Семейство крупноформатных линейных фоточувствительных приборов с зарядовой связью с разрешением 38,5 пар лин/мм
УДК 621.383.72
СЕМЕЙСТВО КРУПНОФОРМАТНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ С РАЗРЕШЕНИЕМ 38,5 ПАР ЛИН/ММ
© 2009 г. Е. В. Костюков, канд. техн. наук; А. М. Маклаков; А. С. Скрылев, канд. техн. наук Научно-производственное предприятие “Пульсар”, Москва E-mail: pulsar@dol.ru
Рассмотрены особенности конструкции и технологии изготовления серии линейных фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ЛФПЗС) с числом элементов от 3072 до 6144. Приборы имеют шаг расположения фоточувствительных элементов 13 мкм, что обеспечивает разрешение 38,5 пар лин/мм. Приведены основные геометрические и фотоэлектрические параметры ЛФПЗС.
Ключевые слова: прибор с зарядовой связью, линейный ФПЗС: процесс изготовления, параметры, характеристики.
Коды OCIS: 040.1240, 040.1520.
Поступила в редакцию 30.03.2009.
Обзор семейства
Известная в течение ряда предшествующих лет серия линейных фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ЛФПЗС) с билинейной организацией считывания зарядовой информации из фотодиодного накопителя с шагом элементов 13 мкм значительно расширена за счет разработки новых крупноформатных приборов. К ЛФПЗС с числом элементов 256, 512, 1024 и 2048 [1] добавлены приборы, имеющие 3072, 4096 и 6144 элементов с длиной фоточувствительной области от 40 до 80 мм. Основное отличие крупноформатных ЛФПЗС от приборов с числом элементов 256–2048 состоит в организации считывания не по двум сдвиговым ПЗС-регистрам в одну сторону к раздельным выходным устройствам, а по четырем – в противоположные сторо-
Сдвиговый ПЗС-регистр
Сдвиговый ПЗС-регистр
Сдвиговый ПЗС-регистр
Сдвиговый ПЗС-регистр
Рис. 1. Блок-схема приборов серии крупноформатных ЛФПЗС.
ны от середины фотообласти к четырем выходам соответственно (рис. 1). Такая организация за счет параллельной обработки информации обеспечивает сохранение быстродействия на уровне приборов-предшественников, несмотря на значительное увеличение числа элементов.
Конструкция ЛФПЗС
Кристаллы серии крупноформатных ЛФПЗС смонтированы в специально разработанные металлокерамические основания типа DIP с расстоянием между рядами выводов 10 мм и загерметизированы входными оптическими окнами. Внешний вид приборов представлен на фотографии (рис. 2).
Фоточувствительная область представляет собой традиционную конструкцию [2], состоящую из линейки фотодиодов на основе p–n-перехода в качестве фоточувствительных элементов и трех затворов с функциями:
1) затвор барьерный (ЗБ) – смещение фотодиодов,
2) фотозатвор (ЗФ) – накопление фотогенерированного заряда,
3) затвор разрешающий (ЗР) – параллельная передача накопленной зарядовой информации в сдвиговые регистры.
В исходной конструкции сдвиговых регистров приборов-предшественников за счет изменения
20 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Рис. 2. Фотография серии ЛФПЗС.
коммутации электродов хранения и переноса в топологии кристаллов достигнут разнонаправленный перенос к расположенным по углам структуры выходным устройствам.
Для примера на рис. 3 приведена функциональная схема ЛФПЗС, имеющего 6144 фоточувствительных элемента, а в табл. 1 – его цоколевка. Как видно из представленной схемы, каждый сдвиговый регистр секционирован на две части, имеющие раздельное фазное управление при сохранении регулярности электродной структуры. Тем самым обеспечивается возможность снижения емкостной нагрузки на управляющие драйверы.
Технологический процесс изготовления кристаллов ЛФПЗС
Технологический маршрут изготовления ЛФПЗС основан на базовом маршруте [3] и представляет собой единую цепочку, включающую перечисленные далее технологические операции (рис. 4).
