Опыт по созданию приборов с зарядовой связью

Создание на основе ПЗС устройств различного функционального назначения обеспечивает их перспектива использования на большом историческом пути развития. Опыт, накопленный по схемотехнике, технологии и конструкции функциональных устройств на ПЗС, используется для аппаратуры и приборов широкого назначения.

Разработки ИС на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) и устройств с применением ПЗС проводятся в НИИФП начиная с 1971 г., с момента появления первого сообщения Бойла и Смита. Менее чем за год, к началу 1972 г., в институте были изготовлены первые образцы линейных ПЗС с поверхностным каналом, и работы в области ПЗС были развернуты сразу по нескольким направлениям:

- фоточувствительные ПЗС (ФПЗС) видимого диапазона;
- ФПЗС инфракрасного (ИК) диапазона;
- ИС на ПЗС для хранения и обработки информации.

Образцы ПЗС, изготовленные в начале 70-х годов, были выполнены по технологии однослойной металлизации с зазорами между тактовыми электродами и поверхностным каналом. Это однозначно определило их неудовлетворительные основные параметры: эффективность переноса заряда, как правило, составляла 0,999—0,997, а срок эксплуатации не превышал нескольких недель.

Для улучшения этих параметров были выполнены теоретические и экспериментальные исследования по созданию ПЗС со скрытым каналом (ПЗС СК) и отработке технологии ПЗС с поликремниевыми электродами.

Введение скрытого канала в ПЗС позволило на первых образцах линейных фотоприемников на 256 и 512 элементов с зазорами между тактовыми электродами получить приемлемое качество видеосигнала. С самого начала работ по ПЗС СК основные усилия были сосредоточены на получении достаточно мелкого (менее 1 мкм) канала, что обеспечивает минимальные время и температуру термообработок и максимальную величину выходного сигнала. Полученные результаты по ПЗС СК были переданы на ряд предприятий отрасли.

Технология ПЗС с поликремниевыми электродами развивалась в институте по двум направлениям. Первое в хронологическом порядке направление предполагает использование двухслойного (SiО₂ + Si₃N₄) рабочего диэлектрика под тактовыми электродами.

Наличия верхнего слоя нитрида кремния, выдерживающего многократные операции окисления и травления при формировании двух- и трехслойной разводки из поликристаллического кремния, приводит к тому, что область переноса заряда, наиболее чувствительная к различного рода загрязнениям, закрывается в самом начале технологического маршрута и не подвергается далее воздействию технологических сред.

Дополнительным преимуществом такого варианта технологии является простота технологических операций при формировании поликремниевых электродов. В то же время данная технология имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих ее применение. Один из них — высокая плотность поверхностных состояний на границе раздела Si—Si0₂ (более 10¹¹ см^-2) в структуре с верхним слоем Si₃N₄, не устраняемая отжигом в водороде из-за низкого коэффициента диффузии водорода в нитриде кремния.

Этот факт является серьезным препятствием на пути создания таких приборов на основе ПЗС с поверхностным каналом, когда требуется небольшое количество актов переноса заряда (менее 10³) и большая величина самого заряда, а также на пути создания высококачественных ПЗС СК большого формата (1024 х 1024 и более элементов), например для телевидения высокой четкости. Другим ограничивающим фактором является нестабильность зарядового состояния МДП-структуры со слоем Si₃N₄ при длительном воздействии электрического поля высокой напряженности, что имеет место в П3С.

Это может приводить к изменению оптимальной области работоспособности прибора в процессе его эксплуатации, а именно, ухудшению параметров или сокращению срока эксплуатации, а также усложняет проблему создания ПЗС со встроенными в один кристалл схемами электронного обрамления. Тем не менее, технология с двухслойным рабочим диэлектриком использовалась при разработке ряда ПЗС, описанных ниже, и позволяла достичь удовлетворительных характеристик этих приборов.

Второе направление практически полностью использует технологию динамических оперативных ЗУ (ДОЗУ) с несколькими слоями поликремния. В этом варианте область переноса заряда ПЗС неоднократно вскрывается и окисляется перед нанесением каждого слоя поликремния, что является потенциальным источником дополнительных загрязнений. В ПЗС относительная доля площади кристалла, занимаемая областями переноса, больше, чем суммарная площадь затворов транзисторов в ДОЗУ.

Поэтому наличие загрязнений во время проведения этих операций сильнее сказывается на снижении процента выхода годных ПЗС, чем ДОЗУ. В то же время хорошая отработанность операций, входящих в маршрут ДОЗУ, предполагает их успешное использование в технологии ПЗС.

Граница раздела Si—SiО₂ в данном варианте изготовления имеет меньшую плотность поверхностных состояний и лучшую полевую и временную стабильность, что проверено при эксплуатации миллиардов СБИС ДОЗУ, и позволяет создавать высоконадежные ИС, содержащие как ПЗС, так и схемы на МДП-транзисторах.