автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование конструкторско-технологических принципов проектирования и разработка ПЗС большой степени интеграции

НИИ "Пульсар"

л МАРКОВ Аркадий Николаевич

РГ6 о/г

Исследование конструкгорско-технологических принципов проектирования и разработка ПЗС большой степени интеграции.

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника и иикроэлектроника *

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знаыени научно-исследовательском институте "Пульсар".

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Пресс ф. П., доктор технических наук, Тришенков Ы. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Колобов К А., доктор технических наук, профессор Стенин ЕЕ

Еедущэе предприятие: научно-производственное объединение ЭЛАС, г. Москва.

Защита состоится «№« Я» 199^ г. в /О час

^ ^ ыин на заседании Специализированного Совета Д 142.03.01 НИИ "Цульсар" по адресу: 105187,Москва, Окружной проезд, Д. 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ "Пульсар".

Автореферат разослан " ОУ . 199^ Г.

Ученый секретарь Специализированного Совета и Л

Д 142. оа 01 к. т. н. ( -У а к. Бевежш

- 3 -

Актуальность проблемы

Для сояреманной техники, в частности, электроники, ха-. рактерна тенденция к созданию систем приема и преобразования информации в удобный для восприятия человеком вид, отличаю-' шхся от разработанных ранее тем, что все больше функций по обработке информации выполняется сапой системой за счет повышения вычислительной мощности и применения развитого математического обеспечения. Ддя восприятия оператору во асе большем числе случаев предлагается готовый результат анализа и переработки ьгассиза данных. В предельном случае на основе анализа и обработки собранных данных система принишет решение автоматически.

В этой связи, однако, возникает проблема обеспечения высокой степени достоверности поступающей информации и сведения к минимуму риска принятия неправильного решения. В систешх, икещих дело с восприятием и обработкой оптической информации, названная проблема могвт быть решена как путец увеличения входного потока данных, так и повышением его качества. В первом случае необходимо повьеить разрешашуо способность кспользуищихся в системе датчиков кзобраазния, улучшить их пороговш характеристики, либо сделать систему способной к адаптации к условиям работы» например, путей об-ыэна разрэпашей способности на чувствительность. Повышение качества входного потока данных достигается за счет повышения однородности и стабильности фотоэлектрических параметров датчика изображения, на котором базируется система. Для навигационных систем и систем обнаружения, например, огромное

значение имеет гесткость растра, с которой непосредственно связана точность определения координат или фэрмы объекта ааДдвдекия. Кроне того, снижение абсолютной величины и неоднородности теьшового сигнала обеспечивает повышение отнопе-нин сигнал/шум на входе анализирующего блока системы, благодаря чему повышается точность решения задач фотометрического характера, а такае возрастает достоверность регистрации сигнала слабых источников излучения.

В системах технического зрения больше значение имеет

устойчивость датчика изображения к внешний воздействующим

%

фзкгорзн - как к механическим и климатическим, так и к злакгрокагнитным полны.

Вакскец, долговечность и надежность датчика изображения играет определяющуо роль при построении на его основе сложных и крайне дорогостояща систем космического и наземного базирования, срок слуабы которых во многих случаях определяется сроком слуайа сашго датчика изображения.

Шиболзе полное соединение названных выш° качеств достигался в фэточувствЕтельных устройствах, выполненных по технологии твердотельных интегральных схем; если же речь идет о датчиках изобраявнкя, то такнш устройствами являются фоточуиствительнае приборы с зарядовой связью. Применение для их создания технологии твердотельных Ж) обеспечивает потенциально неограниченную долговечность, во всяком случае, многократно превышавшую срок службы вакуумных телевизионных трубок; аэсяшсгь растра и нэчувствитёльность его к воздействию электромагнитных полей обеспечивает вшокую точность

определения координат и геометрических характеристик объектов наблюдения; возможность адаптации фоточувствительных ПЭС к характеристикам принимаемого изображения (изменение полосы частот передаваемого сигнала, обмен разрешающей способности на чувствительность) вообще представляет собой новое свойство, нереализуемое на основе вакуумных приборов.

Широкое внедрение твердотельных датчиков изображения благодаря названным выше достоинствам позволит создать телевизионные системы с принципиально новыми функциональными возможностями. Однако, к моменту начала диссертационной работы не существовало детально разработанных принципов конструирования крупноформатных фоточувствительных ПЗС, позволивших создать приборы, пригодные для устойчивого серийного производства. Проектирование приборов велось на основе общих представлений о физических процессах переноса заряда в ГОС-структурах без учета специфичности технологических процессов изготовления ПЗС с поликремяиевой системой фазовых электродов. Зто приводило к исчезала® малому проценту выхода годных при попытках организовать серийное производство фоточувствительных матричных ПЗС со степенью интеграции порядез 500x500 элементов, создание которых предусматривалось комплексными отраслевыми программами "Заряд-85" и "Заряд-90". Следовательно, настоящая работа, посвяшэнная решению проблемы разработки конструктивно-технологических принципов создания ПЗС большой степени интеграции, является актуальной.

