А А Кононов 1 А А Пугачёв

А. А. Кононов 1, А. А. Пугачёв 1, 2 ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ систем автоматизированного проектирования РАН ФОТОПРИЕМНОЙ ЯЧЕЙКИ КМОП-ФОТОДИОДНОЙ акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Пульсар» СБИС 1 Институт 2 Открытое Москва 2016 г.

Слайд № 2 Матричные фотоприемные СБИС на КМОП-фотодиодных элементах (КМОП-ФД) Преимущества КМОП-ФД по сравнению с ПЗС Распространенность в мире и дешевизна КМОП технологии Применение КМОП-ФД Бытовая аппаратура Видеотелефоны Возможность создания однокристальной камеры Цифровые камеры и фотоаппараты Широкие возможности цифровой внутрикристальной обработки изображения Достижения КМОП-ФД 205 мм Системы автомобильной безопасности Промышленные, космические и оборонные системы Астронавигация 133 мм Астроориентация Техническое зрение 0 Ультра-чувствительный КМОП-ФД фирмы Canon, предназначенный для съемки видео космических событий. Источник: www. canon. com Системы наблюдения и контроля

Слайд № 3 Постановка задачи ВКР На предприятии ОАО «НПП «Пульсар» разработаны первые в России матричные фотоприемные СБИС на КМОП фотодиодных элементах КМОП-1000 КМОП-250 Размер: 17. 3 х16. 6 мм 2 Размер: 5. 3 х5. 7 мм 2 Число фоточувствительных элементов: 1024 х1024 Число фоточувствительных элементов: 256 x 256 Размер фоточувствительного элемента: 15 х15 мкм 2 Напряжение насыщения UНАС не менее 0, 5 В. Динамический диапазон: не менее 5000 отн. ед. Динамический диапазон: не менее 2000 отн. ед. Цель - создание двумерной модели фото-приемной ячейки КМОП-ФД в среде приборно-технологического моделирования Sentaurus TCAD (Synopsys) для промышленного моделирования.

Слайд № 4 Принцип работы фотоприемной ячейки КМОП-ФД (КМОП-250) СБРОС НАКОПЛЕНИЕ Шина питания Транзистор сброса Транзистор входа истокового повторителя Плавающий узел ФД 1 ТП 2 Транзистор выбора ФД 2 строки Транзистор сброса Транзистор входа истокового повторителя ТП 1 ФД 1 ТП 2 Транзистор выбора ФД 2 строки Шина столбца Транзистор выбора ФД 2 строки ТП 1 Шина питания Плавающий узел Шина столбца ФД 1 ТП 2 Транзистор сброса Транзистор входа истокового повторителя Плавающий узел Шина столбца ТП 1 Шина питания СЧИТЫВАНИЕ

Слайд № 5 Необходимость перехода от 3 D модели к 2 D модели 3 D модель фотоприемной ячейки 2 D модель фотоприемной ячейки СВЕТ Транзистор переноса ФОТОДИОД Транзистор сброса Исток повторителя Транзистор считывания Источник: Z. Essa, P. Boulenc, C. Tavernier, F. Hirigoyen, A. Crocherie, J. Michelot, D. Rideau 3 D TCAD Simulation of Advanced CMOS Image Sensors, STMicroelectronics, Crolles, France Пример модели из TCAD Высокие временные затраты на изменения структуры Малые временные затраты на изменение структуры Сложность редактирования структуры Возможность оперативное изменение структуры Большое время расчета технологической и электрофизической модели Достаточно высокая скорость расчетов технологической и электрофизической модели

Слайд № 6 Материалы из презентации компании Silvaco Возможно трехмерное моделирование технологических процессов, но не трехмерное изменение структуры Источник: www. silvaco. com

Слайд № 7 2 D-модель структуры фотоприемной ячейки КМОП-ФД 1 Шина питания Транзистор сброса Плавающий узел ФД 1 3 ФД 2 Сток транзистора Затвор сброса ФД восстановления фотодиода Затвор передачи Затвор сброса ФД Исток транзистора переноса Фотодиод 2 Шина столбца ТП 2 Транзистор выбора строки ТП 1 Транзистор входа истокового повторителя Сток транзистора восстановления ПУ Сток транзистора переноса (плавающий узел) Сток транзистора восстановления ПУ Затвор передачи сброса Затвор сброса ФД ФД Исток транзистора переноса Сток транзистора переноса (ПУ) 4 Фотодиод Сток транзистора восстановления фотодиода

