Конструктивно-технологические аспекты
реклама
Конструктивно-технологические аспекты создания кремниевых цветных фотоячеек с глубинным цветоделением на изотипных р+-р переходах Н.М. Горшкова (научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор В.А. Гергель) ООО «Юник Ай Сиз», Институт радиотехники и электроники РАН, [email protected] Аннотация — в работе предложена методика проектирования нового типа матричных приёмников цветного изображения на принципах глубинного цветоделения, реализуемых в рамках КМОП технологии. Получены расчётные и экспериментальные спектральные характеристики фотоячеек. Предложена физическая структура БиКМОП микросхемы, включающая одновременно биполярные транзисторы, КМОП приборы и фотоячейки. ные свойства, а шумы, напротив, возрастают. Для промышленных применений и высококачественной бытовой видеотехники перспективной считается БиКМОП технология, совмещённая с процессами изготовления фотоячеек. II. МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ И КОРРЕКЦИИ ФОРМЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ I. ВВЕДЕНИЕ 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 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 кремниевых селективно чувствительных фотоприемных ячеек для систем регистрации цветного изображения предполагают использование сложных транзисторо- и тиристороподобных пространственных структур. 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 усилитель- 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. 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 (рис.1). Для решения уравнения Пуассона в приближении малого уровня инжекции используем упрощенные квазиравновесные выражения для концентрации носителей заряда. При реальных уровнях освещенности можно пренебречь влиянием фотогенерированных носителей на распределение потенциала в структуре. ции, необходимой для подавления фототока из толщи подложки. а Рис. 2. Расчетные зависимости квантовой спектральной чувствительности фотоприемной ячейки, полученные для различных доз p+ имплантации DA при одной и той же энергии имплантации E = 720 кэВ При больших дозах, когда концентрация в максимуме распределения имплантированной примеси значительно превышает фоновую (~10-13см-2), глубина разделения оказывается практически совпадающей с положением максимума распределения имплантированного бора (рис. 3). б Рис. 1. (а) Структура фотоприемной ячейки c коррекцией длинноволнового края чувствительности. X P+ – глубина залегания максимальной концентрации акцепторов p+-слоя, X S – толщина подложки; (б) распределение концентраций примесей В работе рассчитаны спектральные зависимости квантовой чувствительности γ ( λ ) диода с подложкой p - типа при различных дозах имплантированного бора с энергией E = 720 кэВ (рис.2). Значению этой энергии отвечает положение максимума концентрации 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 импланта- Рис. 3. Расчетные зависимости квантовой спектральной чувствительности фотоприемной ячейки, полученные для различных энергий имплантации E при одной и той же дозе р+ имплантации D A ~ 1.70 ⋅ 1013 см-2 Таким образом, изменяя величину Xp+, зависящую от энергии имплантации, можно достаточно эффективно управлять длинноволновым краем спектральной чувствительности фотоэлемента. Соответствующие экспериментально-технологические 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. Фоточувствительная структура реализованная с дополнительным слоем BB (Buried Barrier) (рис.4), демонстрирует спад фоточувствительности в красной и инфракрасной областях спектра (рис.5). Слой ВВ представляет собой имплантированный на глубину 2.45 мкм бор с концентрацией электроактивных акцепторов N a = 2.5 ⋅1017 см-3. Полученные экспериментальные данные демонстрируют подавление 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. 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.6). Рис. 5. Спектральная чувствительность n+-p структуры со встроенным p+ слоем 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. 4. Принцип функционирования n+-p фоточувствительной структуры со встроенным p+ слоем BB Используя совместно три изотипных перехода с различной глубиной имплантированного p+-слоя, можно составить элементарную ячейку матричного фотоприёмника цветного изображения. 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. 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, возможно 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. III. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ И ФОРМЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЦВЕТНЫХ ФОТОЯЧЕЕК В предложенных спектрально чувствительных фотоячейках с глубинным цветоделением, где для разделения фототока на цветовые компоненты используется система из потенциальных р-р+ 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. 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. Используя выражение для плотности фототока в зависимости от длины волны (1), 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). λ (1) (exp(− α( λ) x )) , j = − qI ф 0 ных характеристик в пространство XYZ для получения наибольшего приближения к колориметрическим кривым этого цветового пространства. 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. Фильтр подавляет 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 потенциальных барьеров, определяющих спектральные чувствительности каналов. При этом значения, полученные в результате оптимизации, составили, 0.40, 1.25 и 2.5 мкм соответственно. Рис. 7. Рассчитанные аналитически с учётом внешнего фильтра спектральные чувствительности каналов hc При оптимизации глубин залегания цветоразделительных барьеров необходимо учитывать влияние положения каждого из барьеров на спектральную чувствительность двух цветовых каналов одновременно, слишком близкое взаимное расположение двух барьеров может привести к их перекрытию по концентрациям примесей и потере чувствительности одного из каналов. Оптимизация положения цветоделительных барьеров проводилась при заданном внешнем оптическом полосовом фильтре с последующим вычислением коэффициентов матрицы преобразования спектраль- Рис. 8. Спектральные чувствительности каналов, преобразованные в XYZ методом равномерного приближения IV. