CC BY
25
УДК 621.3.049.77
РЕЛАКСАЦИЯ ИОННОГО ЗАРЯДА В ПЛЕНКАХ ОКИСЛА НА ЗАТВОРЕ ИЗ ПОЛИКРЕМНИЯ С НЕОДНОРОДНОЙ ГРАНИЦЕЙ ПРИ ВЫХОДЕ В РАБОЧИЙ РЕЖИМ МОП-МАТРИЦ ФОТОПРИЕМНИКОВ
Геннадий Васильевич Перов
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 630102, Россия, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, кандидат технических наук, доцент кафедры систем автоматизированного проектирования, тел. (383)269-82-59, e-mail: [email protected].
Валерий Иванович Сединин
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 630102, Россия, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем автоматизированного проектирования, тел. (383)269-82-68, e-mail: [email protected]
Марина Петровна Егоренко
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: [email protected].
В настоящее время производство инфракрасной техники, приборов и систем в развитых странах достигло огромных размеров и превратилось в самостоятельные отрасли промышленности. Объем затрат на создание и выпуск инфракрасных (ИК) приборов только военного назначения в странах НАТО исчисляется миллиардами долларов в год.
Конструкция ИК-устройства сложная, вектор развития - увеличение размеров матрицы и разрешающей способности, чувствительности. Увеличение размеров матрицы сопровождается масштабированием ее элементов до топологических размеров до 1 мкм. Элементная база наполнена в основном транзисторными структурами, имеющими многоуровневую архитектуру. В связи с этим научный интерес вызывают электрофизические процессы, происходящие на границах раздела слоев изменяющегося рельефа.
В статье разработана модель ионной релаксации заряда в пленках окисла с неоднородной границей в межуровневой изоляции затворов накопления и переноса фотоприемной ячейки в режимах переключения матриц фотоприемного устройства (ФПУ) на основе МОП структур. Разработана методология определения критических конфигураций неоднородных границ раздела диэлектрика и затворов транзисторов накопления и переноса крупноформатных матриц.
Ключевые слова: конструкция и состав кремниевой матрицы ФПУ, окисел поликремния, релаксация мобильного заряда окисла кремния, электрофизические свойства окисла поликремния, неоднородность окисленного поликремния.
1. Анализ существующих зарубежных и отечественных работ по электрической проводимости термического окисла на неоднородных рельефах
Конструкции и состав устройств ИК-техники имеют сложную структуру и выполнены в разнообразных вариантах как в отечественном, так и в зарубежном исполнении [1-11]. То же самое можно сказать и в отношении формирования кремниевых матриц ФПУ [12, 13].
Формируемые на основе МОП структур параметры кремниевой матрицы в значительной степени определяются пограничными свойствами диэлектрических пленок сверху и снизу перекрываемых затворов соседних элементов накопления и переноса. В качестве затворов в основном используют поликремний, выдерживающий высокую температуру, а в качестве диэлектрических слоев -в основном пленки термического окисла кремния и поликремния. Физико-химические, электрофизические свойства на кремнии хорошо известны. Релаксационные процессы в окисных пленках поликремния с неоднородной границей в матричном ФПУ в цепочках последовательно выстроенных затворов переноса и накопления исследованы в меньшей степени.
Целью настоящей работы является определение особенностей ионной релаксации в окисных пленках на рельефных поликремниевых затворах матричного ФПУ в циклах переключения и выхода в рабочий режим, т. е. в стационарных электрических и нестационарных тепловых полях.
Механизм электронной проводимости термического окисла кремния
с плоской границей раздела
Проводимость слоя изолятора в идеальной МДП-структуре предполагается равной нулю. Реальные диэлектрики обладают проводимостью, особенно заметной при повышенных температурах и электрических полях [14]. По закону сохранения электрической индукции поле в диэлектрике Е/ и электрическое поле Ея в полупроводнике на границе с диэлектриком связаны соотношением:
Е. = Е
I Б
Г
8
Б
V8/ 7
(1)
где 85 и 8 - соответствующие диэлектрические проницаемости. Так, например в системе Si - БЮ2 , когда поле в кремнии достигает характерной для лавинного пробоя величины 3 МВ/см, соответствующее поле в окисле примерно в 3 раза больше (10 МВ/см), поскольку 8^- / 88Ю = 11,7/3,9. В ультратонких слоях SiO2,
а также при очень больших электрических полях приводимость определяют эффекты туннелирования Фаулера - Нордгейма:
3 * Е10 ехр
^2т* (дфв)
(2)
где т - эффективная масса электронов в запрещенной зоне БЮ2; д, т- заряд и масса свободного электрона; /г - постоянная Планка;
ФВ - высота барьера на границе подложки или пленки с диэлектриком.