1. Создание полевого окисла. На поверхности кремниевой подложки р-типа формируются ионолегированные области р-типа, самосовмещенные с толстым (1 мкм) слоем термически выращенной пленки двуокиси кремния. В качестве маски при окислении используется пленка Si3N4. Комбинация указанных областей и окисла выполняет функцию стоп-каналов и обеспечивает изоляцию активных областей. Кроме этого, паразитные емкости внутренних межсоединений уменьшаются в 5–10 раз. Далее обеспечивается возможность изготовления самосовмещенных фотодиодов в области накопления, скрытоканальных регистров в области переноса заряда, а также стоков и истоков транзисторов выходного устройства.
2. Создание подзатворного диэлектрика и скрытого канала. Данный технологический блок включает в себя операции термического (обычно пирогенного) окисления Si на поверхности активных областей (толщина подзатворного
Рис. 3. Функциональная схема ЛФПЗС. “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
21
Таблица 1. Цоколевка ЛФПЗС с 6144 элементами
Номер вывода 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48
Обозначение Звых1 ВыхB Зн1 Зв-хрB СвB ЗвB ЗР ЗуB Ф21B Ф11B Ф22B Ф12B Ф12C Ф22C Ф11C Ф21C ЗуC ЗФ ЗвC СвC Зв-хрC И2 ВыхC С2 Звых2 ВыхD П Зн2 Зв-хрD СвD ЗвD ЗуD Ф21D Ф11D Ф22D Ф12D Ф12A Ф22A Ф11A Ф21A ЗуA ЗБ ЗвA СвA Зв-хрA И1 ВыхA С1
Функциональное назначение выводов Затвор выходной 1 Выход B Затвор нагрузки 1 Затвор транзистора выборки-хранения B Сток восстановителя потенциала B Затвор восстановителя потенциала B Затвор разрешающий Затвор ускоряющий B Фаза вторая секции 1 регистра B Фаза первая секции 1 регистра B Фаза вторая секции 2 регистра B Фаза первая секции 2 регистра B Фаза первая секции 2 регистра C Фаза вторая секции 2 регистра C Фаза первая секции 1 регистра C Фаза вторая секции 1 регистра C Затвор ускоряющий C Фотозатвор (затвор накопительный) Затвор восстановителя потенциала C Сток восстановителя потенциала C Затвор транзистора выборки-хранения C Исток 2 Выход C Сток 2 Затвор выходной 2 Выход D Подложка Затвор нагрузки 2 Затвор транзистора выборки-хранения D Сток восстановителя потенциала D Затвор восстановителя потенциала D Затвор ускоряющий D Фаза вторая секции 1 регистра D Фаза первая секции 1 регистра D Фаза вторая секции 2 регистра D Фаза первая секции 2 регистра D Фаза первая секции 2 регистра A Фаза вторая секции 2 регистра A Фаза первая секции 1 регистра A Фаза вторая секции 1 регистра A Затвор ускоряющий A Затвор барьерный Затвор восстановителя потенциала A Сток восстановителя потенциала A Затвор транзистора выборки-хранения A Исток 1 Выход A Сток 1
окисла 0,05 мкм) и пиролитического осаждения
подзатворного Si3N4 (толщиной 0,065 мкм). Далее проводится высокоэнергетичная пре-
цизионная имплантация ионов мышьяка через
двухслойный подзатворный диэлектрик. Это позволяет обеспечить идентичность характеристик подзатворной системы для всех уровней поликремниевых электродов при их последующем
22 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Фоторезист
Фоторезист
пиролиз
пиролиз
пиролиз 2 пиролиз 1
Рис. 4. Основные этапы технологического процесса. 1-я строка – создание полевого окисла: а – структура после фотолитографии по нитриду кремния, б – структура с полевым окислом; 2-я строка – а – структура с двухслойным подзатворным диэлектриком и скрытым каналом, б – формирование первого уровня электродной системы; 3-я строка – создание многоуровневой системы затворов: а – ионная имплантация бора в зазоры между электродами первого уровня, б – формирование 2-го уровня электродной системы; 4-я строка – а – создание фотодиодов в области накопления и областей истоков и стоков, б – создание диэлектрической изоляции с контактными окнами под металлизацию; 5-я строка – а – создание металлизации, б – создание оптического экрана.
