3.2.9. Технология имс на основе приборов с зарядовой связью (пзс - технология)

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой ряд связанных МДП-структур, сформированных на одной общей полупроводниковой подложке.

Малые размеры элементов позволяют обеспечить высокую плотность их размещения на кристалле. Общее число технологических операций при изготовлении ПЗС ИМС меньше, чем при формировании обычных МОП-ИМС, за счет сокращения числа операций диффузии и фотомаскирования и меньшего числа контактов к кремнию.

Развитие технологии ПЗС - приборов было направлено на создание структур, работающих с различными управляющими напряжениями. Разработано множество конструкций с двух-, трех- и четырехфазным управлением.

В своем первоначальном виде ПЗС изготавливались по стан­дартной технологии n-канальных МОП-приборов с алюминиевыми затворами. Структура прибора, выполненного по этой технологии, показана на рис. 3.30.

Рис. 3.30. Структура ПЗС с алюминиевыми затворами: 1 - контактное окно; 2 - алюминиевый электрод; 3 - выходной диод;

4 - диоксид кремния; 5 - потенциальная яма; 6 - стоп каналы p-тина; 7 - полосы n-типа; 8 - кремниевая подложка p-типа

В базовом процессе алюминиевые электроды (2) формируются на тонком изолирующем слое диоксида кремния (4), покрывающем слаболегированную подложку (8) монокристаллического кремния p-типа. На каждом конце электродов расположены две n-области (на рисунке показана лишь одна из них). Через образованные p-n-переходы осуществляется ввод и вывод заряда в ПЗС накапливаемыми под электродами носителями заряда - электронами.

Область прибора, в которой происходит перенос заряда, как и в МОП-ИМС, называется каналом.

Для переноса заряда, как видно из рис. 3.30, на прибор надо подавать трехфазное тактовое напряжение. Для этого электроды питания должны быть подключены к трем шинам. Такое подсоединение практически невозможно выполнить в одном уровне коммутации, поэтому необходимо сформировать многоуровневую коммутацию. Пересечение токоведущих элементов получают диффузией в кремнии полос n-типа. При подаче на электроды напряжений требуемой полярности эти полосы представляют собой по отношению к подложке обратносмещенные p-n-переходы.

Наиболее критичный этап в технологии изготовления электродов - вытравливание межэлектродных зазоров. Для обеспечения хорошего переноса зарядовых пакетов необходимо, чтобы потенциальные ямы соседних электродов перекрывались. Для слаболегированного материала подложки (N_a=10¹⁵ см^-3), толщины оксида 0,1 мкм и умеренного размаха тактовых импульсов (10 В) обедненный слой проникает в кремний на глубину примерно 1 мкм. Следовательно, межэлектродные зазоры должны быть менее 2 мкм. Это меньше обычной длины канала в 3...4 мкм, характерной для стандартных МОП-ИМС. Любое случайное замыкание соседних электродов, происшедшее на одной из операций ТП, полностью выводит прибор из строя.

Метод теневой маски был создан для решения этой проблемы, он основан на локальном осаждении алюминия.

В одном из вариантов технологии электроды сначала формируются в толстом слое металла (рис. 3.31, а) с размерами зазоров, обычными для фотолитографии (3...4 мкм). После травления металла (рис. 3.31, б) резист с электродов не снимается и осаждается второй слой алюминия (рис. 3.31, в). Затем фоторезист вместе с лежащим на нем алюминием удаляется «взрывной» фотолитографией (рис. 3.31, г). Если первый слой металла растравлен, как показано на рис. 3.31, б, то нависание фоторезиста над краями электродов определяет взаимное расположение затворов. Таким способом можно создавать электродные зазоры субмикронного размера.

Иногда используют и модифицированный способ изготовления ПЗС, по которому сначала формируются электроды, затем снимается фоторезист и осаждается (под косым углом) металл на подложку. Величина зазора в этом случае определяется углом осаждения и толщиной металлического слоя; электрическое соединение слоев получается автоматически. Недостаток данного метода состоит в том, что с его помощью можно формировать ПЗС только с линейным расположением элементов.

Рис. 3.31. Последовательность получения «теневой маски»: а - маскирование алюминиевого слоя; б - создание «теневой маски»; в - напыление слоя алюминия через «теневую маску»; г - удаление маски травлением; 1 - фоторезист; 2 - первый слой алюминия; 3 - диоксид кремния; 4 - кремниевая подложка; 5 - подтравленный алюминий; 6 - второй слой алюминия; 7 - межэлектродные зазоры; 8 - электродные полосы субмикронного размера

Трехслойная поликремниевая технология позволяет получать структуры с защищенным затворным диэлектриком и узкими межэлектродными затворами (рис. 3.32).

