Фоточувствительные приборы с зарядовой

ОПЫТ РАЗРАБОТКИ МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ С
ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ С МЕЖСТРОЧНЫМ ПЕРЕНОСОМ
Е.В. Костюков1, О.В. Михайличенко1, В.Ф. Морозов2,
А.С. Скрылёв1, С.В. Трунов2
1
ФГУП «НПП «Пульсар», olga_mikh@rambler.ru
2
ОАО «НИИМЭ и завод Микрон»
Необходимость разработки матричных фоточувствительных приборов с зарядовой связью
возникла в связи с попыткой создания высококачественных твердотельных одноматричных цветных
телевизионных камер. Используемые для этой цели ранее разработанные матричные ФПЗС с
кадровым переносом (КП) не удовлетворяли требованиям цветного телевидения, т.к. при переносе
массива фотогенерированных зарядовых пакетов из секции накопления в секцию хранения из-за
конечного времени этого переноса (порядка 2 мс) возникает т.н. «смаз», приводящий к субъективно
терпимому снижению контраста черно-белого изображения и недопустимому искажению цветного.
Устранение искажений передачи цвета может быть достигнуто при использовании матриц с КП путем
применения цветокодирующих фильтров с вертикальным расположением полос или использования
электро-механических или электро-оптических обтюраторов, перекрывающих световой поток на
время переноса. В первом случае уменьшается в 3 раза (система RGB) разрешающая способность, а
во втором значительно усложняется конструкция. Однако радикально проблема смаза решается в
приборах с межстрочным переносом (МП), завоевавших доминирующее положение на рынке
бытовой видеотехники. Матричная структура с межстрочным переносом образована чередующимися
столбцами фотодиодов и экранированных от света вертикальных сдвиговых регистров (рис.1). Заряд
из элементов накопления передаётся в ПЗС-регистры, т.е. столбцы секции переноса (хранения) как бы
вставлены между столбцами секции накопления. Таким образом, в отличие от матриц с кадровым
переносом, где фотоячейка выполняет поочерёдно функции накопления и переноса (т.е. они
разделены во времени), матрицы с межстрочным переносом имеют пространственное разделение этих
функций между отдельными элементами фотоячейки. В такой структуре перенос зарядов из
фотодиодов в экранированные от света области хранения вертикальных сдвиговых регистров
происходит одновременно за один такт, и смаз, связанный с переносом во время экспозиции, не
возникает. Затем параллельно с частотой строчной развертки (для действующего ТВ стандарта 15625
Гц), построчно переносятся к выходному горизонтальному сдвиговому регистру. В это время
изображение следующего кадра (в виде картины зарядовых пакетов) накапливается в «очищенных от
заряда» фотодиодах.
Вертикальные
сдвиговые
регистры Фотоэлементы
Разрешающий
затвор
Ф1
Ф2
Ф3
Ф4
Ф1
Ф2
Ф3
Ф4
Ф1
Ф2
Ф3
Ф4
Ф1
Ф2
Выходное
устройство
Выходной затвор Выходной ПЗС-регистр
Ф2 Ф1
Рис. 1. Общая структура матричного ФПЗС
Впервые в отечественной практике разработка матричного ФПЗС с межстрочным переносом
была осуществлена в 1980 году с небольшим отставанием по времени от ведущих зарубежных фирм.
Этот прибор состоял из матричного массива с числом элементов 360 (по горизонтали) х 576 (по
вертикали), выходного ПЗС - регистра и выходных устройств с обеих его сторон (рис.2).
320
1
3
2
5
4
6
Рис. 2. Блок-схема матричного ФПЗС:
1 – матрица, 2 – основной сдвиговый регистр, 3 – левое выходное устройство выходного
регистра, 4 – правое выходное устройство выходного регистра, 5 – распределенный усилитель с
плавающими затворами (РУПЗ), 6 – выходное устройство РУПЗа.
Ячейка фоточувствительной области представляет собой комбинацию двух смежных по
вертикали фотодиодов и одного бита вертикального трехфазного ПЗС-регистра, отделенного от них
разрешающим затвором, выполненным в первом слое поликремния. Такая конструкция обеспечивает
считывание накопленных в указанных фотодиодах зарядовых пакетов поочередно под фазу Ф1 в
одном поле телевизионного кадра и под фазу Ф2 в другом поле. Столбцы матричного массива и
фотодиоды разделены диффузионными стоп-каналами. (рис.3) Использование фотодиодов в качестве
фоточувствительных элементов существенно повышает чувствительность в синей области видимого
диапазона спектра.