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
23
формировании и исключает нежелательное перераспределение имплантированной примеси между кремнием и окислом вследствие сегрегации. Для формирования объемного канала примеси имплантируются очень малыми дозами (порядка нескольких десятых долей микрокулон на 1 см2) с высокой точностью и воспроизводимостью (отклонения составляют несколько процентов).
3. Создание многоуровневой системы затворов. Комплекс операций для создания каждого уровня включает в себя пиролитическое осаждение слоя поликристаллического кремния толщиной около 0,5 мкм и его легирование фосфором до уровня, определяемого требуемым поверхностным сопротивлением.
Легирование осуществляется диффузией из газовой фазы при температуре ниже 1000 °С, что препятствует разгонке объемного канала. Далее проводится фотолитография для получения топологии электродной структуры, затем с целью изоляции электродов одного уровня от электродов другого – низкотемпературное межслойное окисление поликремния (толщина SiO2 равна 0,30–0,35 мкм). Пониженная температура процесса требует применения влажной окислительной среды при сохранении низкой плотности проколов и, соответственно, процента выхода годных. В технологическом маршруте изготовления двухфазных ЛФПЗС, имеющих два уровня электродов, между их формированием проводится ионная имплантация бора с целью создания потенциальных барьеров в скрытом канале для обеспечения однонаправленного переноса.
4. Создание фотодиодов в области накопления и областей истоков и стоков. Эти области формируются методом самосовмещения по границам окон в полевом окисле и краям поликремниевых затворов при ионной имплантации фосфора с дозами несколько десятых долей и несколько сотен микрокулон на 1 см2 соответственно. Для ЛФПЗС с фотодиодами используется последующая специальная термообработка, что обеспечивает устранение радиационных дефектов и снижение темновых токов.
5. Создание диэлектрической изоляции с контактными окнами под металлизацию. Для вскрытия контактных окон используются операции фотолитографии и травления термических окислов на разных уровнях поликремния и на монокремнии. С целью усиления диэлектрической изоляции электродной структуры от пересекающей ее металлизации проводится пиролитическое осаждение SiO2 с высоким содержанием Р2О5. Окисел с высоким содержанием фосфора,
имеющий толщину около 1 мкм, используется для формирования дополнительной межслойной изоляции, так как обладает высокой текучестью и способностью к “самозалечиванию” проколов при последующей термообработке.
Для ЛФПЗС с финишным диффузионным геттерированием края контактных окон, вскрытых в этом окисле, при этой термообработке оплавляются и обеспечивают снижение вероятности обрыва металлизации. При температуре 1070 °С в газовой фазе происходит насыщение фосфором обратной стороны подложки с целью создания “стока” для поглощения вредных примесей и дефектов кристаллической решетки, идущего на стадии дефорсажа диффузионного канала – медленного снижения температуры со скоростью не более четырех градусов в минуту. Окончательно проводятся пиролитическое осаждение SiO2 толщиной около 0,3 мкм и повторное вскрытие контактных окон. Нелегированный SiO2 малой толщины позволяет сформировать контактные окна с малыми размерами, хорошей адгезией и высокой воспроизводимостью.
6. Создание металлизации. Комплекс операций включает в себя магнетронное напыление первого слоя Al–Si–Cu толщиной около 1 мкм, фотолитографию по этому слою и вжигание в атмосфере водорода. Последняя операция обеспечивает уменьшение плотности поверхностных состояний в активных областях ЛФПЗС, что снижает неэффективность переноса заряда и уровень темнового тока.
7. Создание оптического экрана. Для оптического экранирования требуемых областей ЛФПЗС на первый слой металлизации осаждается слой пиролитического фосфоросиликатного стекла. Затем напыляется второй слой А1 и с помощью фотолитографии формируются фоточувствительное окно и окна к контактным площадкам металлизации первого слоя. Последней проводится операция фотолитографии для вскрытия контактных окон и травление двуокиси кремния над контактными площадками.
Основные параметры и характеристики ЛФПЗС
Серия крупноформатных ЛФПЗС характеризуется геометрическими и фотоэлектрическими параметрами, приведенными в табл. 2 и 3 соответственно.