- б -Дедь работы

Целью работы является создание научных основ конструирования крупноформатных фоточувствительных приборов с зарядовой связью, обеспечивающих возможность их серийного выпуска. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи.

1. Выполнить анализ и сравнение различных конструктивно-технологических вариантов ИЗО по критерию надежности технологической системы для их серийного производства.

2. Исследовать закономерности возникновения отказов в

__ч

DSC и разработать модели процессов, приводящих к их появлению.

а Разработать конструктивные методы снижения вероятности возникновения отказов в ШС.

4. Разработать крупноформатные ©ВС, конструкция которых обеспечивает их серийный выпуск на баге технологии с поликремниевыми затворами.

Научная значимость и новизна работы

1.Разработана вероятностная ьэдедъ пораявняя ГОС-струк-туры фотолитографическим дефектом, учитывавшая тип конструктивно-технологической схемы ШС, на основе которой проведен сравнительный анализ зависимости процента выхода годных от конструктивно-технологической схемы ПЗС. Показано,что для организации серийного производства ПЗС высокой степени интеграция следует использовать трехслойную поликремниевую технологию, a cam ШС деляны ишть трехфазную систему управле-

ния. '

2. Разработана вероятностная шдель несонмеивния топологических слоев полупроводниковых микросхем, учитывавшая характеристики точности фотолитографического оборудования. Показано,что для увеличения фоточузствительяости ПЗС высотой степени интеграции значение допуска на несовыещвние топологических слоев в их структуре должно бьггь по крайней мере вдвое меньшим максимально возможного рассовмедения слоев.

3. Выполнен статистический анализ распределения различных видов отказов при серийном производстве ШС и установлена взаимосвязь вида отказа с конструктивно-топологическими элементами структуры.

4. Разработана модель отказов в многословных поликремниевых ПЗОструктурах, и показано * что для их предотврашэкия необходимо исключить возможность контакта алюминиевой металлизации е нияелеладаш поликреыниэвыми слоями в области замыкающих поликремниевых шин системы фазовых электродов. ЩзедлойЕНЫ новые конструкгивньгэ ттопы, обеспечивашие предотвращение отказов ПЗС по статичэскшл параметрам.

5. Показано, что для повышения надежности я увеличения процента выхода годных фоточувстЕителькых ПЗС сток для избыточных фотогенерированных носителей заряда доллен быть выполнен в виде ЩЩ-структуры, управляемой фазовым электродом; предложена методика расчета устойчивости ПЗС такой конструкции к световым перегрузкам.

8. Показано, что для повышения тактовой частоты работы ПЗС топология токсподводящих элементов доляна быть сишзт-

ричной относительно центра системы фазоьнсс электродов.

7. Показано, что увеличение точности задания потенциального рельефа в канале ПЗС с виртуальной фазой,определяющей характеристики хранения и передачи заряда, монет быть достигнуто использованием дзухслойной поликремниевой конструкции ячейки ПЗС.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Отказы по статическим параметрам кристаллов ФПЗС вызываются диффузией алюминия сквозь отверстия в поликремниевых слоях в областях контактных окон к замккашим шинам фазовых электродов при термической обработке пластин после операции формирования алюминиевой разводки.

2. Вероятность того, что взаимное рассовмешвние двух топологических слоев интегральной микросхемы между собой, каждый из которых в отдельности совмещен с третьим топологическим слоем, превысит значение А, равна

А/ШГ А^гВч?

Р(А)=1/2-С2 4Г) ) |ехр("4 М^сЗЦ ,

О О

где О - дисперсия погрешности процесса совмещения двух топологических слоев.

3. Вероятность получения полностью годного по статичес-

<Г IV

ким параметрам кристалла ПЗС равна Р=0,99 (1-к) , где ш -число поликремниевых слоев в кристалле ПЗС, содержащих более одной фазы, ч - обшее число операций в технологическом цикле, а к - вероятность поражения поликремниевой структуры де-

- 9 -

соэктсм произвольного размера, равная

к=( п+1) /[ (Л!7тах)"*' -( £ Ш > ^

•<С1-( ¿нп/^злп+гн!- ¿т-с &шп- £ шкп+ш» •С1-( -НАп+Ш,

где:

ЭСяах=Х/Хкр, X - размер кристалла ШС; ЭСкр=г2&ннйт - критический размер дефекта;

п= <Х\п/Хкр, Ап/3?кр; Йш - длина электродов ПЗС; - зазор между ними; п=-3. ..-0,5 - показатель степени в плотности распределения размеров дефектов З^хУОСкр)^;

х'=х/0?кр - относительный размер дефекта; х - абсолютный размер дефекта.

4. Применение полевого стока антиблуыинга, управляемого фаговым электродом, обеспечивает стойкость ФПЗС к световым перегрузкам, разную стойкости ФПЗС традиционной конструкции с диффузионным стоком, и позволяет исключить из технологического процесса изготовления группу операций формирования диффузионных стоков.

