Введение к работе
Актуальность проблемы
Для соврешнной техники, в частности, электроники, ха-. рактерна тенденция к созданию систеы приема и преобразования информации в удобный для восприятия человеком вид, отличаю-' шхся от разработанных ранее тем, что все больше функций по обработке информации выполняется самой системой за счет повышения вычислительной мощности и применения развитого математического обеспечения. Ддя восприятия оператору во асе большем числе случаев предлагается готовый результат анализа и переработки массива данных. В предельном случае на основе анализа и обработки собранных данных система принишет решение автоматически.
В этой связи, однако, возникает проблема обеспечения высокой степени достоверности поступавши информации и сведения к минимуму риска принятия неправильного решения. В систешх, имеющих дело с восприятием и обработкой оптической информации, названная проблема могвт быть решена как путец увеличения входного потока данных, так и повышением его качества. В первом случае необходимо повысить разрешашуо способность использующихся в системе датчиков кзобраазния, улучшить их пороговые характеристики, либо сделать систему способной к адаптации к условиям работы» например, путей обмена разрешающей способности на чувствительность. Повышение качества входного потока данных достигается за счет повышения однородности и стабильности фотоэлектрических параметров датчика изобрсшэния, на котором базируется система. Для навигационных систем и систем обнаружения, например, огромное
- 4 -значение имеет жесткость растра, с которой непосредственно связана точность определения координат или формы обгекта наблюдения. Кроне того, снижение абсолютной величины и неоднородности теьшового сигнала обеспечивает повышение отнопе-ния снгвах/шуи на входе анализирующего блока системы, благодаря чему повышается точность решения задач фотометрического характера, а также возрастает достоверность регистрации сигнала слабых источников излучения.
В системах технического зрения больше значение имеет устойчивость датчика изобраязния к внешним воздействующий факторам - как к механическим и климатическим, так и к злектрошгнитиым полны.
Еэкскац, долговечность и надежность датчика изобраявния играет определяющую роль при построении на его основе сложных и крайне дорогостоящих систем космического и наземного базирования, срок слуабы которых во многих случаях определяется сроком сдуабы сашго датчика изображения.
Шиболзе полное соединение названных выер качеств дос-тигаэтся в ЗоточувствЕтедъных устройствах, выполненных по технологии твердотельных интегральных схем; если же речь идет о датчиках изобрази нта, то тагеиш устройствами являются фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Применение для их создания технологии твердотельных ИЗ обеспечивает потенциально неограниченную долговечность, во всяком случае, многократно превышавшую срок слуяйы вакуумных телевизионных трубок; аэсткооть растра и нечувствительность его к воздейс-ташо электромагнитных полей обеспечивает высокую точность
определения координат и геометрических характеристик, объектов наблюдения; возможность адаптации фоточуяствительных ПЗС к характеристикам принимаемого изображения (изменение полосы частот передаваемого сигнала, обмен разрешащэй способности на чувствительность) вообще представляет собой новое свойство, нереализуемое на основе вакуумных приборов.
Широкое внедрение твердотельных датчиков изображения благодаря названным выше достоинствам позволит создать телевизионные системы с принципиально новыми функциональными возможностями. Однако, к моменту начала диссертационной работы не существовало детально разработанных принципов конструирования крупноформатных фоточувствительных ПЗС, . позволивших создать приборы, пригодные для устойчивого серийного производства. Проектирование приборов велось на основе общих представлений о физических процессах переноса заряда в ГОС-структурах без учета специфичности технологических процессов изготовления ГОС с поликремниевой системой фазовых электродов. Зто приводило к исчезавдэ малому проценту выхода годных при попытках организовать серийное производство фоточувствительных матричных ПЗС со степеньп интеграции порядка 500x500 элементов, создание которых предусматривалось кош* лексными отраслевыми программами "Заряд-85" и "Заряд-90". Следовательно, настоящая работа, посвященная решенив проблемы разработки конструктивно-технологических принципов создания ПЗС большой степени интеграции, является актуальной.
- б -Цель работы Целью работы является создание научных основ конструирования крупноформатных фоточувствительных приборов с зарядовой связью, обеспечивающих возможность их серийного выпуска. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи.
