические параметры аналогоцифровых схем.

Предложены физическая структура БиКМОП микросхемы включающая одновременно БТ, КМОП приборы и фотоячейки.

Исследованы структуры БТ, где в качестве скрытого коллектора и эмиттера были использованы n- слои, которые входят в конструкцию фотоячейки (рис.9).

Рис.9. Структура n-p-n транзистора с площадью эмиттера 0.74х1.9 мкм2, выполненная в р-подложке, с кольцевым электродом из Проведён расчёт электрических характеристик такой биполярной структуры. Предварительные оценки показали увеличение тока коллектора и коэффициента усиления до 30. По результатам предварительного исследования были спроектированы тестовые кристаллы. Анализ экспериментальных результатов выявил зависимость коэффициента усиления от ширины эмиттера. Для транзистора с шириной эмиттера 1.34 мкм измеренное значение коэффициента усиления составило 22. Задержка на вентиль тестового кольцевого генератора составила 0,3 нсек. Наличие экспериментальных данных по коэффициентам усиления для различных типов транзисторных структур позволило уточнить параметры модели.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что для эффективного цветоделения в кремниевых фотоприёмных структурах вместо встречных p-n переходов можно использовать изотипные р+-р энергетические барьеры, возникающие при имплантации слоёв с перепадом концентрации около двух порядков.

2. Вертикальная интеграция чувствительных элементов «красного», «зелёного» и «синего» участков спектра в структурах фотоячеек за счёт латеральной диффузии электронов в p+-p-p+ каналах между барьерными слоями обеспечивает эффективную доставку фотоэлектронов к удалённым контактным n+ площадкам.

3. Эффективная оптимизация спектральной чувствительности элементов цветной фотоячейки в критериях современной теории колориметрии обеспечивается вариацией глубин расположения барьерных слоёв. При этом разброс квантовой спектральной чувствительности при технологическом разбросе по энергиям имплантации, приводящим к смещению границы цветоделения по глубине на ± 0.1 мкм, составляют 12% для p-n перехода, 4% для изотипного p+-p перехода.

4. Наиболее существенным оказалось расстояние по глубине между барьерами для сбора компоненты фототока, отвечающей «зелёному»

участку спектра. Предложено использовать компенсирующий n – слой для устранения смыкания барьерных р+ слоёв.

5. Для подавления фоточувствительности цветной фотоячейки в инфракрасной области спектра необходимо применять эпитаксиальные подложки или р+-барьерный слой.

6. В процессе исследований экспериментальных образцов МПЦИ было выявлено снижение спектральной чувствительности фотоячеек на длинах волн, соответствующим «зелёным» компонентам спектра.

Устранить влияние диэлектрического покрытия на спектральную чувствительность возможно с помощью вытравливания слоёв Si3N4ФСС над фоточувствительным участком ячейки на финишном этапе изготовления без термообработок и изменения термического бюджета технологического процесса.

7. Полученные результаты обеспечивают интеграцию в рамках КМОП процесса на одном кристалле кремниевых фотоприёмников с высокими техническими характеристиками, считывающей и обрабатывающей электронных схем.

8. Результаты практических разработок отражены в Актах внедрения. Новизна технических решений подтверждена патентами на изобретения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Ванюшин И.В., Гергель В.А., Горшкова Н.М., Зимогляд В.А., Тишин Ю.И. Разделение фототока на цветовые компоненты в кремниевых фотодиодных ячейках профилированием распределения бора в подложке // Электроника и информатика – 2005. V Международная НТК: Материалы конференции. Часть 1. – М.: МИЭТ, 2005. – с. 60.

2. Булах И.И., Ванюшин И.В., Горшкова Н.М. Оптимизация положения цветоделительных р-р+-р барьеров в профилированной бором кремниевой цветной фотоячейке с глубинным цветоделением // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук - 2005.

Физическая и квантовая электроника. Сборник научных трудов XLVIII НТК в 11 томах. Часть 5. – М.: МФТИ, 2005. – с. 121-122.

3. Горшкова Н.М. Формирование фотоячейки с глубинным цветоделением в эпитаксиальном р-слое на р-подложке для режекции паразитной ИК чувствительности и повышения разрешающей способности матричного фотоприёмника цветного изображения // Микроэлектроника и информатика – 2006. 13-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов. Тезисы докладов. – М.

МИЭТ, 2006. – с. 99.