Такая зависимость тока от поля с релаксацией тока или без нее наблюдается для полей Е8Ю > 5 МВ/см. В более слабых полях могут течь избыточные
токи по сравнению с током Фаулера - Нордгейма, связанные с дефектностью границы раздела 81 - 8Ю2 или объема окисла.
Ионная проводимость в окисле кремния с плоской блокирующей границей
Энергия взаимодействия иона с диэлектрической средой окисла кремния представляет собой пространственно распределенную систему потенциальных ям и барьеров. Ионы колеблются около равновесных положений вблизи дна потенциальных ям. В результате тепловых флуктуаций ионы перескакивают в соседние устойчивые положения, совершая хаотические перемещения по диэлектрику [3].
При подаче на изолирующую пленку электрического поля уравнение Пуассона для расчета пространственного распределения электрических полей в окисле с блокирующей границей:
й2 Е (х)__1 с1Е 2( х) =()
йх2 2фТ dx
где фТ = кТ / q - температурный потенциал, УТ(х, t) = qN(х, t) / ее0,
^ = -У/(х, t); (4)
дt
/ (х, t) = ^ (х, t )Е( х, t) - ПУЫ (х, t). (5)
С граничными условиями
| Е (х, t )йх = ^), q | N (х, t )йх = Q, / (0, t) = 0, 0 0
где
Г0, при t = 0
^(0= \ТГ р ,°п. (6) ий, пРи >0
Начальные условия по равновесным распределениям напряженности электрического поля и концентрации ионов при и^ = 0:
Е (х,0) = 2цтЛ1Х%
А
v
х--
2 у
N (х,0) = 2фт880А осв"2 Ч
г
А
х--
V 2 у
(7)
где ^ - постоянная интегрирования;
А1 - постоянная, связанная с силовыми параметрами взаимодействия иона
с атомами основного вещества.
Динамика изменения концентрации ионов во времени показывает их скопление вблизи внутренней блокирующей границы в стационарном электрическом поле.
Неоднородности на поверхности затворов термически окисленного поликремния
Базовой технологией формирования затворов микросхем различного функционального назначения в настоящее время является технология осаждения CVD пленок поликристаллического поликремния, легированного примесями Р или В. Морфологической особенностью пленок поликристаллического кремния (ПК) является его зернистая структура. Поверхность ПК трансформируется на этапе последующего термического окисления (ОПК) [16, 17].
В работах [18, 19] предполагается образование дефектов на фазовой границе ОПК-ПК во время термического окисления по следующим механизмам:
1. «Бугры», возникающие при аномальной кристаллизации в области локального загрязнения подложки.
2. «Протуберанцы», возникающие при окислении зерен ПК.
3. Включения неокисленного кремния внутри окисла.
Верхняя поверхность окисла в области «бугра» повторяет конфигурацию поверхности поликристаллического кремния, так что номинальная толщина окисла в этом месте остается постоянной. Характерный размер «бугра» - 100 нм.
В противоположность «буграм» верхняя поверхность окисла над «протуберанцем» остается плоской и толщина окисла в этой области уменьшается более чем на 50 %.
Другие возможные изменения рельефа в активной структуре микросхем с поликремниевым затвором - утоньшение окисла на ребрах и углах затворов, особенно при низких температурах окисления в парах воды.
2. Экспериментальная часть
Конструкция, топология, принцип работы МОП-ячейки матричных ФПУ
Конструкция. Одна из распространенных конструкций матричных ФПУ, в которых активную роль играют диэлектрические слои окисла кремния и поликремния в многоуровневой архитектуре с использованием МОП регистров.
Оптимальным способом построения фотоприемной матричной структуры по МОП технологии, в котором устранено влияние эффективности переноса заряда на однородность сигнала по полю матрицы, является использование фотоячеек со считыванием информации на общую шину.
Известны различные варианты построения матриц с использованием цифровых сдвиговых регистров для опроса ячеек на выходную шину. Такая ячейка имеет фотоприемник (МОП емкость или диод) и один или несколько коммутирующих устройств. В простейшем случае ячейка представляет фоточувствительную МОП емкость, затвор и стоковую область считывания, подсоединенную к выходной шине (рис. 1, область Б).
Рис. 1. Принцип работы ячейки ПЗС на основе МОП структуры
с межстрочным переносом
Накопление информационного заряда осуществляется при подаче напряжения на МОП электрод 1. Электрод 2 имеет в это время нулевое смещение и изолирует МОП емкости от шины считывания. В момент считывания при образовании канала под электродом 2 (при подаче на него смещения) информационный заряд попадает в стоковую диффузионную область А, изменяя ее потенциал и потенциал всей шины. Изменение потенциала регистрируется интегратором.