Приборы с n-каналом изготавливаются на высокоомной кремниевой подложке p-типа. Для p-канальных - применяется материал противоположного типа проводимости. Поверхность кремния обычно имеет кристаллографическую. Ориентацию , для которой заряд в оксиде и плотность быстрых поверхностных состояний минимальны. Сначала выращивается слой термического оксида кремния (рис. 3.32, а). Затем фотолитографией выделяются стоп - канальные области, и в них диффузией или ионным легированием формируется тонкий слой с высокой концентрацией бора. Последующая операция диффузионного отжига проводится в окислительной среде, так что по окончании процесса вся структура оказывается вновь покрытой оксидом (рис. 3.32, б). Посредством второй фотолитографии и диффузии фосфора формируются входной и выходной диоды (рис. 3.32, в). Затем весь оксид удаляется, и подложка вновь подвергается высокотемпературному окислению. На этой стадии создается высококачественный затворный оксид, на который осаждается слой поликремния (рис. 3.32, г). Поликремний легируют бором или фосфором для получения низкого поверхностного сопротивления. Последующей фотолитографией в легированном слое формируются электроды одной из фаз ПЗС. Затворный оксид, оставшийся открытым между электродами, удаляется (рис. 3.32, д). Далее следует новое термическое окисление, в результате которого одно временно восстанавливается удаленный затворный оксид, а на поликремниевых электродах вырастает слой оксида примерно такой же толщины, что и затворный, используемый для межфазной изоляции. Затем осаждается второй слой поликремния (рис. 3.32, е). Так же как и в первый раз поликремний легируется. Вновь проводится фотолитография, при которой оксид, не защищенный электродами, стравливается (рис. 3.32, ж). После этого вновь осуществляется термическое окисление, осаждение третьего слоя поликремния (рис. 3.32, з), его легирование и формирование в нем электродов последней фазы (рис. 3.32, и).

Технологический цикл продолжает операция осаждения пиролитического оксида, направленная на снижение паразитных емкостей межэлементных соединений. Затем на очередной операции вскрываются окна к диффузионным областям и к поликремниевым электродам (на рисунке не показано). Цикл завершается осаждением слоя алюминия и формированием в нем межэлементных соединений и контактных площадок, а также контактов к поликремниевым электродам и диффузионным областям.

Рис. 3.32. Последовательность операций изготовления трехфазного ПЗС по трехслойной технологии: 1 - диоксид кремния; 2 - кремний p-типа; 3 – стоп - канал - p-типа; 4 - диффузионная область n-типа; 5 - поликремний; 6 - шины первого слоя поликремния; 7 - второй слой поликремния; 8 - шины второго слоя поликремния; 9 - шины третьего слоя поликремния; 10 - пиролитический диоксид кремния; 11 – алюминий

При производстве ПЗС большие трудности возникают в получении высококачественных диэлектрических слоев SiO₂. По этой причине иногда используют в качестве затворного диэлектрика оксид совместно с нитридом кремния (МНОППЗС). Нитрид кремния, тонкий слой которою осаждают после термического выращивания первого затворного оксида, почти нечувствителен к высокотемпературным операциям технологического цикла и не подвержен действию травителей диоксида кремния и поликремния. Благодаря тому, что нитрид практически не меняет своих свойств на протяжении всего технологического цикла, толщина диэлектрика под каждым из поликремниевых слоев остается одинаковой.

Особо отметим, что в рассмотренном ТП структура ПЗС с поликремниевыми затворами формируется изолированной от внешней среды и, главное, процессе ёе изготовления завершается до вскрытия контактных окон и создания контактной металлизации. Это обеспечивает увеличение выхода годных по сравнению с приборами с металлическими электродами, при формировании которых металл осаждается на подложку после вскрытия контактных окон. Кроме того, в поликремниевом варианте между каждым очередным окислением для создания подзатворного оксида и осаждением материала электродов отсутствует операция фотолитографии, что также повышает выход годных.

Дальнейшее совершенствование ПЗС – технологии направлено на снижение плотности быстрых поверхностных состояний, нарушении кристаллической структуры и уровня загрязнения посторонними примесями кремниевой подложки.