（微电子学与固体电子学专业论文）soi+ldmos相阵控ccd阵列研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 自从1 9 6 9 年y t a r u i 等人提出l d m o s 结构以来，因其为单极型器件，不受少子存储效 应的影响，与存储电荷相关的延迟大大减小，与双极型器件相比，l d m o s 具有较快的开关 速度和较高的截至频率，最初在功率电子学领域作为开关器件得到了广泛应用。而在射频应 用方面，l d m o s 较之双极晶体管而言也具有许多优点：由于在大电流范围的跨导保持较大 并为常数，故线性放大的动态范围较大，并在较大输出功率时能有较大的线性增益；交叉调 制失真较低等，这些是双极晶体管所不能达到的。因此，l d m o s 器件特性得到深入研究。 随着v l s i 工艺水平的不断发展，c m o sc c d 技术特征尺寸越来越小，c c d 阵列也越来 越大，出现了大c c d 阵列，甚至是超大c c d 阵列。因此，大c c d 阵列对驱动功率要求也越 来越大，要求c c d 的驱动电路需要在给定驱动电压和驱动频率下具有更大的电流驱动能力， 并且消耗更小的芯片面积。然而采用单纯的c m o s 电路比较难以同时满足这些要求。而s o i l d m o s 器件既具有高频大功率驱动能力，又与c m o s 工艺兼容，比复杂结构的纯c m o s 驱 动电路占用更小的芯片面积。因此，s o ll d m o s 将成为c m o sc c d 大阵列大功率驱动输出 级首选器件。 本文利用s o il d m o s 较高的功率驱动能力，在较高的电压下，为c c d 阵列提供所需的 驱动电流。借助s i l v a c ot c a d 软件的仿真，建模、设计、计算得出c c d 单元栅极所需要的 驱动电流，时间常数；同时为设计s o il m o d s 提出相应的参数要求。最后，根据所提出的参 数要求，采用s i l v a c ot c a d 仿真辅助设计s o ll d m o s 器件界面结构，按照o 5 p ms o lc c d c m o s 工艺设计规则设计并绘制了s o il d m o s 版图，并进行后仿真验证，结果表明达到了设 计要求。在此基础上建立了以s o il d m o s 为负载的c m o s 反相器驱动要求模型，求解出s o i l d m o s 的c m o s 反相器驱动指标要求，进而设计了三级反相器驱动电路结构，版图结构并 绘制了该三级s o ic m o s 反相器的驱动电路版图。 关键词：s o ll d m o s ，c c d 阵列驱动，l d m o s 应用研究，功率器件 杭州电子科技大学硕士学位论文 a bs t r s c t s i n c ei tw a s p r o p o s e db yy t a r u ii n19 6 9l d m o s h a sd e v e l o p e di n c r e a s i n g l y l d m o sh a sa m u c hh i g h e rs w i t c h i n gs p e e da n dc u t o f ff r e q u e n c yc o m p a r i n g 丽t hb i p o l a rd e v i c e ，w h i c hw a s a p p l i e di np o w e re l e c t r o n i c sa sas w i t c hb e c a u s ei t s au n i p o l a rd e v i c ew i t h o u tm i n o r i t yc a r t i e r s t o r a g ee f f e c ta n dt h ed e l a y e dt i m er e l a t e dt oc h a r g es t o r a g ei sm u c hs h o r t e rt h a nt h ec o u n t e r p a r to f b i p o l a rd e v i c e m e a n w h i l e ，l d m o sh a sal o to fa d v a n t a g e si nr fa p p l i c a t i o no v e rb i p o l a r t r a n s i s t o r n l et r a n s c o n d u c t a n c eo fl d m o sc a nk e e pi nah i g hl e v e la n di t sac o n s t a n ti