Один из интеграторов состоит из входной диффузионной области Б, затворов 3, 5, электрода накопления и выходного устройства истокового повторителя с транзистором предустановки.
Изменение потенциала выходной шины в момент считывания приводит к инжекции заряда из диффузионной области Б в потенциальную яму под электродом накопления 4. После накопления заряда под электродом 4 на затвор 3 подается нулевой потенциал, что обеспечивает отсечение выходной шины от
выходного устройства. При открытом затворе 5 на затворе 4 снимается потенциал обеднения и заряд поступает в плавающую диффузионную область В выходного устройства. Предустановка выходного устройства импульсом на транзистор 6 проводится в любое предшествующее считыванию время.
Рабочая ячейка ФПУ, таким образом, состоит из горизонтального ряда МОП емкостей с перекрытиями управляющих поликремниевых затворов, связанных между собой в циклах горизонтального перемещения пакета зарядов в области ОПЗ кремния под действием переключающего вертикального электрического поля (рис. 2). Изолирующие слои, работающие под электрической нагрузкой, формируются из термического окисла кремния на плоской поверхности под затвором и окисла на поверхности поликремниевого затвора.
Рис. 2. Поперечное сечение (cross-section) активной части ячейки ФПУ
Топология. Топологическую конфигурация затвора накопления образует поликремний первого уровня над диффузионной областью (рис. 3, а).
Затвор переноса формируется из поликремния второго уровня над диффузионной областью, с перекрытием поликремния первого уровня (рис. 3, б).
Площадь перекрытия затворов накопления и переноса большеразмерной матрицы размером 1 024 х 1 024 пиксель занимает одну четверть всей площади и составляет около 5 см2, кромка перекрытия - 3 см (рис. 3).
Результаты измерений. Условия включения матрицы и ее перехода в рабочий стационарный режим с последующими циклами переноса информационного пакета в приповерхностной области кремния от затворов накопления к затвору переноса и далее от ячейки к ячейке реализованы методологически путем измерения релаксационных токов термостимулированной поляризации (ТСП) и деполяризации (ТСД).
Измерения проводились в емкостных структурах на окисленном кремнии, где в качестве обкладок использовались пленки поликремния толщиной
_о
0,5 мкм, легированного фосфором до уровня 10 см . Температура осаждения ПК Т = 630 °С, температура окисления Т = 1 100 °С, время окисления для разных образцов от 5 до 45 мин.
Рис. 3. Топологические чертежи:
а) затвора накопления из поликремния первого уровня над диффузионной областью; б) затвора переноса второго уровня поликремния над диффузионной областью; в) зоны перекрытия двух уровней поликремния
Спектры токов ТСП окисла поликремния подобны спектрам окисных слоев на монокремнии (ОМК) и имеют два пика в диапазоне температур 80-130 и 210-230 °С. С увеличением электрического поля поляризации структур максимум первого пика смещается в область более низких температур, что характерно для процессов ионного переноса, а положение второго пика не изменяется (рис. 4, а).
В отличие от спектров токов ТСД на монокремнии, имеющих один пик, связанный с переносом ионного заряда через объем диэлектрика, в спектрах токов ТСД диэлектрика на шероховатой поверхности поликремния наблюдается два хорошо разрешимых пика (рис. 4, б, в). С ростом электрического поля поляризации интенсивность низкотемпературного пика спектра токов ТСД (ТНТ = 50-70 °С) увеличивается, а высокотемпературного (ТВТ = 130-150 °С) -уменьшается. Отношение величины заряда под первым Q и вторым пиками
спектра ТСД возрастает с 0,2 до 1,0.
В области слабых электрических полей поляризации (ЕП < 0,5 МВ/см) отношение / 02 слабо зависит от электрического поля поляризации и находится на уровне 0,2-0,5.
Спектры токов ТСД окисных слоев с различной степенью шероховатости блокирующей границы также отличаются друг от друга. При уменьшении степени неоднородности границы раздела ПК - ОПК от 1,2 до 1,1 происходит рост интенсивности низкотемпературного и снижение высокотемпературного пиков спектра в 10 раз.
Полный заряд, перенесенный за цикл ТСД, температурное положение пиков сохраняются при измерении параметров геометрической границы или условий поляризации. Энергия активации процессов, соответствующих наблюдаемым пикам в спектре ТСД, составляет 0,4 и 1,1 эВ соответственно.