-
Выполнить анализ и сравнение различных конструктивно-технологических вариантов ШС по критерию надежности технологической системы для их серийного производства.
-
Исследовать закономерности возникновения отказов в ШС и разработать модели процессов, приводящих к их появлению.
а Разработать конструктивные методы снижения вероятности возникновения отказов в ШС.
4. Разработать крупноформатные ВС, конструкция которых обеспечивает их серийный выпуск на баге технологии с полик-ремниевыыи затворами.
Научная значимость и новизна работы 1. Разработана вероятностная модель поражения ПЗС-струк-туры фотолитографическим дефектом, учитывающая тип конструктивно-технологической схемы ШС, на основе которой проведен сравнительный анализ зависимости процента выхода годных от конструктивно-технологической схемы ШС. Показано,что для организации серийного производства ПЗС высокой степени интеграция следует использовать трехслойную поликремниевув технологию, а сами ПЗС деланы иметь трехфазную систему управле-
- 7 -ния. '
-
Разработана вероятностная модель несовмепения топологических слоев полупроводниковых микросхем, учитывавшая характеристики точности фотолитографического оборудования. Шказано.что для увеличения фоточузствителъяости ПЗС высокой степени интеграции значение допуска на яесовыешение топологических слоев в их структуре должно быть по крайней мере вдвое меньшим максимально возможного рассоЕмедения слоев.
-
Выполнен статистический анализ распределения различных видов отказов при серийном производстве ПЗС и установлена взаимосвязь вида отказа с конструктивно-топологическими элементами структуры.
-
Разработана модель отказов в многослойных подикремни-евых ПЗС-структурах, и показано» что для их предотвращения необходимо исключить возможность контакта алюминиевой металлизации с нияелелашиш подикремниэвымя сдояш в области замыкающих поликремниевых шин системы фазовых электродов. Предложены новые конструктивныэ методы, обеспечивающие предотвращение отказов ПЗС по статический аарамэтра>л.
-
Показано, что для повышения надежности я увеличения процента выхода годных фоточувстЕитедышх ПЗС сток для избыточных фотогенерированных носителей заряда додлен быть выполнен в виде МДП-етрукгуры, управляемой фазовым электродом; предложена методика расчета устойчивости ПЗС такой конструкции к световым перегрузкам.
8. Показано, что для повышения тактовой частоты работы ПЗС топология токсподводящих элементов долана быть симшт-
_ \t _
ричной относительно центра системы фазоьнсс электродов.
7. Показано, что увеличение точности задания потенциального рельефа в канале ПЗС с виртуальной фазой,определяющей характеристики хранения и передачи заряда, монет быть достигнуто использованием дзухслойной поликремниевой конструкцію ячейки ПЗС.
Научные положения, выносимые на зашиту
-
Отказы по статическим параметрам кристаллов ФПЗС вызываются диффузией алшиния сквозь отверстия в поликремниевых слоях в областях контактных окон к замыкающим шинам фазовых электродов при термической обработке пластин после операции формирования алюминиевой разводки.
-
Вероятность того, что взаимное рассовмешвние двух топологических слоев интегральной микросхемы между собой, каждый из которых в отдельности совмещен с третьим топологическим слоем, превысит значение А, равна
А/ШГ A/li 2D-tt'
F(A)=l/2-(24T) expf-t* ) Jexp(-t )dt2dt,,
0 0 где D - дисперсия погрешности процесса совмещения двух топологических слоев.
3. Вероятность получения полностью годного по статичес-
ким параметрам кристалла ПЗС равна Р=0,99 (1-k) , где m -
число поликремниевых сдоев в кристалле ПЗС, содержащих более одной фазы, q - обшее число операций в технологическом цикле, а к - вероятность поражения подикремниевой структуры де-
свектсм произвольного размера, равная
к=(п+1)/[(ЛГтах) -СбіШ >
СІ-(ОіП) 3+С(0дахГ J -УАп+Ш, где:
Эсзах=Х/,Хкр, X - размер кристалла ГОС; 0Скр=2Ііп-Кїіп - критический размер дефекта;
Ліп= Uin/Хкр, Віп= оіа/ОСкр;
Йіп - длина электродов ПЗС; о in - зазор между ними;
п=-3. ..-0,5 - показатель степени в плотности распределения размеров дефектов Б'Чх/оСкр)'1';
х'=х/ЗСкр - относительный размер дефекта;
х - абсолютный размер дефекта.