naw i d e c u r r e n tr a n gs ot h a tl d m o sh a sal a r g ed y n a m i cr a n g ei nl i n e a ra m p l i f i c a t i o n s i m u l t a n e o u s l y ，i t c a l lp r o v i d ea h i g h e rl i n e a rg a i nu n d e rah i g ho u t p u tp o w e ra n dl o w e ri n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n a l l t h e s ea d v a n t a g e sa r eb e y o n dt h eb i p o l a rt r a n s i s t o r w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fv l s it e c h n o l o g y , t h ef e a t u r es i z eo fc m o sc c dh a s b e e nb e c o m i n gs m a l l e ra n ds m a l l e r b u tc c da r r a y sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r , w h i c hl e a d st o l a r g es c a l ec c da r r a ya n de v e nu l t r al a r g es c a l ec c da r r a y t h e r e f o r e ，t h ep o w e rd r i v i n g r e q u i r e m e n to fc c da r r a yi sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r , w h i c hr e q u i r e sas t r o n gd r i v i n ga b i l i t yo f l a r g e rc u r r e n tu n d e rt h eg i v e nv o l t a g ea n df r e q u e n c ya n das m a l l e rc h i pa r e a b u ti t sr a t h e rd i f f i c u l t t om e e ta l lt h e s er e q u i r e m e n t sa tt h es a m et i m ew i map u r ec m o sd r i v i n gc i r c u i t h o w e v e r , s o i l d m o sh a sa s t r o n gd r i v i n gc a p a b i l i t yo fh i g hp o w e r u n d e rh i g hv o l t a g ea n df r e q u e n c y i t sa g o o d c h o i c ea st h ep r i m a r yd r i v i n gs t a g eo fc c da r r a y m o r e o v e rt h ep r i m a r yd r i v i n gc i r c u i tw i t hs o l l d m o si sc o m p a t i b l ei np r o c e s sw i t hs t a n d a r dc m o sa n di tc o s t sm u c hs m a l l e rc h i pa r e a a sa r e s u l t ，s o il d m o s i st h ef i r s tc h o i c ef o rp o w e rd r i v i n go f l a r g es c a l ec m o s c c d a r r a y i nt h i sp a p e rs o il d m o si su s e du n d e rh i g h e rv o l t a g ea n df r e q u e n c yt op r o v i d eal a r g e r c u r r e n td r i v i n gc a p a b i l i t yi n s t e a do fp u r ec m o sc i r