5. Формирование на периферии кристалла БИС опорной структуры из материалов топологических слоев и исключение попадания контактных окон в контуры сформированных ранее фаговых электродов обеспечивает образование микрозазора между фотошаблоном и полупроводниковой пластиной и подавление образования паразитных проводящих перемычек между поликремние-аыш слоями, что для кристаллов плошдью 1-2 см2 обеспечивает повышение процента выхода годных по статическим параметрам

- 10 -

до 20-302 для разных типов ФПЗС.

Практическая ценность работы

1. Разработана методика проектирования ПЗС-структур, позволяющая, исходя из заданных характеристик технологического оборудования (точность совмещения, точность воспроизведения размеров элементов, минимальный воспроизводимый размер), определить топологические параметры ПЗС (длину фазовых электродов, размеры ячеек и кристалла).

2. Предложена новая конструкция ФШС с полевым стоком

ч

антиблуминга, управляемым фазовым электродом секции накопления, которая позволяет исключить из процесса изготовления группу операций формирования диффузионного стока при сохранении высокой чувствительности прибора в ближнем ИК-диапазоне.

3. Предложены новь® конструкции крупноформатных матричных <Ш2С, обеспечивающие увеличение процента выхода годных за счет введения принудительного зазора между пластиной и фотошаблоном на операции фотолитографии и исключения попадания контактных окон в контуры сформированных ранее фазовых электродов. Это позволило обеспечит серийный выпуск ©ЗЗС типов 12001Щ7, 1200ЦШ2, А-1148, А-1094.

4. Разработана конструкция ФГЕЗС с числом элементов 1024x1024, позволяющая повысить тактовую частоту управления за счет строгой конструктивно-топологической симметрии прибора.

5. Разработана конструкция многоканальной матричной

двухфазной линии задержки, позволяющая повысить тактовую частоту управления матричной секцией до 20 МГц га счет дублирования поликремниевых электродов алюминиевыми шинами.

Внедрение результатов Тема диссертации непосредственно связана с 9 НИОКР, выполненных в рамках государственных целевых комплексных программ "Заряд-85и и "Заряд-90" в период 1980-1990 г. г.

Научные и практические результаты диссертации внедрены в производство серийных крупноформатных ЖЗС типов 1200Щ7, 1200ЦШ2 (объем выпуска - 20 тыс. шт.), А-1146 (объем выпуска 10 тыс. шт. ),А-1094 (объем выпуска в корпусах с термоэлектрическим охлаждением 150 шт.).

Разработанные серийные СГОС 1200Щ17, 1200ЦШ.2.А-1148, А1094 внедрены в бортовые и наземные оптоэлектронные комплексы в числе которых может быть названа система 14К017 разработки ШЩ "Оптзкс" НПО "Элас", система контроля характеристик осциллографической аппаратуры специального назначения, разработанной ВНИИ радиоизмерительных приборов. Кроме того, серийный выпуск ФЛЗС 1200ЩГ7 позволил создать новый класс ТВ-аппаратуры с параметрами, принципиально недостижимыми на основе датчиков изображения других типов - ТВ-системы с высокой степенью стойкости к внешним механическим воздействиям (система "Удилище" разработки ВНИИ телевидения).Серийный выпуск ШЗС названных выше типов позволил наладить производство компактных ТВ-камер черно-белого изображения серий КТЫ и КГ разработки ЭНИМС и НИИ электромагнитных компонентов.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на двух отраслевых конференциях в ЕИИ "Пульсар" в 1963 г. и в 1987 г. Разработки ©130 отмечены золотой медалью ВДНХ СССР.

Публикации

По тематике диссертационной работы опубликовано 17 работ, 3 доклада, получено 13 авторских свидетельств.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работа Изломаны защищаемые положения и показаны научная новизна и практическая значимость работы. Охарактеризована структура диссертации.

В первой главе проведена оценка конструктивных параметров и дан анализ конструктивных вариантов реализации матричных ФПЗС для ТВ-систем, репшдах важные народно-хозяйственные задачи. В качестве таковых выделены три:

а).дистанционное зондирование Земли;

б).автоматизация производственных процессов в промышленности;

в).исследование космического пространства

В качестве примеров специальных ТВ-систем по литературным данным рассмотрена система дистанционного зондирования Земли с высотой полета 650 км и шириной просматриваемой по-

.. * О _

лосы 200 км и система астроориентации. Констатируется, что для достижения разрешающей способности на ,поверхности Земли 1,5-2,5 и число элементов в каждой стороне матрицы додзкно составлять 500-1000, а для 952-ной вероятности попадания в золе зрения астронавигационной системы не менее трех звезд число элементов в каждой стороне матрицы ФПЗС также должо быть около 1000. Кроме того, исходя из необходимости первичной обработки принимаемой информации на борту КЛА обоснованы требования к универсальности конструкций матричных ФПЗС, которые должны обеспечивать возможность построения аналоговых кадровых ЗУ в составе бортовых процессорных блоков, обеспечивать возможность адаптации характеристик ТВ-системы на основе ФПЗС к условиям работы путем взаимного обмена разрешаема способности на чувствительность и допускать первичную обработку видеосигнала (например, выделение контуров наблюдаемых объектов) непосредственно на кристалле ФПЗС. Обоснована необходимость совместимости матричных ФПЗС с вещательным телевизионным стандартом. ¿¡формулирование требования . к параметрам и конструкции фоточувствительных матриц для спет шальных ТВ-систем обобщены в таблице 1.1 диссертации , воспроизводимой ниже.- Сформулирована конкретная научно-техническая задача диссертационной работы, заключающаяся з исследовании физико-технологических закономерностей формировния структуры ПЗС и разработке на основе результатов этих исследований конструктивно-технологических принципов и методик разработки крупноформатных универсальных матричных ФПЗС пригодных для серийного производства и предназначенных для ши-

Таблица 1-1. Технические требования к конструкции и параметрам фоточувствительных ПЗС-."атрии

I NN |пп

II.