4. Ванюшин И. В., Гергель В.А., Горшкова Н.М., Зимогляд В.А., Лепендин А.В., Тишин Ю.И. Компенсация смыкания «сине-зеленого» и «зелено-красного» барьерных р+-слоев и эффективность выделения «зеленой» компоненты в фотоячейке с глубинным цветоделением на потенциальных барьерах // Международная НТК по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Тезисы докладов. – М.: ГНЦ ГУП НПО «Орион», 2006. – с. 176.

5. Ванюшин И.В., Гергель В.А., Горшкова Н.М., Зимогляд В.А.

Накопление фотозаряда и выравнивание амплитуд цветовых сигналов в фотоячейке с глубинным цветоделением на потенциальных барьерах // Лазеры в науке, технике и медицине. Тезисы докладов XVII Международной НТК (г. Сочи, 2006). – М.:МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2006. – с. 37-40.

6. Горшкова Н.М. Исследование биполярных транзисторов в БиКМОП процессе // XLVIX научная конференция МФТИ.

Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Труды научной конференции. – М.: МФТИ, 2006. – с. 67.

7. Ванюшин И.В., Горшкова Н.М. Оптимизация спектральных характеристик цветной фотоячейки с глубинным цветоделением на потенциальных барьерах для наилучшего их соответствия цветовому пространству XYZ // Материалы Международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения – 2006». Часть 3. – М.: МИРЭА, 2006. – с. 251-253.

8. Ванюшин И.В., Гергель В.А., Горшкова Н.М., Затолокин К.М., Князев А.Н. Влияние многослойного диэлектрического покрытия Si3N4PSG-SiO2 на спектральную чувствительность элементов матричных КМОП-фотоприемников // Радиотехника и электроника, 2006. – Т. 51, №12.– с. 1520-1525.

9. Адамов Ю.Ф., Горшкова Н.М., Крупкина Т.Ю. Использование фотослоев для формирования биполярных транзисторов в базовом КМОП-процессе // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2006. II Всероссийская НТК. Сборник научных трудов под общ. ред. А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2006. – с. 421-424.

10. Vanyushin I.V., Verhovtseva A.V., Gergel’ A.V., Gorshkova N.M., Gontar`V.M., Zimoglyad V.A., Tishin Yu.I. Single Photon Current Impulses Statistics of the Small Square Silicon Avalanche Photodiodes in Geiger`s Mode // International Conference «Micro- and nanoelectronics 2007». – Moscow - Zvenogorod, Russia. – p. P1-24.

11. Vanyushin I.V., Verhovtseva A.V., Gergel’ A.V., Gorshkova N.M., Zimoglyad V.A., Tishin Yu.I. Red Channel Frequency-Contrast Characteristics Correction Method of the Matrix Photoreceiver Based on Simplified Design of the Photocells with Deep Color Separation // International Conference «Micro- and nanoelectronics 2007». – Moscow Zvenogorod, Russia. – p. O1-27.

12. Адамов Ю.Ф., Тишин Ю.И., Гергель В.А., Зимогляд В.А., Ванюшин И.В., Лепендин А.В., Горшкова Н.М. Патент РФ № 2311702, опубликованный в бюллетене № 33 от 27.11.2007. Метод изготовления группы транзисторов и фотодетекторов с вертикальным фильтром цветов.

13. Сибагатуллин А.Г., Горшкова Н.М., Губин Я.С. Способ калибровки напряжения смещения нуля компаратора аналого-цифрового преобразователя и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2301427 опубликованный в бюллетене 17 от 20.06.2007.

14. Горшкова Н.М., Губин Я.С., Сибагатуллин А.Г. Патент РФ № 2308146 опубликованный в бюллетене 28 от 10.10.2007. Устройство защиты выводов интегральных схем со структурой МДП от электростатических разрядов.

15. Gergel V.A., Gorshkova N.M Effective Electrostatic Discharge Protection Elements for CMOS Circuits // SPIE Proc. «Micro- and Nanotechnologies 2005» – Vol. 6260, – P. 62601F-1 - 62601F-8.

16. Гергель В.А., Горшкова Н.М., Губин Я.С., Сомов О.А.

Проектирование элементов защиты от электростатических разрядов для высокочастотных КМОП микросхем // Радиотехника и электроника, 2006. – Т. 51, №1.– с. 125-128.

17. Адамов Ю.Ф., Горшкова Н.М., Матвеенко О.С. Кремниевые гетероструктуры для наноразмерных транзисторов // Нано- и микросистемная техника, 2007. - №7. – с.4-9.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л.. Тираж экз. Заказ.

Отпечатано типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, г.Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.