c u i tf o rd r i v i n go fl a r g es c a l eo fc c d a r r a y b y s i m u l a t i o n 、析ms i l v a c ot c a da n dc a l c u l a t i o no ft h ed r i v i n gc u r r e n tc c dn e e d e da n dt h e i rt i m e c o n s t a n t sw e r eo b t a i n e d ，b a s eo nw h i c ht h ep a r a m e t e r so fs o il d m o sw e r ed e s i g n e da n dv a l i d a t e d b ys i m u l a t i o n s w i t hs i l v a c ot c a d o nt h a tb a s i s ，t h ec m o si n v e r t e rd r i v i n gr e q u i r e m e n tm o d e lo f l o a d e ds o il d m o sw a sf o u n d ，a n dt h e nt h ec m o si n v e r t e rd r i v i n gr e q u i r e m e n t so fs o il d m o s w e r ec a l c u l a t e db yt h em o d e l f i n a l l yt h e3 - s t a g ec m o si n v e r t e rs c h e m a t i ca n dl a t o u tw e r ef i g u r e d o u t a l lo fl a y o u t si nt h i sp a p e rw e r ed e s i g n e db yt h eo 5 1 x ms o ic c dc m o sp r o c e s sd e s i g nk i t k e y w o r d ：s o il d m o s ，c c da r r a yd r i v i n g ，l d m o sa p p l i c a t i o nr e s e a r c h ，p o w e rd e v i c e 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 电荷耦合器件( c c d ：c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是美国贝尔实验室的科学家w s b o y l e 和 g e s m i t h 于1 9 6 9 年发明的半导体器件。它被视为七十年代以来出现的最重要的一种半导体器 件【l 。5 】。如今，c c d 已经成为图像传感器集成电路的重要组成部分，渐渐成为图像传感器的代 名词。c c d 有其自身独特的优点：低噪声、动态范围广、光子转换效率高、大面积感光、低 影像失真。同时，随着c m o sc c d 工艺水平的发展日趋成熟，其应用领域也日益广泛：从消 费电子领域的c c d 数码相机，移动手持设备，智能楼宇、安防监控领域，地质探测领域，到 航空航天、军事侦察与反侦查等领域都需要用到c c d 图像传感器来探测、记录图像信息睁1 0 】。 随着v l s i 技术工艺水平的不断地发展，c m o sc c d 技术特征尺寸越来越小，c c d 阵列 也越来越大，出现了大c c d 阵列，甚至是超大规模c c d 阵列。因此，大c c d 阵列对驱动功 率要求也越来越大，要求c c d 的驱动电路需要在给定驱动电压和驱动频率下具有更大的电流 驱动能力，并且消耗更小的芯片面积。由于c c d 的输入电容较大，所以由时序发生器送来的 时序信号不能直接用来驱动c c d 阵列，必须通过m o s f e t 驱动电路对时序信号进行脉冲功 率放大，经过电平变换后才能驱动c c d 。时序信号通过驱动电路进行功率放大后再通过箝位 电路将时序信号箝位到c c d 工作所需要的电压上。由此可见采用单纯的c m o s 电路比较难以 同时满足这些要求。而s o il d m o s ( s i l i c o no ni n s u l a t o rl a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm o s ) t 11 - 1 2 j 器件 既具有高频大功率驱动能力，又与c m o s 工艺兼容，且比复杂结构的纯c m o s 驱动电路占用 更小的芯片面积。