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНТЕГРАЦИИ БИПОЛЯРНЫХ И КМОП ТРАНЗИСТОРОВ В СТРУКТУРЕ ФОТОПРИЁМНЫХ АНАЛОГОЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ С СУБМИКРОННЫМИ РАЗМЕРАМИ Несмотря на то, что КМОП технология обладает такими преимуществами, как возможность интеграции дополнительных схем и элементов, в том числе и процессора для обработки сигнала, низкое энергопотребление, возможность доступа к любому пикселю обрабатывающим каскадом, существует проблема, связанная с наличием шумов. Существуют различные методы борьбы с шумами, как алгоритмические, так и технологические. Для борьбы с низкочастотными шумами, в схемах обработки весьма привлекательной выглядит идея использования биполярных транзисторов. Биполярные транзисторы в сравнении с МОП транзисторами обладают большей крутизной проходной характеристики и большим статическим коэффициентом усиления напряжения. Эти свойства определяют преимущества биполярных транзисторов в блоках управления электропитанием, ультракоротковолновом (УКВ) радио, прецизионных аналоговых и других блоках. Таким образом, совмещение в структуре БИС КМОП и биполярных транзисторов даёт возможность улучшить функциональные характеристики и технические параметры аналого-цифровых схем. В современном производстве БиКМОП структуры изготавливаются на основе эпитаксиальной технологии, что значительно увеличивает их стоимость. Распространены только две модификации БиКМОП структур. Первая объединяет биполярные транзисторы с рабочими напряжениями до 30 В, граничной частотой усиления тока 2-4 ГГц, а также КМОП транзисторы с длиной канала 0.5-0.6 мкм и рабочими напряжениями 5 В. Вторая модификация основана на технологии гетероструктур кремний-германий, объединяет биполярные транзисторы с рабочими напряжениями 4-5 В, граничной частотой усиления тока 100-200 ГГц, а также два типа КМОП структур с длиной канала 0.13-0.18 мкм и 0.35 мкм [28-34]. Первая модификация используется только в простых микросхемах управления электропитанием и ультракоротковолновое (УКВ) радио. Вторая модификация применяется очень ограничено из-за высокой стоимости (цена единицы площади кристалла в 10 и более раз выше, чем для КМОП процесса с теми же размерами элементов). Дешёвые модификации БиКМОП процесса с размерами элементов 0.18-0.25 мкм в производстве отсутствуют. Однако, добавив несколько дополнительных имплантаций в стандартный КМОП процесс, не нарушая термического бюджета всего процесса, можно реали- зовать биполярную транзисторную структуру. Поскольку, производство МПЦИ с глубинным цветоделением на изотипных p+-p переходах выполняется как раз в рамках КМОП процесса с несколькими дополнительными имплантациями, можно изготовить экспериментальные образцы для проверки и подтверждения работоспособности, а также эффективности использования такой конструкции. 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. 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 даст возможность улучшить функциональные характеристики и технические параметры аналого-цифровых схем. Предложены физическая структура БиКМОП микросхемы включающая одновременно БТ, КМОП приборы и фотоячейки. Теоретически и экспериментально исследованы различные конструкции биполярных транзисторов, выполненные в КМОП процессе, где в качестве скрытого коллектора и эмиттера были использованы n- слои, которые входят в конструкцию фотоячейки (рис.9). 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. Рис. 9. Структура n-p-n транзистора с площадью эмиттера 0.74х1.9 мкм2, выполненная в р-подложке, с кольцевым электродом из поликремния V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, 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. Вертикальная интеграция чувствительных элементов соответствующих «красному», «зелёному» и «синему» участкам 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. При этом эффективная оптимизация спектральной чувствительности элементов цветной фотоячейки в критериях современной теории колориметрии обеспечивается вариацией глубин расположения барьерных слоёв. Наиболее существенным является расстояние по глубине между барьерами для сбора компоненты фототока, отвечающей «зелёному» участку спектра. Для подавления фоточувствительности цветной фотоячейки в инфракрасной области спектра необходимо применять эпитаксиальные подложки или р+барьерный слой. 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 Si3N4-ФСС над фоточувствительным участком ячейки на финишном этапе изготовления без термообработок и изменения термического бюджета технологического процесса. Полученные результаты обеспечивают интеграцию в рамках КМОП процесса на одном кристалле кремниевых фотоприёмников с высокими техническими характеристиками, считывающей и обрабатывающей электронных схем. ЛИТЕРАТУРА [1] Ванюшин И.В., Гергель В.А., Горшкова Н.М., Зимо- гляд В.А., Тишин Ю.И. Разделение фототока на цветовые компоненты в кремниевых n+-p фотодиодных ячейках профилированием распределения бора в подложке // Электроника и информатика – 2005. V Международная НТК: Материалы конференции. – М.: МИЭТ, 2005. - Ч. 1. – 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. Сб. научных тру- дов XLVIII НТК в 11 томах. – М.: МФТИ, 2005. - Ч. 5. – С. 121-122. [3] Горшкова Н.М. Формирование фотоячейки с глубинным цветоделением в эпитаксиальном р-слое на рподложке 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. Тр. 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». – М.: МИРЭА, 2006. – Ч. 3. – С. 251-253. [8] Ванюшин И.В., Гергель В.А., Горшкова Н.М., Затолокин К.М., Князев А.Н. Влияние многослойного диэлектрического покрытия Si3N4-PSG-SiO2 на спектральную чувствительность элементов матричных КМОПфотоприемников // 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. / Сб. научных трудов под общ. ред. А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2006. – C. 421-424. [10] 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. [11] Пат. 2311702 Российская Федерация. Метод изготовления группы транзисторов и фотодетекторов с вертикальным фильтром цветов / Адамов Ю.Ф., Тишин Ю.И., Гергель В.А., Зимогляд В.А., Ванюшин И.В., Лепендин А.В., Горшкова Н.М.; опубл. 27.11.2007, Бюл. № 33.