3. Обсуждение результатов
Модель переноса подвижного заряда в окисле с неоднородной блокирующей границей
Изменение рельефа геометрической границы приводит к перераспределению внутреннего электрического поля подвижного заряда ионов [20, 21]. При появлении неоднородностей происходит накопление подвижного заряда при температурных и электрических нагрузках на остриях поликремния ПК. При увеличении степени неоднородности границы раздела окисла (увеличение высоты, уменьшение эффективного диаметра) локальное электрическое поле и степень накопления ионов на остриях ПК увеличивается.
100 200 300 Т,С
в)
№ кривой 1 2 3 4 5 6
Еп, МВ/см 0,2 0,8 1,2 1,2 1,2 1,2
1,1 1,1 1,1 1,2 1,17 1,15
Рис. 4. Спектры токов ТСП (а) и ТСД (б), структур ПК - ОПК (в) для различных напряженностей электрических полей поляризации Еп и степени шероховатости поверхности поликремния у
Кинетика процесса ионной миграции в окисле с неоднородной блокирующей границей включает перемещение потока ионов по нескольким «каналам» ОПК, отличающимся своим положением на поверхности ПК и энергетическим характеристикам. Часть структурных дефектов находится вблизи острий ПК («центральные каналы»), другая часть расположена в периферийных областях этих острий («периферийные каналы»). В этих условиях локальные электрические поля вблизи острий неоднородной поверхности увеличиваются, а на периферии бугорка поликремния уменьшаются. Поэтому положительно заряженные ионы накапливаются преимущественно вблизи острий ПК и по мере удаления от центра острия их концентрация убывает. В цикле последующей деполяризации плотность ионов, релаксирующих по «каналам» ОПК, локализованным у острий ПК («центральным каналам»), увеличивается, а плотность ионов, перемещающихся по «каналам» периферии бугорка ПК («периферийным каналам»), уменьшается (рис. 5).
а) б) в) г)
Рис. 5. Иллюстрация модели ионного дрейфа в окисле с неоднородной блокирующей границей при изменении напряженности электрического поля
и шероховатости поверхности ПК:
а) Еп < 0,5 МВ/см,у = 1,2; б) Еп > 0,5 МВ/см,у = 1,1; в) Еп > 0,5 МВ/см,у = 1,2 ( - неоднородность); г) схема возникновения внутреннего поля
При подаче напряжения на структуру вблизи острия в вертикальном направлении под действием Еы возникает нормальная составляющая дрейфового тока:
др = 4'мпз• ^пз • ем, (8)
а под действием Е - тангенциальная составляющая тока:
лр = 4' м пз • ^пз • ет , (9)
где цпз, и ^пз - подвижность и средняя концентрация подвижного заряда
в ОПК соответственно.
Градиент концентрации ионов, возникающий в горизонтальном направлении, приводит к появлению диффузионной составляющей тока Д^, направленной от острия к его периферии:
1 диф Ч " у
(10)
где £>ПЗ - коэффициент диффузии подвижного заряда.
В соответствии с [17, 20], напряженность электрического поля максимальна на остриях ПК. Поэтому в стационарном состоянии ионы скапливаются в этих областях, их количество монотонно убывает по мере удаления от вершины бугорка.
Расчет распределения электрических полей в двуокиси кремния
с неоднородной границей
Расчет карты распределения электрических полей в объеме ультратонких пленок (толщина 5-25 нм) проведен в САПР Tcad Sentaurus для контуров неоднородности двуокиси кремния в форме симметричного «бугра». Выбор диапазонов толщин для расчета выбран в связи с тем, что большеразмерные матрицы ФПУ можно формировать только после масштабирования топологии и линейных размеров пленок.
В соответствии с рассчитанными номограммами зона экстремального электрического поля на острие 10 МВ/см находится в области неоднородности с коэффициентом у > 3, рабочая толщина окисла ограничивается величиной 3 нм (рис. 6).
а)
б)
Рис. 6. Зависимости от степени неоднородности для различных толщин окисла 1 - 50 нм; 2 - 25 нм; 3 - 5 нм:
а) усиления электрического поля на остриях горизонтального рельефа Е11Е2; б) электрического поля на острие зерна Е1
Моделирование выявило два крайних случая формирования критической неоднородности в диэлектрике:
1. Диэлектрическая пленка толщиной 5-50 нм с максимальной неоднородностью у ~ 10. Соотношение Е / Е2 практически не зависит от толщины окисла и внешнего электрического поля. Возможен локальный электрический пробой пленки по механизму лавинного умножения в области резкого увеличения электрического поля и образование точечного дефекта в этой области.
2. Неоднородность крайне близка к внешней поверхности пленки. В этом случае возникает проникающий дефект диэлектрической пленки на острие в области «короны».