Рис. 3. Конструкция ячеек накопления
Выходной регистр выполнен по четырехфазной схеме, допускающей двунаправленный
перенос строки зарядовых пакетов либо к левому выходному устройству, либо к правому, что
обеспечивает возможность использования матричного ФПЗС для приема прямого и обратного
изображения в оптических схемах с одним объективом (левый выход 3 на рис.2) и с переносом
изображения или призменной оптикой (правый выход 4 на рис.2), соответственно. Выходные
устройства выполнены на основе комбинации плавающей диффузионной области (ПДО) и
истокового повторителя.
Конструкция прибора включает 16-ти каскадный распределенный усилитель с плавающими
затворами, осуществляющими неразрушающее считывание зарядовых пакетов, проходящих по
дополнительному участку выходного регистра перед правым выходом. Выходной регистр РУПЗа
заканчивается своим выходным устройством с плавающим затвором для индикации величины заряда
(рис.4)
321
Рис. 4. Функциональная схема выходных устройств
Описанный выше матричный прибор по конструктивно-технологическому исполнению
относится к первому поколению ФПЗС.
Следующим шагом развития матричных ФПЗС является переход к скрытоканальной
технологии изготовления основных узлов и увеличению числа элементов с одновременным
уменьшением геометрических размеров фоточувствительной ячейки при сохранении оптического
формата. Матричный ФПЗС нового поколения имеет формат разложения 440х576 элементов, один
выходной ПЗС-регистр и одно выходное устройство. Фоточувствительная ячейка представляет собой
МОП-конденсатор, одной обкладкой которого служит подложка, а другой – слой поликремния
толщиной 500А. Толщина подзатворного диэлектрика под слоем тонкого поликремния, равная
0,17мкм, и наличие пленки нитрида кремния над этим затвором обеспечивают просветляющие
свойства структуры в синей области спектра. Ячейки накопления снабжены планарным устройством
антиблуминга.(рис.5)
Рис. 5. Функциональная схема
От вертикального регистра ячейка накопления отделена разрешающим затвором, функцию
которого выполняет поверхностно-канальный участок фазного электрода. (рис.6 а) Между собой по
322
вертикали ячейки отделены матричными стоп-каналами. В режиме накопления на фотозатворе
устанавливается высокий уровень потенциала, при этом в поверхностной области образуются
потенциальные ямы, которые заполняются фотогенерированными электронами(внизу на рис.6 б).
Накопленный фотогенерированный заряд выдавливается в область скрытого канала при приложении
напряжения низкого уровня к фотозатвору (вверху на рис.6 б).
Рис. 6. Конструкция ячейки и потенциальные диаграммы
Каждый вертикальный регистр полностью экранирован от света и представляет собой
двухфазную скрытоканальную ПЗС-структуру. Из-за того, что регистр находится в непосредственной
близости от ячеек накопления, возникает необходимость помещать его в р-карман.
Экранированный от света горизонтальный регистр организован по аналогичной двухфазной
схеме и построчно выносит информацию в узел детектирования заряда. Управляющая способность
горизонтального регистра в 3 раза выше, чем у вертикального с целью уменьшения влияния краевого
захвата заряда на эффективность переноса. Узел преобразования заряда представляет собой
комбинацию ПДО и двухкаскадного истокового повторителя.
Дальнейшее развитие матричных ФПЗС с МП характеризуется использованием следующих
новшеств:
- фотодиодные ячейки накопления, имеющие т.н. «HAD»-структуру p+-n-p с удвоенной
емкостью за счет слоя аккумуляции дырок на её поверхности;
- встроенное под фотодиодами объёмное устройство антиблуминга в виде n-p-n структуры с
низким уровнем легирования области p-кармана, обеспечивающим возможность работы в режиме
электронного затвора;
- двуполярное трехуровневое управление вертикальными регистрами матричной области,
обеспечивающее параллельный перенос информации из фотодиодов без импульсной активации
отсутствующих в конструкции фотозатвора и разрешающего затвора;
- 4-фазная структура вертикальных регистров, реализующая режим двойной синхронизации
для обеспечения максимальной зарядовой ёмкости ПЗС-бита при его минимальной площади.
Выходной ПЗС-регистр матриц с МП заканчивается двух- или трёхкаскадным истоковым
повторителем с встроенной нагрузкой. Затвор активного транзистора первого каскада этого
повторителя в совокупности с плавающей диффузионной областью образует электрометр,
преобразующий сигнальный заряд в напряжение. Ёмкости элементов электрометра минимизированы
с целью достижения высокой крутизны преобразования (5-10 мкВ/электрон).