5.

67

7.

Параметр, конструктивный признак

Число элементов разложения

Наличие входного регистра для ввода электрического сигнала в матрицу

Обозна-1 Ед. ("Значение |Приме-чение |изм| |чание

Наличие дополнительных сдвиговых регистров с электрическими входными устройствами

Время накопления

Частота вывода информации

Отношение сторон фоточувствительной области

Способ формирования видео-скгнала

I »

п х т 1шт.

ьа.

Гр

не менее | 1 1000x1000

по вертикали 576

не менее 1200X1200

МГц

0,02

1-10

7-10

0,64-1,0

4:3

1:1

3,4

3,4

7,8

3,4

5,7,3

3,4

7,3

полукадрами, кадровый перенос, полная засветка, кадровое накопление

3,4

временная задержка и накопл. (ВЗН)

7, 3

Примечания: 1.Сканирующая система дистанционного зондирования Земли. 2. Система астроориентации. 3. Промышленные телевизионные установки, совместимые с ГОСТ 7845-82. 4. Системы охраны и сигнализации, технического зрения. 5. Адаптивная система обнаружения и распознавания космических объектов. 6. Системы технического зрения со сканированием изображения. 7. Астрономические системы наблюдения слабых объектов, а Системы ввода изображений и запоминающие устройства.

рокого применения в народном хозяйстиве в составе ТВ-систем промышленного и специального назначения.

Вторая глава посвящэиа анализу путей создания матричных ФПЗС высокой степени интеграции. В первом разделе этой главы проводится сравнительное рассмотрение вариантов крупноформатных ФПЗС в гибридном и монолитном исполнениях, в том числе с использованием фоконных сборок. Отмечается, что несомненным достоинством гибридных сборок, составленных из кристаллов ПЗС сравнительно небольшого размера, является возможность формирования больших фоточувствительных массивов - до 10000 элементов по крайней мере по одному из двух направлений для работы в режиме временной задержки и накопления (ВЗН). Однако это преимущество в решаадэй мере обесценивается сложностью производства и эксплуатации гибридных сборок, особенно если по условиям их применена требуется охлаждление фоточувствительного массива. Результаты сравнительного анализа сведены в таблицу 2. 2 диссертации, воспроизводимую ниже. Сделан вывод о том, что в специальных ТВ-системах предпочтительнее использовать крупноформатные монолитные матричные ФПЗС, нежели гибридные фоточувствительные сборки, если только решена проблема их серийного производства. Таким образом, при проектировании монолитных кристаллов ПЗС, относящихся по степени интеграции к сверхбольшим ИС и предназначенным для использования в специальной ТВ-аппаратуре на первом плане оказывается поиск таких конструктивно-технологических решений, которые обеспечивали бы возможность устойчивого производства этих кристаллов.

Таблица 2.2.

i NN Характеристики ' Гибридная Гибридная (Монолит- |

|дп сборка сборка с |ная ф/чу-|

1 фоконаыи (вствите- |

! |льная |

1 !матрица | 1 1

1 l- Максимальное число эле- 1 1

1 ментов разложения: 1 1

1 - по горизонтали . 10000 1000 11000 |

1 - по вертикали 100-800 1000 11000 |

1 - обвдэе 10 10 ¡10 |

1 2. Зазоры между фоточувст- 1 1

1 вятельными элементами 0,25-2 эл. - 1 - 1

1 з. Число элементов в от- 1 1

1 дельном кристалле: 1 1

1 - по горизонтали 100-2000 400 11000 |

1 - по вертикали 50-800 400 11000 1

1 4. Режим работы: 1 1

1 - временная задержка и 1 1

1 накопление возможен возможен I возможен |

- кадровый перенос невозможен невозможен I возможен |

t - малокадровый невозможен невозмолэн | ВОЗМОЖЕН 1

! 5. Охлаждение невозможно невозможна ¡ВОЗМОЖНО |

1 6. Разброс положения I 1

1 элементов: 1 1

1 - в плане,мкы 5 10,1-0,5 |

- по высоте,мкы 50 11-2 )