Как следует из табл. 2, “fill-factor” приборов рассматриваемой серии равен 100%, так как конструкцией обеспечивается равенство разме-
24 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Таблица 2. Геометрические параметры ЛФПЗС
Обозначение Астр a×b Δф Аф Nр Nт Nи
Nб
Nс Nинф Nвых Nвыв
Наименование параметра, единица измерения Число фоточувствительных элементов, шт Размеры фоточувствительного элемента, мкм Шаг фоточувствительных элементов, мкм Длина фоточувствительной области, мм Число сдвиговых регистров, шт Число темновых элементов в регистре, шт Число изолирующих элементов в регистре, шт
Число буферных битов в регистре, шт – с обозначением A и C – с обозначением B и D
Число секций управления регистром, шт Информационная емкость секции, бит Число выходных устройств, шт Число выводов корпуса, шт
3072 39,94
Норма 4096 13×13
13 53,25
4 2 2
6144 79,88
5,5 6
1 22 768 512 768
4 32 48 48
Таблица 3. Фотоэлектрические параметры ЛФПЗС
Обозначение
Наименование параметра, единица измерения
Км Uнас SU δUс δUт Uш
Коэффициент передачи модуляции, % Напряжение насыщения, В Интегральная чувствительность, В/лк c Относительная неравномерность выходного сигнала, % Относительная неравномерность темнового сигнала, % Квазипиковое напряжение шума, мВ
Мин. 50 1,4 8
Норма Тип. 60 2 10 10 0,08 2,0
Макс. 80
20 0,1
Примечания: температура измерений T = 25 °С, частота вывода сигнала 2,5 MГц, время накопления 1мс, источник света – типа “А”.
ров фоточувствительных элементов и шага их расположения.
Спектральный диапазон чувствительности приборов охватывает диапазон длин волн от 0,25 до 1,0 мкм.
Заключение
Крупноформатные ЛФПЗС, рассмотренные в этой статье, с длиной фоточувствительной области от 40 до 80 мм обеспечивают разрешение от 15 до 30 лин/мм при сканировании страницы формата А4. Такие ЛФПЗС разработаны впервые в отечественной практике и, несомненно, найдут применение в различных областях науки и техники, в том числе специальной. Важно отметить, что при высоком уровне параметров приборы созданы на конструктивно-технологической основе серии ЛФПЗС с числом элементов до 2048,
устойчивый выпуск которой освоен на ведущих предприятиях полупроводниковой электроники Российской Федерации и Республики Беларусь. Новые приборы существенно расширяют возможности серии, в первую очередь по разрешающей способности, практически без снижения быстродействия. Дальнейшее совершенствование приборов серии, особенно с наибольшей длиной фотообласти, лежит на пути обеспечения ее плоскостности не хуже нескольких микрометров, что необходимо для применения в прецизионных системах с оптикой, имеющей крайне малую глубину резкости. Кроме того, представляется целесообразным изготовление кристаллов ЛФПЗС на эпитаксиальных структурах p+–pтипа, что позволит существенно снизить последовательное сопротивление подложки. Наконец, рассмотренная серия ЛФПЗС является предтечей для создания следующего поколения прибо-
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
25
ров с разрешением до 77 пар лин/мм при числе элементов до 12288.
ЛИТЕРАТУРА
1. Костюков Е.В., Павлова З.В., Пресс Ф.П. Линейные фоточувствительные микросхемы с зарядовой связью К1200ЦЛ5 и К1200ЦЛ6 // Электрон. промышл. 1987. В. 3(161). С. 15–22.
2. Костюков Е.В. Линейные фоточувствительные приборы с зарядовой связью с разрешением до 50 пар лин/мм // Интеграл. 2007. № 1. С. 3–8.
3. Воронов В.В., Какоулин М.И., Костюков Е.В., Кузнецов Ю.А., Маклаков А.М., Скрылев А.С., Тихонов А.А., Трунов С.В., Пугачев А.А., Чернокожин В.В., Шилин В.А. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью – современная элементная база фотонных систем // Электрон. промышл. 2003. В. 2. С. 155–168.