Существующие на сегодняшний день две схемы фотоячеек с устройством антиблуминга
имеют свои достоинства и недостатки. Так схема с планарным антиблумингом применима только в
ячейках с большими размерами и уменьшает апертуру фотодиода, но в то же время прибор с такой
ячейкой обладает чувствительностью в ближнем ИК–диапазоне спектра. Напротив, схема с
вертикальным антиблумингом применима как в больших, так и в малых ячейках, и не уменьшает
апертуру фотодиода, однако, из-за наличия p-кармана диапазон спектральной чувствительности
сужается до видимого.
В настоящее время разработаны два варианта структуры фотодиодных ячеек с вертикальным
и планарным устройством антиблуминга.
323
Элемент ФПЗС, рис.7, имеет фотодиодный накопитель 1, вертикальный сдвиговый регистр 2,
расположенные в области p-кармана 3 и область вертикального антиблуминга 4, одновременно
являющуюся подложкой. Вертикальный сдвиговый регистр имеет четырехфазную конструкцию,
причем одна ячейка регистра принимает зарядовые пакеты от двух фотодиодов с помощью двух фаз
5, 6 от каждого, рис.7. Область 7 между фотодиодом и регистром называется областью разрешающего
затвора. Подзатворная система – двухслойная из окиси кремния 8 и нитрида кремния 9, разделение
ячеек по горизонтали осуществляется с помощью ионнолегированного матричного стоп-канала 10.
Lз
Vф
1 - фотодиод
++
(р и n - области)
2 - вертикальный регистр
(n - область)
3 - р - карман
4 - сток антиблуминга
(n - подложка Nsub)
5,6 - фазовые электроды
регистра
7 - область разрешающего
затовра
8 - окисел кремния
9 - нитрид кремния
10 - стоп-канал
+
(р - область)
5, 6
9
8
10
P+
n
7
10
P+
n1
2
Pw
3
P++
3
4
Nsub
Vаб
Lэ
Рис. 7. Структура ПЗС-элемента с фотодиодным накопителем и вертикальным антиблумингом
Большая площадь элемента позволяет организовать планарный антиблуминг, область
которого лежит в одной плоскости с областями фотодиода и вертикального регистра и занимает часть
площади элемента, рис.8. Элемент ФПЗС рис.3, имеет фотодоиодный накопитель 1, вертикальный
сдвиговый регистр 2, расположенные в области p-подложки 3 и область бокового антиблуминга 4.
Все области сформированы в подложке р-типа. Вертикальный сдвиговый регистр имеет
четырехфазную конструкцию, причем одна ячейка регистра принимает зарядовые пакеты от двух
фотодиодов с помощью двух фаз 5, 6 от каждого, рис.8. Область 7 между фотодиодом и регистром
называется областью разрешающего затвора, а область 8 между областью фотодиода и антиблуминга
– областью антиблуминга. Подзатворная система – двухслойная из окиси кремния 9 и нитрида
кремния 10, разделение ячеек по горизонтали осуществляется с помощью ионнолегированного
матричного стоп-канала 11.
Lз
Vф
Vаб
5, 6
10
9
11
P+
n
7
8
1
2
3
n+
nPsub
4
3
P++
Lэ
11
P+
1 - фотодиод
++
(р и n - области)
2 - вертикальный регистр
(n - область)
3 - р - подложка (Psub)
4 - область антиблуминга
+
(n - область)
5,6 - фазовые электроды
регистра
7 - область разрешающего
затвора
8 - область стока
антиблуминга
9 - окисел кремния
10 - нитрид кремния
11 - стоп-канал
(р+ - область)
Рис. 8. Структура ПЗС-элемента с фотодиодным накопителем и планарным антиблумингом
324
Приборы изготавливаются по модифицированной ПЗС-технологии с объёмным каналом, где:
-изоляция ячеек матрицы выполнена с использованием локального окисла пониженной до
0,36 мкм толщины (для варианта с планарным антиблумингом);
-самосовмещение областей фотоячейки осуществляется с помощью т.н. метода «жёсткой
маски» (для варианта с вертикальным антиблумингом);
-процесс финишного геттерирования, неприемлемый из-за большой диффузионной разгонки
р+-слоя аккумуляции дырок, заменён на процесс внутреннего геттерирования.
На базе двух конструкций фоточувствительных ячеек были созданы полноформатные
матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью (МФПЗС) с межстрочным переносом на
500х582 элементов оптического формата 2/3” (А1157 и ФПЗС23М), 756х581 элементов оптического
формата 2/3” (ФПЗС24М), 752х582 элементов оптического формата 1/2” (ФПЗС25М),
предназначеные для работы в высокочувствительных телевизионных системах в качестве
преобразователей оптического изображения в электрический сигнал в видимой области спектра в
составе миниатюрных камер черно-белого изображения. Кроме того, они могут быть использованы
при создании трехматричных видеокамер цветного изображения широкого применения.
