Введение к работе
Актуальность темы.
Создание фоточувствительных элементов для различных диапазонов
излучения, интегрированных на одном кристалле со считывающей
электроникой, является одной из актуальных проблем
микроэлектроники. Приборно-технологическое моделирование
представляет собой один из эффективных методов решения этой задачи.
Важнейшим параметром, определяющим характеристики фотоприемников, является коэффициент заполнения пикселя (минимальной ячейки разложения изображения) чувствительным материалом. Ужесточение требований к пространственному разрешению матричных фотоприемников требует уменьшения размеров отдельных чувствительных элементов и промежутков между ними. Для обеспечения большого поля зрения фотосистем (высокого углового разрешения) необходимо существенно повышать число элементов (формат) матричного приемника.
По своей конструкции фотоприборы делятся на два типа: гибридные и монолитные приборы. Гибридные приборы состоят из двух и более кристаллов, один из которых представляет собой матрицу фоточувствительных элементов, попиксельно соединенною с кристаллом мультиплексора. В таких приборах фактор заполнения ограничивается необходимыми элементами электрической изоляции соседних пикселей.
В отличие от гибридных монолитные приборы содержат как чувствительный элемент, так и схемы считывания в едином кристалле. Наличие активных элементов, считывающих фотосигнал с чувствительного элемента, существенно уменьшает коэффициент заполнения, что ухудшает характеристики прибора в целом. В монолитных приборах конструктору необходимо идти на компромисс, ограничивая характеристики прибора со стороны фоточувствительного слоя по коэффициенту заполнения или со стороны схем считывания, применяя более простые и менее эффективные решения. Использование субмикронных транзисторов в схемах считывания позволяет повысить коэффициент заполнения благодаря уменьшению площади считывающих схем.
В фоточувствительных матрицах важными элементами являются как сами чувствительные ячейки, так и схемы считывания, которые должны занимать маленькую площадь и при этом обладать хорошим
быстродействием. В состав этих схем входят МДП-транзисторы, требования к которым можно сформулировать следующим образом: они должны занимать как можно меньшую площадь, обладать большой крутизной и малыми паразитными емкостями. Таким образом, необходимо использовать традиционные субмикронные транзисторы или транзисторные структуры с вертикальным каналом, что позволяет еще больше повысить быстродействие, одновременно уменьшив площадь.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является исследование, разработка и оптимизация конструктивно-технологических решений создания основных элементов фоточувствительной микросистемы на основе использования методов приборно-технологического моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ исследуемых приборных структур как объектов приборно-технологического моделирования. Выделить наиболее критичные элементы конструкции с точки зрения моделирования и повышения технологичности устройств. Разработать модель субмикронного транзистора на основе проведенного анализа.
Разработать модель вертикального транзистора с дельта-легированием в области канала и исследовать его возможности как элемента фоточувствительных микросистем.
Разработать методику моделирования фоточувствительных элементов.
Исследовать характеристики фотодиода с лавинным умножением и провести его оптимизацию с применением разработанных методик.
Научная новизна.
1. Разработана модель субмикронного МОП-транзистора, учитывающая процессы аморфизации поверхности кремния при имплантации и особенности диффузии примеси в поликремнии при формировании затвора. Установлены критерии выбора системы уравнений для приборного моделирования субмикронных МОП-транзисторов в зависимости от конструктивно-технологических параметров структуры.
Установлены и объяснены зависимости токов утечки в конструкции вертикального МОП-транзистора с дельта-легированием в области канала от конструктивно-технологических параметров.
Разработана модель фотодиода с лавинным умножением и контактами Шоттки, проведен анализ характеристик фотодиода в УФ-диапазоне и получены зависимости оптимального рабочего напряжения от технологических параметров и размеров структуры.
Практическая значимость работы.
Результаты приборно-технологического моделирования использовались при оптимизации конструкции и технологического процесса КМОП-транзистора с проектными нормами 0,35 мкм на опытном производстве НИИСИ РАН.
Разработана, исследована и оптимизирована по токам утечки конструкция вертикального МОП-транзистора с дельта-легированием в области канала.
Разработана и оптимизирована по рабочему напряжению структура фотодиода с лавинным умножением. Структура апробирована на опытном производстве ГУ «НПК Технологический центр МИЭТ».
Разработаны вьгаислительные модели и методики расчета для приборно-технологического моделирования субмикронных МОП-транзисторов и фоточувствительных элементов.
Реализация результатов работы.
Результаты работы внедрены в рамках научно-исследовательских работ и в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники.
Результаты работы были внедрены в опытное производство ГУ «НПК Технологический центр МИЭТ», где были изготовлены и испытаны экспериментальные образцы фотодиода с лавинным умножением.
Методика моделирования оптоэлектронных структур апробирована при выполнении научно-исследовательских работ в ООО «Технопарк Ангстрема», г. Москва.
На защиту выносится:
Разработанная модель субмикронного МОП-транзистора.
Зависимости токов утечки от конструктивно-технологических параметров вертикального транзистора с дельта-легированием в
области канала. 3. Разработанная и оптимизированная по рабочему напряжению структура фотодиода с лавинным умножением (патент).
Апробация результатов работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих
конференциях:
IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002" - М, Зеленоград, 19-21 ноября 2002;
Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2003;
Международная научно-техническая конференция «Микро- и наноэлектроника 2003» (ICMNE - 2003), Звенигород, 2003;
Девятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2004;
Шестой международный конгресс по математическому моделированию, Нижний Новгород, 2004;
Международная научно-техническая конференция «Микро- и наноэлектроника 2005» (ICMNE - 2005), Звенигород, 2005;
Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем», МЭС-2005, Москва, 2005;
Десятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2006;
11th Seminar "NUMDIFF" on Numerical Solution of Differential and Differential-Algebraic Equations, Halle, Germany.
Структура и объем диссертации.