1 7. Необходимость.элект- 1 1

1 ронной коррекции 1 . 1

1 изображения есть нет (нет |

1 8. Рассовмзцэние элемен- 1 1

1 тов по полю 8 элем. |нет |

1 9. Дисторсионные искаяе- нет есть ¡нет j

i ния 1 1

lio. Технология производ- сложна очень ¡обычна |

I ства сложна 1 1 1 1

- 17 -

Второй раздел главы 2 диссертации посвякзн анализу конструктивно-технологических вариантов 'создания кристаллов D3C большой степени интеграции. Выведено аналитическое соотношение, связывающее вероятность величины несовыещения топологических слоев ИС с дисперсией погрешности совиеадзния фотолитографического оборудования (п. г раздела "Научные положения, выносимые на защиту"), на основании которого с далью повышения фоточувствителькости трехслойных ячеек ПЗС обоснована необходимость уменьшения допуска на несовмешзнив в топологии элементов ПЗС вдвое по сравнению с максимально возможным несовмешением топологических слоев. ' Разработаны методики определения проектных топологических параметров ячеек ПЗС с учетом характеристик точности технологической системы, под которую ведется разработка ГОС. Выведено общее соотношение для процента еыходэ годных по статическим параметрам для кристаллов ГОС всех практически применяемых конструктивно- технологических типов, учитывающее сложность технологического цикла их изготовления (п.3 раздела "Защищаемые научные положения"). Сделан вывод о той, что для создания серийного производства ГОС высокой степени интеграции следует использовать трехслойную поликремниевую технологию, а сами ПЗС должны иметь трехфазную организацию.

Третья глава посвящена- исследованию мэханизюв появления брака по статическим параметрам и разработке конструктивных приемов подавления возникновения отказов в кристаллах ПЗС. Отмечается, что первоначальные попытки организовать производство крупноформатных трехфазных трехслойных полкк-

ремниевых <ШЗС с числом элементов 580x532 и 576x360 не увенчались успехом из-за крайне малого процента выхода годных по статическим параметрам - порядка О,IX, что с учетом отбраковки по фотоэлектрическим параметрам давало общий процент выхода годных на уровне 0.01Х и даже 0,001%, что исключало возможность устойчивого производства далэ единичных приборов. Приведенные цифры находились в драматическом противоречии с расчетами процента выхода годных для ячеек трехфазного ИЗО, выполненных в главе 2 (порядка 711). Была поставлена задача идентификации элементов конструкции кристаллов ГОС,отвественных за появление отказов по статическим параметрам. С целью ее решения был проведен статистический анализ распределения, видов отказов, результаты которого позволили определенно указать место физической локализации мест межслойных коротких замыканий и замыканий между поликремниевыми слоями и подложкой - замыкающие шины системы фазовых электродов матрицы и регистра. Было выдвинуто предположение о, том, что причиной отказов по статическим параметрам явилось механическое нарушение целостности структуры ПЗС в местах перекрытия трех слоев поликремния. Эксперимент, заключавшийся в модернизации конструкции кристалла таким образом, чтобы исключались нарушения такого рода (введение на кристалл опорной структуры из материала топологическитх слоев, обеспечивающей наличие микрозазора между шаблоном и подложкой) , дал положительный результат - процент выхода годных для кристаллов с числом элементов 580x360 возрос на порядок - и составил 10-15Х.

Во и это значение процента выхода годных по статическим параметрам все жз значительно ниже расчетного; в связи с этим были предприняты дополнительные исследования по определению других возможных мест физической локализации коротких замыканий медду элементами структуры ГОС. В результате статистического анализа распределения отказов по видам и логического анализа наблюдаемой картины отказов в кристаллах ПЗС, конструкция которых исключает повреждение структуры" в местах тройных перекрытий слоев поликремния, было выдвинуто предположение о возникновении коротких замыканий ыедцу элементами конструкции ячеек ПЗС за счет диффузии алюминия разводки при операции его вямгания сквозь отверстия в .межслой-ном окисле, образующиеся на операции вскрытия контактных окон, к нижележащему слою поликремния. Эксперимент, заключавшийся в модернизации конструкции кристалла ПЗС такда образом, что исключалось попадание контактных окон к поликремниевым замыкащим шинам в контуры фазовых электродов, сформированных в нижележащих поликремниевых слоях (введение в топологию так называемых "разрывных окон") дал положительный результат: процент выхода, годных кристаллов ПЗС по статическим параметрам возрос ещэ в 2-3 раза и достиг 25-302 от числа дошедших до операции контроля статических параметров для кристаллов ПЗС с числом элементов 800x800 и плоивдью кристалла 2 см . На основании проведенных исследований пред-ложзна модель возникновения отказов по статическим параметрам в кристаллах ПЗС.