26 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
СЕМЕЙСТВО КРУПНОФОРМАТНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ С РАЗРЕШЕНИЕМ 38,5 ПАР ЛИН/ММ
© 2009 г. Е. В. Костюков, канд. техн. наук; А. М. Маклаков; А. С. Скрылев, канд. техн. наук Научно-производственное предприятие “Пульсар”, Москва E-mail: pulsar@dol.ru
Рассмотрены особенности конструкции и технологии изготовления серии линейных фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ЛФПЗС) с числом элементов от 3072 до 6144. Приборы имеют шаг расположения фоточувствительных элементов 13 мкм, что обеспечивает разрешение 38,5 пар лин/мм. Приведены основные геометрические и фотоэлектрические параметры ЛФПЗС.
Ключевые слова: прибор с зарядовой связью, линейный ФПЗС: процесс изготовления, параметры, характеристики.
Коды OCIS: 040.1240, 040.1520.
Поступила в редакцию 30.03.2009.
Обзор семейства
Известная в течение ряда предшествующих лет серия линейных фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ЛФПЗС) с билинейной организацией считывания зарядовой информации из фотодиодного накопителя с шагом элементов 13 мкм значительно расширена за счет разработки новых крупноформатных приборов. К ЛФПЗС с числом элементов 256, 512, 1024 и 2048 [1] добавлены приборы, имеющие 3072, 4096 и 6144 элементов с длиной фоточувствительной области от 40 до 80 мм. Основное отличие крупноформатных ЛФПЗС от приборов с числом элементов 256–2048 состоит в организации считывания не по двум сдвиговым ПЗС-регистрам в одну сторону к раздельным выходным устройствам, а по четырем – в противоположные сторо-
Сдвиговый ПЗС-регистр
Сдвиговый ПЗС-регистр
Сдвиговый ПЗС-регистр
Сдвиговый ПЗС-регистр
Рис. 1. Блок-схема приборов серии крупноформатных ЛФПЗС.
ны от середины фотообласти к четырем выходам соответственно (рис. 1). Такая организация за счет параллельной обработки информации обеспечивает сохранение быстродействия на уровне приборов-предшественников, несмотря на значительное увеличение числа элементов.
Конструкция ЛФПЗС
Кристаллы серии крупноформатных ЛФПЗС смонтированы в специально разработанные металлокерамические основания типа DIP с расстоянием между рядами выводов 10 мм и загерметизированы входными оптическими окнами. Внешний вид приборов представлен на фотографии (рис. 2).
Фоточувствительная область представляет собой традиционную конструкцию [2], состоящую из линейки фотодиодов на основе p–n-перехода в качестве фоточувствительных элементов и трех затворов с функциями:
1) затвор барьерный (ЗБ) – смещение фотодиодов,
2) фотозатвор (ЗФ) – накопление фотогенерированного заряда,
3) затвор разрешающий (ЗР) – параллельная передача накопленной зарядовой информации в сдвиговые регистры.
В исходной конструкции сдвиговых регистров приборов-предшественников за счет изменения
20 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Рис. 2. Фотография серии ЛФПЗС.
коммутации электродов хранения и переноса в топологии кристаллов достигнут разнонаправленный перенос к расположенным по углам структуры выходным устройствам.
Для примера на рис. 3 приведена функциональная схема ЛФПЗС, имеющего 6144 фоточувствительных элемента, а в табл. 1 – его цоколевка. Как видно из представленной схемы, каждый сдвиговый регистр секционирован на две части, имеющие раздельное фазное управление при сохранении регулярности электродной структуры. Тем самым обеспечивается возможность снижения емкостной нагрузки на управляющие драйверы.
Технологический процесс изготовления кристаллов ЛФПЗС
Технологический маршрут изготовления ЛФПЗС основан на базовом маршруте [3] и представляет собой единую цепочку, включающую перечисленные далее технологические операции (рис. 4).