Прибор ФПЗС23М оснащен планарным устройством антиблуминга, благодаря чему обладает
расширенным спектральным диапазоном. Приборы А1157, ФПЗС24 и ФПЗС25М оснащены
вертикальным устройством антиблуминга. Все приборы серии способны работать в режиме
электронного затвора.
Чтобы изготовить прибор с такой сложной структурой необходимо провести физикоматематическое моделирование с целью выяснения возможности реализации такой структуры с
обеспечением ее работы в заданных режимах. Для этого необходима оптимизация элемента МФПЗС,
которая требует выполнения нескольких условий:
1.
Получить значения основных параметров технологического процесса и геометрии
фотоприемной ячейки при следующих условиях:
1) Оптимальное соотношение зарядовых емкостей сдвигового регистра и фотодиода:
Qрг  1,1Qфд
2) Максимальная площадь апертуры фотодиода
2.
Определить ограничения на параметры технологического процесса.
При оптимизации фотоприемной ячейки с такой сложной структурой алгоритм оптимизации
не был строго детализирован и гибко изменялся.
На базе разработанных моделей и алгоритмов расчета, а также известных технологических
моделей процессов легирования полупроводников, физических моделей прохождения света через
многослойное покрытие электродной системы ПЗС, моделей шумов в ПЗС создано при участии
коллектива сотрудников ИППМ РАН РФ программное обеспечение, предназначенное для
проектирования элементов ПЗС.
Программное обеспечение предназначено для физико-топологического и схемотехнического
проектирования элементов поверхностных и объёмных ПЗС. Исходными параметрами являются
технологические и физико-топологические параметры. Технологические параметры используются
для расчета примесного профиля объёмного канала ПЗС и других активных областей, получаемых в
результате определяющих этот профиль операций технологического процесса изготовления: ионного
легирования с последующей температурной разгонкой.
Правильность работы фотоприемной ячейки определяется по двумерному распределению
потенциала. Для каждого режима работы (накопление заряда в фотодиоде, горизонтальный перенос,
хранение заряда в регистре, электронный затвор) производится расчет потенциальных барьеров
между потенциальными ямами областей регистра, фотодиода и антиблуминга.
Предварительный расчет внутренней структуры фоточувствительного накопителя на основе
классических фотодиодов с p-n переходом, оснащенного планарным устройством антиблуминга,
показал, что напряжения, управляющие работой устройства в режимах подавления блуминга и
электронного затвора, имеют чрезмерно высокие уровни. С целью снижения указанных напряжений
вместо традиционных фотодиодов было принято решение применить т.н. «HAD»-диоды (Hole
Accumulation Diode), которые обеспечивают более эффективное управление барьером, отделяющим
фотодиод от стока антиблуминга. Кроме того, HAD-диоды имеют удвоенную ёмкость, что
увеличивает динамический диапазон.
При проведении первых расчетов двумерного распределения потенциала обнаружена
зависимость результата от конфигурации конечно-разностной сетки, которой покрывается топология
прибора. Проведены специальные расчетные эксперименты и подобраны индивидуальные параметры
сеток для расчета зарядовых емкостей фотодиода и регистра для каждого из приборов.
Во время оптимизации были получены все необходимые технологические и топологические
параметры фотоячейки, способной работать во всех режимах. Ниже представлены распределения
потенциала для различных режимов работы ячейки матрицы на примере наиболее
плотноупакованного прибора ФПЗС25М.
325
Потенциальная
кривая
Рис. 9. Распределение потенциала в направлении горизонтального переноса
в ячейке
в режиме накопления
Рис.8,6х8,3
5б
Распределение потенциала в направлении горизонтального переноса
в ячейке МФПЗС-3М (8,6х8,3 мкм2) в режиме
накопления при пустых потенциальных ямах
1-1
Потенциальная
кривая
Рис. 10. Распределение потенциала в направлении горизонтального переноса
в ячейке 8,6х8,3 в режиме горизонтального переноса
Потенциальная
кривая
Рис. 11. Распределение потенциала вглубь фотодиода
в ячейке 8,6х8,3 в режиме электронного затвора
Характеристики матричных ФПЗС, разработанных в последнее время ФГУП «НПП
«Пульсар» и производимых совместно с ОАО «НИИМЭ и Микрон», приведены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики матричных ФПЗС
Параметр
ФПЗС23М
ФПЗС24М
Число элементов (горизонталь х вертикаль)
500х582
756х581
Оптический формат, дюйм
Размеры фотоэлемента (Г х В), мкм
Число матричных фаз управления
Число фаз управления регистра
Эффективность антиблуминга, хЕнас
Чувствительность, В/(мкДж/см2) 1
Неравномерность выходного сигнала, %
Неравномерность темнового сигнала, мВ
Напряжение насыщения, В
2/3
17х11
2,5
10,0
5,0
0,2
326
2/3
11х11
4
2
300
2,0
10,0
10,0
0,15
ФПЗС25М
752х582
1/2
8,6х8,3
1,5
10,0
10,0
0,1
Коэффициент передачи модуляции на половине
частоты Найквиста за отрезающим ИК фильтром, %
Спектральный диапазон, мкм
Динамический диапазон, отн. ед.