因此，s o il d m o s 是c m o sc c d 大阵列大功率驱动输出级首选器件。 l d m o s 结构最早是1 9 6 9 年由yt a r u i 等人提出的，它保持了普通的m o s 管的优点，但 在结构和制造工艺上存在着一些差异。从工艺上看，它通过横向双扩散技术形成沟道区。对 n 型l d m o s 器件而言，双扩散技术指在同一窗口相继两次进行硼磷扩散，通过两次杂质横 向扩散的结深之差可以精确地决定沟道长度。沟道长度可以做得很小并且不受光刻精度的限 制，有利于提高器件的沟道电流【l3 1 。从结构上看，它在漏极和沟道区之间引入了漂移区，使 漏区由单一的重掺杂变成了由承受电压的轻掺杂区和用于引出电极的重掺杂区构成。当漏源 电压较高时，沟道和漂移区形成的p n 结处于反偏状态并承受反向电压，由于沟道的杂质浓 度远大于漂移区，所以横向耗尽层主要向轻掺杂的漂移区扩展，基本消除了普通m o s 管的 沟道调制效应【1 4 】。只要对漂移区的浓度和长度进行合理优化，并结合r e s u r f 技术就可以显 著地提高器件的击穿电压。 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2s o i 技术概述及制备方法 一 一 1 2 1s o i 技术概述 绝缘体衬底上硅m o s 器件从2 0 世纪6 0 年代初期已经开始研究。1 9 6 3 年首创蓝宝石上 外延硅技术单晶薄膜获得成功。此种蓝宝石上的硅膜结构成为s o s ( s i l i c o no ns a p p h i r e ) 。s o s 结构使器件的隔离得到圆满解决，使寄生电容减小，集成密度提高，抗干扰能里增强，并彻 底消除c m o s 中的“可控硅自锁效应”【l 引。 不过。s o s 的衬底为( i 1 0 2 ) 晶向的蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 单晶圆，成本昂贵，约为硅片的十倍以 上。由于( 订0 2 ) 晶向的蓝宝石晶格尺寸为4 7 5 8 a 1 2 9 9 1 a ，而外延生长的( 1 0 0 ) 硅膜的晶格尺 寸为5 4 a x 5 4 a ，因而，界面的应力使得典型的界面缺陷密度高达3 1 0 1 2 c m 一。因此，载流子 的迁移率降低，少数载流子寿命缩短；同时，还存在高温处理时硅与衬底a 1 2 0 3 之间的互相 扩散反应。这些因素使s o s 技术发展受到阻碍，应用受到限制。目前，多应与军事方面。 目前的研究工作多着眼于改善s o s 膜及相应的器件性能。用硅离子注入到硅与蓝宝石界 面，产生一层无定型硅膜，然后在约为5 5 0 的较低温度下退火，固态再结晶从表面开始逐 渐延伸到界面。因为表面的硅膜质量远好丁界面处的硅膜，因而，s o s 膜的质量及相应的器 件性能得到了明显的改善。其i f 噪声减小为原来数值的1 2 5 ；反向漏电流减小了两个数量级； 少子寿命提高了5 0 n s 5 0 0 n s 。可以预期，随着研究工作的深入，s o s 仍然有一定的潜力应用 于v l s i 中。 、 衬底完全为绝缘体的例子尚有很多，包括尖晶石上外延硅膜等。而s o i 是较为成熟的例 子。另一类绝缘衬底上的硅结构是顶层硅位于一层绝缘体的上面，而绝缘体又位于硅衬底之 上。这样结构中，硅莉底只起到支撑作用。图1 1 是绝缘体衬底上硅的两种基本结构。 硅； 绝缘体衬底 ( a ) ( b ) 图1 1 ( a ) 衬底为完全绝缘体( b ) 硅衬底绝缘膜 第二类结构的绝缘膜包括s i 0 2 ，s i 3 n , t ，a 1 2 0 3 以及其他介质。由于s i s i 0 2 界面性能稳定， 缺陷密度较低，因此，逐渐成为此类结构的主流。如上所述，这两类结构均属于“绝缘体上 硅”这个范畴( 即s o hs i l i c o no ni n s u l a t o r ) 。不过，为了应用的方便，目前把第二类结构称为 s o i ，与第一类结构的s o s 加以区别。 无论哪一种结构，均具有如图1 2 所示的结构，不同的是，绝缘体是不是薄膜。 2 杭州电子科技人学硕士学位论文 图i 2s o i 结构的n m o s ( 左) 和p m o s ( 右) 结构图 与较常规的体硅类器件相比，s o i 结构器件具有许多优点。由于c m o s 是超大规模集成 电路的主流，因而下面均以c m o s 为例加以说明。 ( 1 ) 寄生电容减少 在常规体硅c m o s 器件中，存在着多种p n 结寄生电容，如两种沟道器件的p n 结与阱 区或者衬底之间的电容( 包括地面和侧面电容) ，以及阱与衬底之间的电容。在s o l 结构中则 不存在这类与阱和衬底相关的电容。