1. Создание полевого окисла. На поверхности кремниевой подложки р-типа формируются ионолегированные области р-типа, самосовмещенные с толстым (1 мкм) слоем термически выращенной пленки двуокиси кремния. В качестве маски при окислении используется пленка Si3N4. Комбинация указанных областей и окисла выполняет функцию стоп-каналов и обеспечивает изоляцию активных областей. Кроме этого, паразитные емкости внутренних межсоединений уменьшаются в 5–10 раз. Далее обеспечивается возможность изготовления самосовмещенных фотодиодов в области накопления, скрытоканальных регистров в области переноса заряда, а также стоков и истоков транзисторов выходного устройства.
2. Создание подзатворного диэлектрика и скрытого канала. Данный технологический блок включает в себя операции термического (обычно пирогенного) окисления Si на поверхности активных областей (толщина подзатворного
Рис. 3. Функциональная схема ЛФПЗС. “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
21
Таблица 1. Цоколевка ЛФПЗС с 6144 элементами
Номер вывода 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48
Обозначение Звых1 ВыхB Зн1 Зв-хрB СвB ЗвB ЗР ЗуB Ф21B Ф11B Ф22B Ф12B Ф12C Ф22C Ф11C Ф21C ЗуC ЗФ ЗвC СвC Зв-хрC И2 ВыхC С2 Звых2 ВыхD П Зн2 Зв-хрD СвD ЗвD ЗуD Ф21D Ф11D Ф22D Ф12D Ф12A Ф22A Ф11A Ф21A ЗуA ЗБ ЗвA СвA Зв-хрA И1 ВыхA С1
Функциональное назначение выводов Затвор выходной 1 Выход B Затвор нагрузки 1 Затвор транзистора выборки-хранения B Сток восстановителя потенциала B Затвор восстановителя потенциала B Затвор разрешающий Затвор ускоряющий B Фаза вторая секции 1 регистра B Фаза первая секции 1 регистра B Фаза вторая секции 2 регистра B Фаза первая секции 2 регистра B Фаза первая секции 2 регистра C Фаза вторая секции 2 регистра C Фаза первая секции 1 регистра C Фаза вторая секции 1 регистра C Затвор ускоряющий C Фотозатвор (затвор накопительный) Затвор восстановителя потенциала C Сток восстановителя потенциала C Затвор транзистора выборки-хранения C Исток 2 Выход C Сток 2 Затвор выходной 2 Выход D Подложка Затвор нагрузки 2 Затвор транзистора выборки-хранения D Сток восстановителя потенциала D Затвор восстановителя потенциала D Затвор ускоряющий D Фаза вторая секции 1 регистра D Фаза первая секции 1 регистра D Фаза вторая секции 2 регистра D Фаза первая секции 2 регистра D Фаза первая секции 2 регистра A Фаза вторая секции 2 регистра A Фаза первая секции 1 регистра A Фаза вторая секции 1 регистра A Затвор ускоряющий A Затвор барьерный Затвор восстановителя потенциала A Сток восстановителя потенциала A Затвор транзистора выборки-хранения A Исток 1 Выход A Сток 1
окисла 0,05 мкм) и пиролитического осаждения
подзатворного Si3N4 (толщиной 0,065 мкм). Далее проводится высокоэнергетичная пре-
цизионная имплантация ионов мышьяка через
двухслойный подзатворный диэлектрик. Это позволяет обеспечить идентичность характеристик подзатворной системы для всех уровней поликремниевых электродов при их последующем
22 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Фоторезист
Фоторезист
пиролиз
пиролиз
пиролиз 2 пиролиз 1
Рис. 4. Основные этапы технологического процесса. 1-я строка – создание полевого окисла: а – структура после фотолитографии по нитриду кремния, б – структура с полевым окислом; 2-я строка – а – структура с двухслойным подзатворным диэлектриком и скрытым каналом, б – формирование первого уровня электродной системы; 3-я строка – создание многоуровневой системы затворов: а – ионная имплантация бора в зазоры между электродами первого уровня, б – формирование 2-го уровня электродной системы; 4-я строка – а – создание фотодиодов в области накопления и областей истоков и стоков, б – создание диэлектрической изоляции с контактными окнами под металлизацию; 5-я строка – а – создание металлизации, б – создание оптического экрана.
