Введение к работе
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 р-п переходов разделяют фототок на компоненты, отвечающие фотогенерации в заглубленных слоях фоточувствительной структуры р или п 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. Этот уникальный 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 р -р 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:
Проведён сравнительный анализ основных конструктивных вариантов ячеек МПЦИ.
Проведено исследование влияния разброса технологических параметров по энергии имплантации на спектральную чувствительность фотоячейки на изотипных р+-р переходах.
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 р+-р переходах достигается вариацией
основных технологических параметров имплантации. Формирование р-
областей осуществляется имплантацией бора с энергией до 1000 кэВ в
рамках КМОП процесса.
Оптимальное цветоделение в критериях современной теории колориметрии обеспечивается при расположении максимумов концентраций р+- слоев в фотоячейках на глубинах 0.40,1.25 и 2.50 мкм.
Изменение спектральной чувствительности р+-р перехода в три раза меньше по сравнению с р-n переходом при одинаковом смещении профиля легирования, связанного с технологическим разбросом.
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 1.3-1013см"2.
5. Предложена и реализована новая физическая структура
матричного приёмника цветного изображения включающая массив
фотоячеек с глубинным цветоделением, КМОП и биполярные п-р-п и
р-п-р 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 п-р-п и р-п-р 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 р+- слоев 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 1.3-1013см"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».
Результаты работы применялись в НИР «Эгида» лаборатории микро- и наноэлектроники Института радиотехники и электроники Российской академии наук, что отмечено в акте внедрения.
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 640x512x3 на основе конструкции фотоячейки с глубинным цветоделением на изотипных р+ - р 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,
МИЭТ, 2005;
XL VIII НТК МФТИ «Современные проблемы
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,
2006;
49-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы
фундаментальных и прикладных наук 2006», г.Москва, МФТИ,
2006;
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 научно-технических 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.