-
Применение полевого стока антиблуминта, управляемого фаговым электродом, обеспечивает стойкость ФПЗС к световым перегрузкам, разную стойкости ФПЗС традиционной конструкции с диффузионным стоком, и позволяет исключить из технологического процесса изготовления группу операций формирования диффузионных стоков.
-
Формирование на периферии кристалла БИС опорной структуры из материалов топологических слоев и исключение попадания контактных окон в контуры сформированных ранее фаговых электродов обеспечивает образование микрозазора между фотошаблоном и полупроводниковой пластиной и подавление образования паразитных проводящих перемычек между поликремние-зыми слоями, что для кристаллов плошдьо 1-2 см обеспечивает повышение процента выхода годных по статическим параметрам
до 20-ЗОХ для разных типов ФПЗС.
Практическая ценность работы
-
Разработана методика проектирования ШС-структур, позволяющая, исходя из заданных характеристик технологического оборудования (точность совмещения, точность воспроизведения размеров элементов, минимальный воспроизводимый размер) , определить топологические параметры ПЗС (длину фазовых электродов, размеры ячеек и кристалла).
-
Предложена новая конструкция ФГОС с полевым стоком
антиблуминга, управляемым фазовым электродом секции накопления, которая позволяет исключить из процесса изготовления группу операций формирования диффузионного стока при сохранении высокой чувствительности прибора в ближнем ИК-диапазоне.
-
Предложены новые конструкции крупноформатных матричных <Ш2С, обеспечивающие увеличение процента выхода годных за счет введения принудительного зазора между пластиной и фотошаблоном на операции фотолитографии и исключения попадания контактных окон в контуры сформированных ранее фазовых электродов. Это позволило обеспечит серийный выпуск ВС типов 1200ЦМ7, 1200ЦЫ12, А-1І46, А-1094.
-
Разработана конструкция ФП2С с числом элементов 1024x1024, позволяющая повысить тактовую частоту управления за счет строгой конструктивно-топологической симметрии прибора.
-
Разработана конструкция многоканальной матричной
двухфазной линии задержки, позволяющая повысить тактовую частоту управления матричной секцией до 20 МГц га счет дублирования поликремниевых электродов алюминиевыми шинами.
Внедрение результатов
Теки диссертации непосредственно связана с 9 НИОКР, выполненных в рамках государственных целевых комплексных программ "Заряд-85'1 и "Заряд-90" в период 1980-1990 г. Г.
Научные и практические результаты диссертации внедрены в производство серийных крупноформатных ЖЗС типов 12О0ІЩ7, 1200Ш2 (объем выпуска - 20 тыс. шт.), А-1146 (объем выпуска 10 тыс.шт. ),А-1094 (объем выпуска в корпусах с термоэлектрическим охлаждением 150 шт.).
Разработанные серийные S233C 1200Цм7, 1200ЦШ2,А-1148, А1094 внедрены в бортовые и наземные оптоэлектронные комплексы в числе которых может быть названа система 14К017 разработки ЫЩ "Оптзкс" НПО "Злас", система контроля характеристик осциллографической аппаратуры специального назначения, разработанной ВНИИ радиоизмерительных приборов. Кроме того, серийный выпуск ФГОС 1200ЩГ7 позволил создать новый класс ТВ-аппаратуры с параметрами, принципиально недостижимыми на основе датчиков изображения других типов - ТВ-системы с высокой степенью стойкости к внешним механическим воздействиям (система "Удилище" разработки ВНИИ телевидения).Серийный выпуск ФГОС названных выше типов позволил наладить производство компактных ТВ-камер черно-белого изображения серий КШ и КГ разработки ЭНИМС и НИИ электромагнитных компонентов.
Апробация работы Основные результаты работы доложены на двух отраслевых конференциях в НИИ "Пульсар" в 1983 г. и в 1987 г. Разработки ФПЗС отмечены золотой медалью ВДНХ СССР.
Публикации По тематике диссертационной работы опубликовано 17 работ, 3 доклада, получено 13 авторских свидетельств.