без электронного затвора
с электронным затвором
Частота вывода информации, МГц
80
80
80
0,35…1,0
0,35…0,7
0,35…0,7
2103
2106
9,6
103
106
14,5
103
106
14,5
Разработанные конструктивно-технологические подходы к проектированию современных
матричных ФПЗС, а также методики расчетов и оптимизации топологии и технологических режимов
изготовления их структур обеспечили не только успешную разработку таких приборов, но и создание
правил проектирования приборов следующего поколения с проектными нормами порядка 0,8мкм.
Полученные результаты будут использованы при разработке матричных ФПЗС с
межстрочным переносом и прогрессивной разверткой с числом элементов 1024х1024 и более.
Разработка и освоение в производстве матричных ФПЗС с межстрочным переносом
позволяют создать ряд оригинальных телевизионных систем, имеющих широкий спектр применения.
Простой способ реализации электронного управления временем экспозиции позволяют расширить
динамический диапазон. Это обеспечивает диапазон рабочих освещенностей телевизионных
устройств на основе матричных ФПЗС от 10-2лк до 105лк без применения электромеханических
диафрагм.
Дальнейшее развитие матричных ФПЗС с МП прогнозируется в направлении:
увеличения
разрешающей
способности
за
счет
увеличения
числа
фоточувствительных элементов с одновременным уменьшением их геометрических размеров;
повышения быстродействия путём многоканального считывания информации с
одновременным повышением тактовой частоты выходных ПЗС-регистров и частоты вывода
информации каждым выходным устройством;
применения прогрессивного сканирования матричного массива с целью уменьшения
инерционности без потери разрешающей способности;
расширения спектрального диапазона за счет применения планарного устройства
антиблуминга;
увеличения чувствительности при использовании микрорастровой оптической
системы;
повышения крутизны преобразования заряд-напряжение за счёт применения
разнотолщинного подзатворного диэлектрика в ПЗС-массиве и выходном устройстве.
Разработка приборов такого класса потребует перехода на проектную норму 0,5мкм и менее,
конструирования на основе принципа полного самосовмещения всех элементов и ревизии технологии
изготовления с применением новых техпроцессов, а также применения программного обеспечения,
обеспечивающего возможность трёхмерного электрофизического моделирования внутренней
структуры (TCAD) взамен имеющегося на сегодняшний день двумерного или квазитрёхмерного.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
Воронов В.В., Костюков Е.В., Скрылёв А.С. Линейные, матричные и ФПЗС с ВЗН
отечественного производства для видимого диапазона длин волн // Тезисы докладов IX
Международной конференции “Лазеры в науке, технике, медицине”, г. Геленджик, 1998.
Воронов В.В., Морозов В.Ф., Стахин В.Г., Костюков Е.В., Кузнецов Ю.А., Скрылёв А.С., Шилин
В.А. Разработка основ проектирования и субмикронной технологии изготовления ФПЗС нового
поколения // Тезисы докладов XII научно–технической
конференции “Пути развития
телевизионных фотоэлектрических приборов и устройств на их основе», г. Санкт-Петербург,
2001.
Михайличенко О.В., Костюков Е.В., Пугачёв А.А., Скрылёв А.С. Моделирование
электрофизических характеристик матричного фоточувствительного ПЗС с межстрочным
переносом // Тезисы докладов конференции молодых специалистов «Твердотельная электроника.
Комплексированные изделия. Экономика и управление научными разработками и производством
ИЭТ», г. Москва, 2002.
Костюков Е.В., Михайличенко О.В., Скрылёв А.С. Конструкция матричного ФПЗС с
межстрочным переносом и прогрессивной развёрткой формата 1024х1024 элементов // Тезисы
докладов научной конференции «Твёрдотельная СВЧ электроника, приборы силовой
электроники, микроэлектроника и изделия на основе ПЗС», г. Москва, 2003.
327