计算证明，对于0 5 微米设计规则的器件，其寄生电容 可以减小1 倍以上。当器件的特征尺寸达到亚微米数量级时，由于引线之i h j 间距减小，故引 线之间以及尽显通过绝缘衬底耦合电容增加，使这一优点大为减弱。不过，s o i 结构比s o s 结构较为优越。在以s i 0 2 为绝缘薄膜的s o i 器件中，硅衬底可以为重掺杂且接到固定的地电 位，以减小引线与其他电路元件间的电容性耦合。s i 0 2 膜厚度应选择为与引线宽度以及间距 相比拟，使得引线问的耦合电容( s i 0 2 膜厚度越厚其值越大) 与引线和硅衬底之间的耦合电 容( s i 0 2 膜厚度越厚其值越小) 得到良好的折衷。加之s i 0 2 膜的介电常数为3 9 ，远比蓝宝 石的1 0 5 要低。因而在同样厚度的介质膜条件下，耦合电容明显减小。有报道称，相同沟道 长度( 0 8 p m ) 的s o i 器件比s o s 器件快5 0 。 ( 2 ) 集成密度提高 在s o i 的c o m s 结构中，器件实现了完善的隔离，不需要形成阱以及相应的横向扩散所 需的面积，不需要由于阱的隔离而要求阱与电源或地的接触区了，不需要场氧化层，不存在 寄生的场m o s 晶体管。晶体管岛之间距可由光刻极限决定，因而集成密度提高。对于2 5 9 m 的设计规则，与非门或或非门的面积比体硅节约2 5 。 ( 3 ) 抗辐射能力增强 m o s 集成电路的辐射效应，是指高能粒子( 例如宇宙射线或者封装材料的q 粒子的发射) 射入氧化层以及半导体，在衬底中产生电子空穴对。其中由于电子迁移率较高，运动到较高 电位的电极处，对器件影响很小；而空穴则会在s i s i 0 2 界面处被陷阱俘获。高能离子在硅体 内产生数量级为1 0 6 的电子空穴对。栅氧化层及场氧化层中的正电荷使器件的阈值电压向负 方向漂移。实验之初，栅氧化层厚度为4 0 0 a 的m o s 晶体管的阈值电压为11 m v k r a d ，氧化 层厚度为0 6 9 m 的多晶硅栅m o s 晶体管的阈值电压为0 4m v k r a d 。氧化层厚度为1 6 1 t m 的 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 多晶硅栅m o s 晶体管的阈值电压为0 9 m v k r a d 。其中r a d 为吸收辐射剂量单位。即当每一克 物质吸收1 0 0 格尔能量时，吸收的辐射剂量为1 r a d ，中文为“拉德 ，k 表示! 千”的意思。 在s o i 结构器件中不存在寄身双极型晶体管，同时，由于埋氧层的存在，大部分由高能 离子入射而产生的电子空穴对不能进入到s o i 层，而s o i 层一般较薄，所产生的电子空穴 对大大少于体硅器件，因此由于高能离子对的阈值电压漂移的影响大大降低。 例如：由于0 【粒子的辐射，在硅体内产生大量电子空穴对。对于n m o s 而言，衬底是p 型，电子是少子，故只有电子的扩散才是重要的。当电子扩散到高电位的p n 结区或高阻抗 节点，会使这些结区和节点电位下降，引起电路单元( 例如d 删) 逻辑状态改变，使电路 功能失效。由于失效是非破坏性的，故称为“软失效”。在s o i 结构的器件中，由于器件的硅 岛体积减小，所以，软失效的几率明显降低。对于空间和军事( 例如核装置) 的应用，s o i 是最合适的结构。 ( 4 ) 可控硅闩锁效应的消除 由于c m o s 电路自身结构所限，其结构中存在寄生的n p n 管以及p n p 管，因此就会形 成一个寄生可控硅器件，如图1 3 所示。 这种可控硅器件在外部噪声作用下( 例如输出端电位突然变为低于v s s 或高于v d d ) ， 或在内部碰撞电离或q 粒子辐射作用下，会产生空穴衬底电流，它流过衬底电阻产生电压降， 可使源结正偏，激活寄生电极型晶体管，从而触发可控硅效应，使得电流突然变大。实践证 明，这是c m o s 电路中最为严重的失效机理之一。 v i 。 图1 3c m o s 反相器的寄生可控硅效应示意图 在s o i 结构中，器件之间不存在这样的寄生双极型晶体管，所以彻底消除了可控硅闩锁 效应的可能性，而且电路版图的设计也得到了简化。 ( 5 ) 工艺制备上的优点 s o ic m o s 器件中不存在寄生双极型晶体管，使得制备l o c o s ( 局部氧化) 隔离所要求 的工艺步骤( 例如场注入、场氧化、氮化硅生长等) 完全去除，因而s o ic m o s 的制备工艺 比体硅l o c o s 技术节省了3 0 的工艺步骤。 s o i 器件的源漏通过半导体的静电耦合减小( 硅岛体积小) ，故与体硅c m o s 一样的设 计规则的电路中，可以采用较厚的栅氧化层，使得栅氧化层质量控制和制各难度得到改善。