Первый раздел четвертой главы посвящен анализу характе-

ристик стока антиблуминга, выполнить который предлагается в виде протяженной ЩЩ-структуры, затвор которой соединен электрически с фаговым электродом ГОС. Преимуществом ВЗС со стоком антиблуминта такой конструкции является исключение из структуры кристалла ФПЗС протяженной (до 1 м) сильнолегированной диффузионной области, встраиваемой обычно в стоп-ка-налы матрицы, что приводит к усложнению технологии и снижению процента выхода годных из-за высокой вероятности пробоев столь длинного р-л-перехода, образуемого стоком антиблушшга и стоп-каналами. При выполнении стока антиблуминга з предложенном конструктивном варианте, кроме того, сохраняется чувствительность ФПЗС во всем диапазоне от 0,4 до 1,1 мкм. Это является явным преимуществом описанного варианта стока антиблуминга перед конструкцией ячейки 1ЕС с отводом избыточных фотогенерированных носителей заряда а подложку, в котором длинноволновый предел чувствительности соответствует лишь длине волны 0,7 мкм, что приводит к троекратному ухудшению интегральной чувствительности по сравнению с конструкцией ФПЗС без вертикального стока антиблуминга. Предложена методика расчета устойчивости ФПЗС со стоком антиблушшга в виде МДП-структуры к световым перегрузкам; теоретически показано, что стойкость к световым перегрузкам ФШС 'такой конструкции определяется способностью протяженной стоковой ИДП-структуры пропускать через себя к обиему стоку суммарный ток избыточных фотогенерированных носителей заряда, а стойкость ячеек Ф1ВС с ЦДЛ-стоком к световым перегрузкам не уступает стойкости ячеек ФПЗС обычной конструкции.

- 21 -

Второй раздед четвертой главы посвяадзн исследованию возможности создания конструкции кристаллов 133С с близким к 100%-ному выходу годных по статически« параметрам. Наиболее реально достижение такого результата-при использовании однофазной системы тактирования з которой исчезает само понятие короткого замыкания мэвду фазами ПЗС. Однако известная технология создания таких кристаллов неприменима в конкретных условиях производства ПЗС из-за крайней степени критичности операции прецизионного диффузионного легирования областей тактируемой потенциальной яш в известкой конструкции ПЗС с виртуальной фазой, что не позволяет добиться надежного формирования потенциального рельефа в ячейке ПЗС. Нами предло-яена конструкция однофазной ячейки ПЗС с виртуальной фазой, использушзя электродную систему, сформированную в двух электрически соединенных, а потому нечувствительных (с точки зрения возникновения отказов по статическим- параметрам) к дефектам поликремяиевых слоев.

Пятая глава посвяиена описанию конструкции и характеристик ПЗС, разработанных на основе анализа результатов исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы. Первый раздед данной главы включает описание конструкции ФПБС с числом элементов 580x360 (типов 1200ЦЫ7, 12СШШ.2 и А-1146). Прошпострирована универсальность конструкции кристалла, соответствующей требованиям к кристаллам ©ВС, предназначенным для широкого использования в промышленных ТВ-системах специального назначения (способность работать в режиме кадрового, переноса, ВЗН и полной засветки

- ES -

кристалла, возможность построения кадрового ЗУ, апертурного корректора, реализующего операцию вычисления 1-й и 2-й производных видеосигнала, адаптации характеристик кристалла к условиям работы ТВ-камеры); проведено сравнение с лучшим (на момент разработки} зарубежным аналогом и показано соответствие разработки мировому уровню. Экспериментально показано: а).возможность применения разработанного кристалла в качестве базового в фоконных сборках; достигнуто десятикратное увеличение амплитуды видеосигнала;б). возможность применения разработанного кристалла в качестве кадрового ЗУ с линейной сквозной характеристикой; в), возможность использования в адаптивной ТВ-камере с шириной полосы пропускания видеотракта 375 кГц; достигнуто значение динамического диапазона 17000 и пороговой освещенности в плоскости фотоприемника 0,01 лк при кадровой частоте 25 Гц; г), возможность применения ИЗО типа 1200IIJÎ7 в условиях воздействия ударных и центробежных механических нагрузок интенсивностью 10000-12500 s• Во втором разделе главы 5 диссертации описана конструкция и фотоэлектрические характеристики ФПЗС типа А-1094 с числом элементов 800x800. Организация кристалла - деление матрицы на 4 секции по 800x200 элементов в сочетании с двумя выходными регистрами, - допускает многообразные режимы работы: три варианта режима кадрового переноса, режим ЮН, режим полной засветки. Кристалл собирается в металлостеклянный вакуумный корпус с термохолодильником Пельтье. Проведено сравнение с лучшим зарубежным аналогом на момент разработки прибора. Кроме стандартизованного набора фотоэлектрических

параметров, измеренных при температуре кристалла 25 С и времени накопления 1 с в режиме ВЗН - напряжение насыщения (0,1 3), коэффициент передачи модуляции (40%), неравномености темнового (5%) и светового (15Х) сигнала, - были измерены плотность темнового тока (1 нА/см ), оценена эффективность переноса заряда (0,99992-0,99995), определен верхний частотный предел работоспособности прибора (7,5 МГц без потери четкости изображения) и значение динамического диапазона (до 5QC0). Снижение четкости формируемого изображения при переходе в вертельный режи работы (1я=20 мс, частота работы регистра fp=15 МГц) объясняется значительным сопротивлением алюминиевых подводящих шин регистра (80-120 Ом). Электрический фильтр, образованный сопротивлением шин и емкостью электродов регистра, задерживает управляющие импульсы примерно на 50 не, что соизшримз с периодом тестовых импульсов на частоте 15 МГц при веиательной частоте кадров 25 Гц. Вышеприведенное утверждение было подтверждено экспериментально путем учитнваюшэй несишетрию шин разводки питания фазовых электродов регистра корректирующей расфазировки управлящшс импульсов. В ходе описанных исследований таким образом налел подтверждение тезис о том, что. начиная с тактовых частот регистра порядка 8 МГц, быстродействие ШС большой степени интеграции ограничивается не процессами, происходящими в активных элементах ПЗС (ячейках ПЗС, выходном устройстве), а другими элементами конструкции, роль которых в менее напряженных режимах работы оказывалась не столь существенной. Ыз основании результатов проведенных исследований были сформу-