Таким образом, критические условия рабочих нагрузок ЭП определяются степенью неоднородности на границе затвора у и степенью приближения острия к внешней поверхности окисла (рис. 7).
Рис. 7. Распределение электрического поля вблизи неоднородности сферической конфигурации и экстремальное состояние окисла на вершине
Электронные токи проводимости Фаулера - Нордгейма, концентрация ионных токов на остриях уменьшаются с выравниваем рельефа межуровневого окисла на блокирующей границе и приближением ее геометрической границы к плоскому состоянию.
Принципы определения критических конфигураций неоднородных границ раздела диэлектрика и затворов накопления и переноса матриц ФПУ
Проведенные исследования и полученные результаты позволяют сформулировать алгоритм расчета критических условий неоднородностей затворов переноса и накопления в области их пересечения.
Методология учета неоднородности поверхности затворов (расчета допустимых пределов по неоднородности) исключает попадание в пределы критических допусков по электрофизическим параметрам.
Этими параметрами могут быть, прежде всего, электрические поля, критическая область которых для окисла кремния (поликремния) составляет Екр = 10 МВ/см и допустимая кумулятивная мощность Р. В отношении прочности, сохранения целостности изолирующей пленки как диэлектрика было бы логичным говорить об энергетических нагрузках, о скоплении энергии в локальных пространственных точках. Это значение сконцентрированной (кумулятивной) критической энергии разрушения окисла до настоящего времени не определялось. Под энергетической перенагрузкой тогда можно понимать превышение предельной мощности, выделяемой в локальных пространственных точках окисла с неоднородной границей.
Электрическая мощность, которая выделяется в диэлектрике с однородной границей толщиной й при экстремальных нагрузках Е:
Родн = Е • а • I = Е • а • (/ф-н + /ФЗН), (11)
ФЗ
где /ф_н - электронный туннельный ток за счет поля подвижного заряда, накопившегося на острие после завершения цикла его перемещения. Для изолирующих пленок толщиной 1 • 10-6 см (10 нм) в экстремальных электрических полях
10 МВ/см, температурных полях Е = 150 °С, токах /ф-н, /ф^Н порядка 10-6-10-7 А, кумулятивная выделяемая мощность составит величину Родн = 10-5-106 Вт.
В областях с нарушением плоскостности, неоднородной границей окисла и поверхности экстремальные значения мощности Рнеодн могут быть достигнуты при меньших значениях внешних электрических полей:
^неодн = кк • ^одн = ^одн • (кгор + карх + ксигн) , (12)
где кк - коэффициент кумулятивности мощности;
кгор + карх + ксигн - коэффициенты кумулятивности, связанные с неоднородностью горизонтальной поверхности, степенью локализации подвижного заряда на неоднородностях блокирующей поверхности поликремния, архитектурным рельефом затвора, особенностями сигнала (скоростями, частотой цифрового или аналогового).
Анализ коэффициента кумулятивности кк - это предмет отдельного исследования. Можно предположить, что коэффициенты кумулятивности к (связанного с неоднородностью горизонтальной поверхности затвора ЭФ), карх
(связанного с архитектурным рельефом затвора) максимальны из этого ряда и могут изменяться до 10. Коэффициент ксигн может составить 1,05. Тогда ку-
мулятивная мощность на неоднородностях границы составит «экстремальную величину» Рнеодн = 10-4-10-5 Вт при напряжениях 5-10 В, близких к рабочим
режимам эксплуатации микросхемы, а ее выделение приведет к преждевременному тепловому пробою окисла.
Таким образом, алгоритм оценки влияния неоднородностей ячейки на попадание в область экстремальных электрических нагрузок будет состоять из следующих шагов:
1. Подбор исходных параметров неоднородностей структуры, определяющих электрические характеристики матрицы. Например, характерные значения параметров горизонтальной поверхности поликремния в области перекрытия затворов и длины кромки в области перекрытия на финишной стадии изготовления.
2. Расчет концентрационных профилей мобильного зарядов в стационарных температурных и электрических полях, например полях 1, 5, 10, 20 МВ/см и температурных полях Т = 100, 150, 300 °С.
3. Расчет наведенных электрических полей мобильного заряда в области неоднородности.
4. Заключение
Разработана модель ионной релаксации заряда в пленках окисла с неоднородной границей в межуровневой изоляции затворов накопления и переноса фотоприемной ячейки в режимах переключения матриц ФПУ на основе МОП структур. Модель учитывает накопление ионного заряда не остриях поликремниевого затвора переноса в областях его перекрытия с затвором накопления при на этапе включения и последующего плавного нагревания матрицы при выходе в рабочий режим.