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
23
формировании и исключает нежелательное перераспределение имплантированной примеси между кремнием и окислом вследствие сегрегации. Для формирования объемного канала примеси имплантируются очень малыми дозами (порядка нескольких десятых долей микрокулон на 1 см2) с высокой точностью и воспроизводимостью (отклонения составляют несколько процентов).
3. Создание многоуровневой системы затворов. Комплекс операций для создания каждого уровня включает в себя пиролитическое осаждение слоя поликристаллического кремния толщиной около 0,5 мкм и его легирование фосфором до уровня, определяемого требуемым поверхностным сопротивлением.
Легирование осуществляется диффузией из газовой фазы при температуре ниже 1000 °С, что препятствует разгонке объемного канала. Далее проводится фотолитография для получения топологии электродной структуры, затем с целью изоляции электродов одного уровня от электродов другого – низкотемпературное межслойное окисление поликремния (толщина SiO2 равна 0,30–0,35 мкм). Пониженная температура процесса требует применения влажной окислительной среды при сохранении низкой плотности проколов и, соответственно, процента выхода годных. В технологическом маршруте изготовления двухфазных ЛФПЗС, имеющих два уровня электродов, между их формированием проводится ионная имплантация бора с целью создания потенциальных барьеров в скрытом канале для обеспечения однонаправленного переноса.
4. Создание фотодиодов в области накопления и областей истоков и стоков. Эти области формируются методом самосовмещения по границам окон в полевом окисле и краям поликремниевых затворов при ионной имплантации фосфора с дозами несколько десятых долей и несколько сотен микрокулон на 1 см2 соответственно. Для ЛФПЗС с фотодиодами используется последующая специальная термообработка, что обеспечивает устранение радиационных дефектов и снижение темновых токов.
5. Создание диэлектрической изоляции с контактными окнами под металлизацию. Для вскрытия контактных окон используются операции фотолитографии и травления термических окислов на разных уровнях поликремния и на монокремнии. С целью усиления диэлектрической изоляции электродной структуры от пересекающей ее металлизации проводится пиролитическое осаждение SiO2 с высоким содержанием Р2О5. Окисел с высоким содержанием фосфора,
имеющий толщину около 1 мкм, используется для формирования дополнительной межслойной изоляции, так как обладает высокой текучестью и способностью к “самозалечиванию” проколов при последующей термообработке.
Для ЛФПЗС с финишным диффузионным геттерированием края контактных окон, вскрытых в этом окисле, при этой термообработке оплавляются и обеспечивают снижение вероятности обрыва металлизации. При температуре 1070 °С в газовой фазе происходит насыщение фосфором обратной стороны подложки с целью создания “стока” для поглощения вредных примесей и дефектов кристаллической решетки, идущего на стадии дефорсажа диффузионного канала – медленного снижения температуры со скоростью не более четырех градусов в минуту. Окончательно проводятся пиролитическое осаждение SiO2 толщиной около 0,3 мкм и повторное вскрытие контактных окон. Нелегированный SiO2 малой толщины позволяет сформировать контактные окна с малыми размерами, хорошей адгезией и высокой воспроизводимостью.
6. Создание металлизации. Комплекс операций включает в себя магнетронное напыление первого слоя Al–Si–Cu толщиной около 1 мкм, фотолитографию по этому слою и вжигание в атмосфере водорода. Последняя операция обеспечивает уменьшение плотности поверхностных состояний в активных областях ЛФПЗС, что снижает неэффективность переноса заряда и уровень темнового тока.
7. Создание оптического экрана. Для оптического экранирования требуемых областей ЛФПЗС на первый слой металлизации осаждается слой пиролитического фосфоросиликатного стекла. Затем напыляется второй слой А1 и с помощью фотолитографии формируются фоточувствительное окно и окна к контактным площадкам металлизации первого слоя. Последней проводится операция фотолитографии для вскрытия контактных окон и травление двуокиси кремния над контактными площадками.
Основные параметры и характеристики ЛФПЗС
Серия крупноформатных ЛФПЗС характеризуется геометрическими и фотоэлектрическими параметрами, приведенными в табл. 2 и 3 соответственно.