дированы рекомендации по проектированию ? гементоз конструкции ШС, в частности, о необходимости обеспечения геометрически одинаковых путей подвода тактовых импульсов к активным элементам структуры ПЗС, экранировки выходного устройства.

Принципы конструирования матричных ШС нашли развитие в конструкции многоканальной матричной линии задержки (ШЕЗ, раздел 3 пятой главы), функция МЛЗ, снабженной 128 аналоговыми входными устройствами, заключалась в том, чтобы обеспечить буферную задержу, селекция шумового сигнала и сжатие входного потока данных от полупроводниковых детекторов ядерного излучения перед последовательным вводом данных в ЭВМ для дальнейшей математической обработки. Частота тактирования не только регистра, но и матрицы должна была составлять не менее 15 МГц, что молвт быть достигнуто с помощью: а), придания подводяшщ питание шинам абсолютно симметричной формы относительно центральной оси матрицы;б).увеличения толщины слоя алюминия разводки;в). разделения функций подвода импульсов тактового напряжения к ячейкам матрицы и формирования потенциального рельефа г подложке путем дублирования двухфазной электродной системы матрицы алюминием;г), выполнения стоп-канальных областей матрицы методом локального окисления кремния; емкость каждой из фаз матрицы относительно подложки не превышает 20 пФ (ср. с 150 пф для фаз регистра и 10000 пФ для матричной секции ФПЗС типа А-1094).

Разработанные принципы конструирования матричных ШС большой степени интеграции нашли логическое продолжение в конструкции кристалла матричного ФГОС с числом элементов

1024x1024 (раздед 4 пятой главы), а которой не только разводка, но и конструкция и располояэниэ четырех выходных устройств, оптимизированных для работы на частоте 5 МГц, симметричны относительно центра матрицы. Широко использовано экранирование всех выходных устройств; потенциал подложки в области тактовых шин регистра и матрицы и выходных устройств задается раздельными системами подводящих шин, что позволяет ослабить уровень шума в выходном сигнале ФГОС, связанного с неопределенностью установки верхнего уровня тактовых импульсов регистра.

В заключении приведены выводы и результаты диссертационной работы. Эти результаты в основном сводятся к следующему.

1, Показано, что для успешного решения задач дистанционного зондирования Земли, создания систем астронавигации, технического зрения и других телевизионных систем специального назначения матричные твердотельные датчики изображения должны иметь порядка 500-1000 элементов по каддому измерению.

2. Показано, что наиболее перспективной является реализация таких датчиков в виде монолитных фоточувствительных матриц,

2. Исследованы закономерности возникновения отказов по статическим параметрам в сверхбольших кристаллах ЕЭС, установлены места их физической локализации. На основе полученной информации разработаны методы подавления, возникновения отказов по статическим параметрам, разработаны конструкции кристаллов ФГВС шюшадью 1-2 см , допускашие их серийное

- аз -

производство, что создаю широкую базу- для изучения зависимости фотоэлектрических параметров от особенностей конструкции кристаллов ГОС.

4. Полученные в ходе этого изучения данные послужили отправной точкой для создания перспективных конструкций ГВС -матричной многоканальной линии задержи с высокой частотой тктирования и ФГОС с числом элементов 1024x1024.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах.

' 1. Е. Е Костюков,А. Е Марков, Н. К. Миленин, Е Я. Непомнящий, 2. А. Полонский, А. Д. Тшценко. Экспериментальная трехыатричная камера ЦТ на ШС с числом элементов 580x522. Техника кино и телевидения, 1981 г., N6, с. 30-38.

2.11Ф. Лапетин,А. Ы. Марков, И. О. Фантиков. Вопросы построения телевизионных камер вещательного стандарта на матричных ГОС. Техника средств связи. Серия "Техника телевидения",1978 г., вып.6,с.25-31.

3. А. Е Вето, С. А. Левин, А. Н. Шрков,Ф. Д. ПресА. С. Скрылев. Сдвиговый регистр на основе прибороз с зарядовой связью. А. с. N693903.

4. А. Е Вето, 11 А. Кузнецов, С. А. Лэвш, А. К Шрков, Ф. Е Пресс, А. С. Скрылев. Матрица на основе приборов с зарядовой связью. А, с. N786742.

5. & А. Кузнецов, А. Е Марков, Ф. П. Пресс. Способ изготовления многослойной полупроводниковой структуры. А. с. N895244.

6. А. Н. Марков,!'. Я. Гфигойин, Е М. Смирнова. Матричная фото-

чувствительная схема с зарядовой связью типа К1200ЦЙ2. Электронная промышленность, 1982 г., N7, с. 13-17.