Разработана методология определения критических конфигураций неоднородных границ раздела диэлектрика и затворов транзисторов.
Введены дополнительные электрические параметры, учитывающие концентрацию ионного заряда на остриях - энергетическая и ионная перенагрузки, кумулятивная мощность. Допустимый пределы не должны превышать:
- по неоднородности по горизонтальному и вертикальному рельефу затвора - 30 %;
- по кумулятивной мощности на неоднородностях Родн - 10-4-10-5 Вт;
- по концентрация неконтролируемых примесей в виде положительных ионов №+, К+ -1011 см-3.
Нарушение этих пределов на технологических операциях формирования затвора и окисла приводит к электрическому пробою и нарушению целостности изолирующей пленки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Современные проблемы инфракрасной техники. -М. : Изд-во МИИГАиК, 2011. - 84 с.
2. Матричное фотоприемное устройство на основе антимонида индия формата 640 х 512 с шагом 15 мкм / Д. Л. Балиев, К. О. Болтарь и др. // Прикладная физика. - 2014. - № 2. -С. 41-44.
3. Люхин А. В., Умбиталиев А. А. Задачи космических оборонных видеоинформационных систем // Вопросы радиоэлектроники. Серия: техника телевидения. - 2013. - № 2. -С. 3-14.
4. Иванов В. Г., Каменев А. А., Романов В. А. Современные матричные фотоприемные устройства сверхбольшого формата инфракрасного диапазона для космических информационных систем глобального наблюдения за воздушно-космическим пространством // Вопросы радиоэлектроники. Серия: техника телевидения. - 2013. - № 2. - С. 20-46.
5. Экспериментальные исследования матричных фотоприемных устройств инфракрасного диапазона для систем обнаружения малоразмерных объектов / Галянтич А. Н., Ги-бин И. С. и др. // Автометрия. - 2012. - Т. 48, № 1. - С. 95-101.
6. Особенности конструкций специализированных ПЗС матриц / Ю. И. Завадский, П. Б. Константинов, Ю. А. Концевой, Е. В. Костюков, А. С. Скрылёв, Б. М. Хотянов, В. В. Чернокожин // Всерос. науч.-техн. конф. «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем» : сб. научных трудов / под общ. ред. А. Л. Стемпковского. - М. : ИППМ РАН, 2006. - С. 445-448.
7. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью: состояние и перспективы развития / Е. В. Костюков, Ю. А. Кузнецов, А. С. Скрылёв, В. В. Чернокожин // Всерос. науч. -техн. конф. «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем» : сб. научных трудов / под общ. ред. А. Л. Стемпковского. - М. : ИППМ РАН, 2005. - С. 298-305.
8. Photoelectric Conversion Apparatus and Imaging System Using the Photoelectric Conversion Apparatus: pat. US2015194452 A1, IPC: H01L27/146; H01L27/148 ; publication info: 09.07.2015.
9. Image Sensors Operable in Global Shutter Mode and Having Small Pixels with High Well Capacity: pat. US2015060951 A1, IPC: H01L27/146; H01L31/028 ; publication info: 05.03.2015.
10. Кочкарев Д. В., Чесноков В. В., Чесноков Д. В. Тепловая модель повреждений фотоприемников мощным наносекундным лазерным облучением // Вестник СГГА. - 2013. -№ 3 (23). - С. 101-114.
11. Чесноков В. В., Чесноков Д. В. Микромеханические устройства субпиксельного микросканирования для ИК диапазона спектра // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Меж-дунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. 2. - С. 110-115.
12. Турбин А. В., Алдохин П. А., Ульянова Е. О. Тепловизионный прибор на базе отечественного матричного фотоприемного устройства для спектрального диапазона 3-5 мкм // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 3 (19). - С. 111-115.
13. Chesnokov V. V., Chesnokov D. V., Shlishevsky V. B. Passive thin-film optical shutters for protecting image detectors from being blinded // Journal of Optical Technology. - 2011. -Vol. 78, No. 6. - P. 377-382.
14. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов : монография: в 2 т. Т. 2. ; пер. с англ. В. А. Гергеля, В. В. Ракитина ; под ред. Р. А. Суриса. - 2-е перераб. и доп. изд. -М.: Мир, 1984. - 456 с.
15. Романов В. П., Соколов А. Ю. Ионные процессы в диэлектрических слоях МДП структур. - М. : РТ-Пресс, 2001. - 129 с.
16. Structural and electrical characterization of thin polyoxides for nonvolatile memory application / W. Shih et al. // Journal of Vacuum Science and Technology A. - 1985. - Vol. 3, № 3. - P. 967-970.