Слайд № 8 Модернизация модели фотоприемной ячейки КМОП-ФД В плоскости топологии элементы фотоприемной ячейки имеют разный размер, а следовательно и разную емкость. Чтобы учесть эту особенность, необходим инструмент, через который можно было бы регулировать либо размеры областей фотоприемной ячейки в модели, либо их емкость. Модель № 1 z=m x=n Модель № 2 Поликремневый затвор Модель № 3 Тонкий слой Si. O 2 y=l Алюминиевый контакт подключения виртуальной емкости Тонкий слой Si. O 2 x=n*m y=l n+ p+ n+ Поликремневый контакт

Слайд № 9 Сравнительный анализ трех моделей Модель № 1 Модель № 2 Модель № 3 Время, требуемое на изменение емкости элемента структуры Более 30 минут Около 10 минут Несколько секунд Расчет одной точки ССХ Более 60 минут Около 40 минут Около 20 минут Размер модели структуры по оси Х (мкм) Более 110 90

Слайд № 10 Окончательная модель структуры Контакт подключения виртуальной емкости ПУ Сток ПУ Контакт подключения виртуальной емкости Т 4 Сток ФД ПУ Исток передающего транзистора Фотодиод

Слайд № 11 Пример результатов моделирования по окончательной модели. Изменение потенциала в ПУ и Т 4 в зависимости от момента времени (пример) Плавающий узел Контакт фотодиода Сток фотодиода Фотодиод Потенциал, необходимый для построоения Плавающий ССХ узел Сток фотодиода Плавающий узел Контакт фотодиода Сток фотодиода Фотодиод Плавающий Контакт узел фотодиода Сток фотодиода Фотодиод Плавающий узел Контакт фотодиода Сток фотодиода

Слайд № 12 Построение свет-сигнальных характеристик Свет-сигнальная характеристика, демонстрирующая работу ячейки Свет-сигнальные характеристики фотоприемной ячейки с подключенными к ПУ виртуальными емкостями разного размера 4. 5 4 3. 5 ПУ 3 2. 5 2 0. 00 E+001. 00 E-072. 00 E-073. 00 E-074. 00 E-075. 00 E-076. 00 E-07 Плотность мощности света, [Вт/см 2] 5 5 С_ПУ=1. 5 е-15 4. 5 С_ПУ=5. 5 е-16 4 С_ПУ=1. 5 е-16 без С_ПУ 3. 5 3 4. 5 Напряжение, [В] Потенциал плавающего узла, [В] Свет-сигнальные характеристики фотоприемной ячейки с подключенными к ФД виртуальными емкостями разного размера Потенциал плавающего узла, [В] 5 4 C_ФД=1. 5 e-15 3. 5 C_ФД=5. 5 e-16 C_ФД=1. 5 e-16 3 2. 5 2 0. 00 E+00 2. 00 E-07 4. 00 E-07 6. 00 E-07 Плотность мощности света, [Вт/см 2] 2 0. 00 E+00 без_C_ФД 2. 5 2. 00 E-07 4. 00 E-07 6. 00 E-07 Мощность света, [Вт/см 2] Данные расчетов: Uвых рассч = 2. 3 х 0. 6= 1, 38 В; Данные измерений: Uвых измер = 1, 1 В.

Слайд № 13 Разработка командных файлов для электрофизического моделирования Проект в среде Sentaurus TCAD (Synopsys) Командный файл технологического моделирования для программы Sentaurus DIOS Файл структуры для программы Sentaurus Structure Editor Командный файл электро-физического моделирования для программы Sentaurus Device

Слайд № 14 Выводы 1 Разработана двумерная приборно-технологическая модель фотоприемной ячейки КМОПФД СБИС в среде приборно-технологического моделирования Sentaurus TCAD (Synopsys), предназначенная для целей практического промышленного проектирования. Данная модель, в отличии от трехмерных моделей, позволяет сократить временные затраты до уровня, достаточного для реального проектирования. 2 В процессе разработки модели были предложены и исследованы три варианта модели структуры КМОП-ФД ячейки, отличающиеся способом задания емкостей фотодиода и плвающего узла. 3 На основе результатов моделирования выбран наилучший вариант модели (№ 3) и продемонстрирована ее работоспособность. 4 Отработана методика построения свет-сигнальных характеристик фотоприемной ячейки КМОП-ФД с помощью разработанной модели. 5 Разработанные модели начали применяться на предприятии ОАО «НПП «Пульсар» при проектировании и исследовании КМОП-ФД СБИС.