Как следует из табл. 2, “fill-factor” приборов рассматриваемой серии равен 100%, так как конструкцией обеспечивается равенство разме-
24 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Таблица 2. Геометрические параметры ЛФПЗС
Обозначение Астр a×b Δф Аф Nр Nт Nи
Nб
Nс Nинф Nвых Nвыв
Наименование параметра, единица измерения Число фоточувствительных элементов, шт Размеры фоточувствительного элемента, мкм Шаг фоточувствительных элементов, мкм Длина фоточувствительной области, мм Число сдвиговых регистров, шт Число темновых элементов в регистре, шт Число изолирующих элементов в регистре, шт
Число буферных битов в регистре, шт – с обозначением A и C – с обозначением B и D
Число секций управления регистром, шт Информационная емкость секции, бит Число выходных устройств, шт Число выводов корпуса, шт
3072 39,94
Норма 4096 13×13
13 53,25
4 2 2
6144 79,88
5,5 6
1 22 768 512 768
4 32 48 48
Таблица 3. Фотоэлектрические параметры ЛФПЗС
Обозначение
Наименование параметра, единица измерения
Км Uнас SU δUс δUт Uш
Коэффициент передачи модуляции, % Напряжение насыщения, В Интегральная чувствительность, В/лк c Относительная неравномерность выходного сигнала, % Относительная неравномерность темнового сигнала, % Квазипиковое напряжение шума, мВ
Мин. 50 1,4 8
Норма Тип. 60 2 10 10 0,08 2,0
Макс. 80
20 0,1
Примечания: температура измерений T = 25 °С, частота вывода сигнала 2,5 MГц, время накопления 1мс, источник света – типа “А”.
ров фоточувствительных элементов и шага их расположения.
Спектральный диапазон чувствительности приборов охватывает диапазон длин волн от 0,25 до 1,0 мкм.
Заключение
Крупноформатные ЛФПЗС, рассмотренные в этой статье, с длиной фоточувствительной области от 40 до 80 мм обеспечивают разрешение от 15 до 30 лин/мм при сканировании страницы формата А4. Такие ЛФПЗС разработаны впервые в отечественной практике и, несомненно, найдут применение в различных областях науки и техники, в том числе специальной. Важно отметить, что при высоком уровне параметров приборы созданы на конструктивно-технологической основе серии ЛФПЗС с числом элементов до 2048,
устойчивый выпуск которой освоен на ведущих предприятиях полупроводниковой электроники Российской Федерации и Республики Беларусь. Новые приборы существенно расширяют возможности серии, в первую очередь по разрешающей способности, практически без снижения быстродействия. Дальнейшее совершенствование приборов серии, особенно с наибольшей длиной фотообласти, лежит на пути обеспечения ее плоскостности не хуже нескольких микрометров, что необходимо для применения в прецизионных системах с оптикой, имеющей крайне малую глубину резкости. Кроме того, представляется целесообразным изготовление кристаллов ЛФПЗС на эпитаксиальных структурах p+–pтипа, что позволит существенно снизить последовательное сопротивление подложки. Наконец, рассмотренная серия ЛФПЗС является предтечей для создания следующего поколения прибо-
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
25
ров с разрешением до 77 пар лин/мм при числе элементов до 12288.
ЛИТЕРАТУРА
1. Костюков Е.В., Павлова З.В., Пресс Ф.П. Линейные фоточувствительные микросхемы с зарядовой связью К1200ЦЛ5 и К1200ЦЛ6 // Электрон. промышл. 1987. В. 3(161). С. 15–22.
2. Костюков Е.В. Линейные фоточувствительные приборы с зарядовой связью с разрешением до 50 пар лин/мм // Интеграл. 2007. № 1. С. 3–8.
3. Воронов В.В., Какоулин М.И., Костюков Е.В., Кузнецов Ю.А., Маклаков А.М., Скрылев А.С., Тихонов А.А., Трунов С.В., Пугачев А.А., Чернокожин В.В., Шилин В.А. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью – современная элементная база фотонных систем // Электрон. промышл. 2003. В. 2. С. 155–168.
26 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009