17. Ching-Yuang Wu, Chiou Feng Chen. Transport properties of thermal films grown on polycrystalline silicon-modelling and experiment // IEEE Transactions on Electron Devices. -1987. - Vol. 34, № 7. - P. 1590-1602.
18. Marcus R. B., Sheng T. T., Lin P. Polysilicon/SiO2 Interface microtexture and dielectrical breakdown // Journal of the Electrochemical Society. - 1982. - Vol. 129, № 6. -P.1283-1289.
19. Groesneken G., Maes H. E. A quantitation model for the conduction in oxides thermally grown polycrystalline in silicon // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1986. - Vol. 33, № 7. - P. 1028-1042.
20. Перов Г. В., Сединин В. И. Моделирование ионной проводимости диэлектрика с неоднородной блокирующей границей // Вестник ТГТУ. - 2011. - № 1. - Т.17. - С. 131-137.
21. Перов Г. В., Егоркин А. В. Определение рабочего диапазона неоднородности поверхности окисленного поликремния по распределению электрических полей в ультратонком диэлектрике в среде Sentaurus Tcad // Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. - 2015. - Вып. 2-3. - С. 89-95.
Получено 11.01.2017
© Г. В. Перов, В. И. Сединин, М. П. Егоренко, 2017
RELAXATION IONIC CHARGE IN THE OXIDE FILM ON THE GATE POLYSILICON WITH INHOMOGENEOUS ABROAD WHEN YOU EXIT TO THE OPERATING MODE MOS A MATRIX OF PHOTODETECTORS
Gennady V. Perov
Siberian State University of Telecommunications and Informatics, 630102, Russia, Novosibirsk, 86 Kirov St., Ph. D., Associate Professor, Department of Computer-Aided Design System, phone: (383)269-82-59, e-mail: [email protected].
Valery I. Sedinin
Siberian State University of Telecommunications and Informatics, 630102, Russia, Novosibirsk, 86 Kirov St., Dr. Sc., Professor, Head of Department of Computer-Aided Design System, phone: (383)269-82-68, e-mail: [email protected]
Marina P. Egorenko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Senior lecturer, Department of Nanosystems and Optics Engineering, phone: (383)343-91-11, e-mail: [email protected]
Currently, the production of infrared technology, devices and systems in the developed countries has reached enormous proportions and become a separate industry. Amount of expenses for creation and production of infrared devices only military in NATO countries billions of dollars a year.
The design of complex IC devices, the vector of development - increase in matrix size and resolution, sensitivity. Increasing the size of the matrix is accompanied by scaling its elements to topological sizes up to 1 micron. Element base is filled with mostly transistor structures having a layered architecture. In this regard, the scientific interest are the electrical processes occurring at the interfaces of the layers of the changing terrain.
In the article the model of ionic charge in the relaxation of the oxide films with inhomogene-ous boundary in the interlayer insulation gate accumulation and transfer photodetector cells in the mode switching matrices FPU based MOS structures. The methodology for determining the boundaries of the critical configurations inhomogeneous dielectrics and gate transistors accumulation and transfer of large-format matrices.
Key words: structure and composition of silicon PD matrix, an oxide of polysilicon, silicon oxide charge mobile relaxation, the electrical properties of the oxide of polysilicon, the heterogeneity of the oxidized polysilicon.
REFERENCES
1. Tarasov, V. V., & Yakushenkov, Yu. G. (2011). Sovremennye problemy infrakrasnoy tekhniki [Modern problems of infrared technology]. Moscow: MIIGAiK Publ. [in Russian].
2. Baliev, D. L., Boltar', K. O., & etc. (2014). Matrix photodetector based on indium antimonide format of 640 x 512 with the step of 15 |im. Prikladnaya fizika [Applied Physics], 2, 41-44 [in Russian].
3. Lyukhin, A. V., & Umbitaliev, A. A. (2013). Challenges of space defense video information systems. Voprosy radioelektroniki. Seriya: tekhnika televideniya [Questions of Radio-Electronics, the TV Equipment Series], 2, 3-14 [in Russian].
4. Ivanov, V. G., Kamenev, A. A., & Romanov, V. A. (2013). Modern matrix photodetector large format infrared for space information systems global monitoring aerospace. Voprosy radioelektroniki. Seriya: tekhnika televideniya [Questions of Radio-Electronics, the TV Equipment Series], 2, 20-46 [in Russian].
5. Galyantich, A. N., Gibin, I. S., & etc. (2012). Experimental experimental study of the matrix photodetector device infrared range for the detection of small objects. Avtometriya [Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing], 48(1), 95-101 [in Russian].