7. Е. В. Костюков, А. Е Марков,О. Г. Реботенко, Ф. П. Пресс, Е П. Стыцько. Применение ПЗС в качестве дискретно-аналоговой линии задержки. Техника средств связи. Серия "Техника телевидения", 1983 г. , вып. 5, с. 46-49.

8. А. Е Марков,®..П.Пресс. Выход годных фоточувствительных микросхем с зарядовой связью с большой площадью кристалла. Тезисы докладов конференций. Серия 2. "Полупроводниковые приборы". Вып. 1 (194). Приборы с зарядовой связью. Технология и применение. Ь&териалы научно-технической конференции. Октябрь, 1983 г. ,с. 30-31.

9. Ф. М. Данилова, А. Е Ь&рков, А. Е Поспелов, В. Ы. Смирнова. Разработка конструкции матричной фоточувствительной схемы с зарядовой связью (ШСЗС) с повышенной механической прочностью. Там же, с. 35-36.

10. А. Е Шрков. Штод расчета положения эквивалентных ячеек накопления фоточувствительных схем с зарядовой связью. Тан л®, с. 56-57.

11. М. М. Крымко, а А. Кузнецов, А. Е Марков, Ф. Е Пресс, М. П. Лелеет. 1&тричная фоточувствительная схема с зарядовой связью типа А-1094. Спец. электроника. Сер. 2,Полупроводниковые приборы. Вып. 2 (48), 1983 г., С. 122-127.

12. К А. Зеленов.А. Е Куликов,А. Е Шрков,С. Е Нарышкин. Телекамера на матрице ПЗС с расширенным диапазоном. Техника средств связи.Серия "Техника телевидения", 1986 г.,вып.4, с. 31-36.

- 28 -

13. М. Е Крымзсо, А. Е Марков, А. К Перфилов,А. И. Хатунцев. Матричная фоточувствительная микросхема с зарядовой связью. А. с. N1294240.

14. А. Е Вето, А. Е Марков. ФоточувсТвительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) типа А-1094 с числом элементов 800x800. Теаисы докладов конференций. Серия 10. Шкрозлекгронные устройства. Еып. 1 (251), ЦНИИ "Электроника", 1387 г. ,с. 15-16.

15. К Л Вабинцев.Е Е Лебедев, А. Е Ыариов. К. Е Скурлов. Телевизионная камера высокой четкости на матрице ШС с фоконом. Техника средств связи. Серия "Техника телевидения",1987 Г., ВЫП. 4, с. 18-22.

16. Д. А. Дэвжиков, М.Е Клебанов, А. Е Куликов, А. Е Марков. Нестационарные помехи в телевизионных камерах на ПЗС. Там же, С. 23-28.

17. А. Е Марков, А. Е Перфилов.Е А. Фролов, А. И. Хатунцев. Матричная фоточувствительная схема с зарядовой связью. А. С. N1347824.

18. Е Е Клебанов, А. Е Куликов, А. Е Марков, А. К Цыцулин. Быстродействующая телевизионная камера на матричном ПЗС с поверхностным каналом. Техника средств связи. Серия "Техника телевидения", 1388 г.,вып. 5,с. 12-17.

19. А. Е Марков. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью типа А-1094. Электронная промышленность,1990 г. 1,с. 68.

20. Д. А. Довжинов, С. А. Иванов, И.Е Клебанов, А. Е Куликов, к. Е Марков» А. К. Цыцулин. Переменная четкость в твердотельных телевизионных системах. Техника средств связи. Серия "Техника

- 23 -

телевидения",1989 г., вып. 7,с. 27-33.

21. Л. М. Василевская, А. Е Марков,С. Е Нарышкин,а Е Павлова, Г. Я. Пригожин. Фоточувствительные приборы с переносом заряда серии 1200. Электронная промышленность,1990 г.5, с. 86-87.

22. Е Д. Аверина, М. Ы. Крыыко, XI А. Кузнецов, А. Е парков, Ф. Е Пресс. Шогослойная электродная структура А. с. N 1581150..

23. А. С. Иванов, А. Е Куликов, А. Е Айрков, А. К. Цыцулин. Дэпол-нительные каналы считывания в матричных ПЗС. Техника средств связи.Серия "Техника телевидения",1990 г., вып.2,с.34-33.

24. А. Е Марков, А. Я Хатунцев. Экспериментальные фотоприем-ныэ модули; ШЬШ.7,®М-Ш9 - высокочувствительные, с охлаж-дае-^ым ФПЮ с цифровым выводом информации; ЯШ-Ш.5 - широкоформатный на основе матрицы ЕЭС. Электронная промышленность, 1991 Г. ,Н 7,с. 84-86.

25. А. Е Хатунцев, Л11 Василевская, А. С. Окрылен, Е Е Крути-. лин, Е С. Мостовлянский, А. Е Шрков, А. Ф. Оборотов. Бескорпуснш фотоприемные модули. Электронная промышленность,1993 г.,М 1-2, С. 61-66.