6. Zavadskiy, Yu. I., Konstantinov, P. B., Kontsevoy, Yu. A., Kostyukov, E. V., Skrylev, A. S., Khotyanov, B. M., & Chernokozhin, V. V. (2006). Design features of specialized CCDs. In Sbornik nauchnykh trudov Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii: Problemy razrabotki perspektivnykh mikroelektronnykh system [Proceedings of Russian Scientific and Technical Conference: Problems of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems Development] (pp. 445-448). A. L. Stempkovskogo (Ed.). Moscow: IPPM RAN [in Russian].
7. Kostyukov, E. V., Kuznetsov, Yu. A., Skrylev, A. S., & Chernokozhin, V. V. (2005). Photosensitive charge coupled devices: status and prospects. In Sbornik nauchnykh trudov Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii: Problemy razrabotki perspektivnykh mikroelektronnykh system [Proceedings of Russian Scientific and Technical Conference: Problems of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems Development] (pp. 298-305). A. L. Stemp-kovskogo (Ed.). Moscow: IPPM RAN [in Russian].
8. Watanabe Takanori. Patent US No. 2015194452 A1. IP United States.
9. Hynecek Jaroslav. Patent US No. 2015060951A1. IP United States.
10. Kochkarev, D. V., Chesnokov, V. V., & Chesnokov, D. V. (2013). The thermal damage model of photodetectors high power nanosecond laser irradiation. Vestnik SGGA [Vestnik SSGA], 3(23), 101-114.
11. Chesnokov, V. V., & Chesnokov, D. V. Micromechanical device-pixel microscanning for the IR spectral range. In Sbornik materialov Interekspo GE0-Sibir'-2012: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 2. Spetsializirovannoe priborostroenie, metrologiya, teplofizika, mikrotekhnika, nanotekhnologii [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia-2012: International Scientific Conference: Vol. 2. Specialized instrumentation, Metrology, Thermophysics, Micro-Technology, Nanotechnology] (pp. 110-115). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
12. Turbin, A. V., Aldokhin, P. A., & Ul'yanova, E. O. (2012). Thermal vision device based on the domestic matrix photodetectors for the spectral range 3-5 |im. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 3(19), 111-115 [in Russian].
13. Chesnokov, V. V., Chesnokov, D. V., & Shlishevsky, V. B. (2011). Passive thin-film optical shutters for protecting image detectors from being blinded. Journal of Optical Technology, Vol. 78(6), 377-382.
14. Zi, S. M. (1984). Fizika poluprovodnikovykh priborov: T. 2 [Physics of semiconductor devices: Vols. 2] (2d ed). V. A. Gergel', V. V. Rakitin (Trans.), R. A. Suris (Ed.). Moscow: Mir [in Russian].
15. Romanov, V. P., & Sokolov, A. Yu. (2001). Ionnye protsessy v dielektricheskikh sloyakh MDP struktur [Ion processes in dielectric layers of mos structures]. Moscow: RT-Press [in Russian].
16. Shih, W., & etc. (1985). Structural and electrical characterization of thin polyoxides for nonvolatile memory application. Journal of Vacuum Science and Technology, 3(3), 967-970.
17. Ching-Yuang, Wu, & Chiou Feng, Chen. (1987). Transport properties of thermal films grown on polycrystalline silicon-modelling and experiment. IEEE Transactions on Electron Devices, 34(7), 1590-1602.
18. Marcus, R. B., Sheng, T. T., & Lin, P. (1982). Polysilicon/SiO2 Interface microtexture and dielectrical breakdown. Journal of the Electrochemical Society, 129(6), 1283-1289.
19. Groesneken, G., & Maes, H.E. (1986). A quantitation model for the conduction in oxides thermally grown polycrystalline in silicon. IEEE Transactions on Electron Devices, 33(7), 10281042.
20. Perov, G. V., & Sedinin, V. I. (2011). Modeling of ionic conductivity of inhomogeneous dielectric block border. Vestnik TGTU [Transaction of the TSTU], 17(1), 131-137 [in Russian].
21. Perov, G. V., & Egorkin, A. V. (2015). The definition of the working range of heterogeneity of the surface of oxidized polysilicon on the distribution of electric fields in ultra-thin dielectric in the environment Sentaurus Tcad. Elektronnaya tekhnika. Seriya 2: Poluprovodnikovye pribory [Electronic Engineering. Series 2. Semiconductor Devices], Issue 2-3, 89-95 [in Russian].
Received 11.01.2017
© G. V. Perov, V. I. Sedinin, M. P. Egorenko, 2017