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 s o i 层与其硅衬底被埋氧层完全隔离，对引线孔韵对准要求放宽。s o i 器件之间完全绝缘， 故s o i 结构特别适合于高压器件及高压集成电路的制备。它也是制备耐高温c m o s 电路的最 佳选择。s o i 结构中，衬底可采用高浓度掺杂硅材料，使电路的接地十分简便。同时，与s o s 器件相比，用于制作c m o si c 的s o i 结构只有一层薄的绝缘层，其热阻为s o s 结构热阻的 1 4 0 ，热阻比普通体硅c m o s 增加不到2 0 。 1 2 2s o i 制备方法 现如今，制备s o i 材料的方法多种多样，其中离子束、电子束或激光区熔再结晶( z m r ： z o n em e l t i n g r e c r y s t a l l i z a t i o n ) ，外延横向生长法( e l o ：e p i t a x i a ll a t e r a lo v e r g r o w t h ) 等方法虽 然各具特色，但对于大规模制造商用s o i 晶圆来说，其产能和成本因素缺乏竞争力，因此逐 渐退出了历史舞台。目前制备s o i 材料的主流技术有键合与背腐蚀技术( b e s o i ：b o u n d i n ga n d e t c h i n gs o i ) 、注氧隔离( s i m o x ：s e p a r a t i o nb yi m p l a n t a t i o no f o x y g e n ) 技术、将键合和注入相 结合的智能剥离( s m a r t c u t ) 技术及外延层转移( e l t r a n ) 技术。以下简单介绍这四种主流的 s o i 制备技术。 ( 1 ) 键合与背腐蚀技术( b e s o i ) 首次用硅片键合技术来制备s o i 材料的是i b m 公司的l a s k e y 和东芝公司的s h i m b o ，这 项技术具有工艺简单，成本较低，易于制作顶层硅膜较厚的s o i 材料等特点。其工艺示意图 如图1 4 所示。该制备技术的要点是在两枚硅片上制作s i 0 2 绝缘层，然后两片硅片的氧化层 键合在一起，然后进行高温退火，以增强s o i 晶圆的键合强度。最后对键合硅片背面进行抛 光或化学腐蚀，使顶层硅膜的厚度达到制作s o i 器件的要求( 一般为5 - 5 0 0 p , m ) p 6 】。 在键合之后，顶层硅膜将会达到几百微米( 大约在6 0 0 p r o ) ，而且表面粗糙，晶格缺陷较 多，不利于制作器件，因此，必须将顶层硅膜进行打磨抛光，将顶层硅膜的厚度减小至几微 米甚至更薄。 减薄技术有两种方法：化学机械抛光和选择性背腐蚀，化学机械抛光速度快，成本较低， 但是抛光过后表面相对粗糙，并且由于缺乏刻蚀终止层，因此，在抛光过后需要有更加精确 的技术，能够精确控制顶层硅膜的厚度并且该技术要求带有刻蚀终止层。刻蚀终止层可以在 掺杂的晶圆表面用离子注入方式形成p + + 重掺杂层来作为刻蚀终止层。然后再外延一层轻掺杂 的外延层用来作为工艺最后的s o i 层。接着将键合和抛光之后需要进行两步可刻蚀。首先， 用k o h 溶液对s o i 晶圆的衬底行选择性腐蚀，在p h 重掺杂层停止。然后，采用浓度比为1 ：3 ：8 的h f ：h n 0 3 ：c h 3 c o o h 溶液刻蚀去除p + + 重掺杂层。联合选择性的刻蚀分辨率将达到 10 0 0 0 ：1 。所以s o i 顶层硅膜的厚度均匀性就取决于外延层以及p 什重掺杂层的厚度均匀性， 这样就可以得到低于1 2 n m 的厚度标准误差的s o i 晶圆。s i g e 层，碳化物或氮化物层也能作 为刻蚀终止层。另外，还可以利用电脑自动控制扫描等离子电极来对顶层硅膜的厚度进行精 确控制。用p a c e ( p l a s m aa s s i s t e dc h e m i c a le t c h i n g ) 法对s o i 顶层硅膜进行平坦化可以形成厚 度为l o o n m 的s o i 材料，这种技术得到的s o i 材料其厚度标准误差将小于2 n m 。有报道称 杭州电子科技人学硕士学位论文 m k r ( m a g e t ok l a e o l o l a l c a lr l n l s l l l n g ) 玟不削j i 孚及刊7 划。l ，土椅j 、丁u 8 n m 。 、o匕o 杭州电子科技大学硕士学位论文 近几年来，人们提出了一系列常规s o il d m o s 的改进结构，以提高器件耐压。为了提 高s o il d m o s 横向耐压，也可像体硅器件那样引入r e s u r f ( 减小表面场技术) 以及结终 端结构。b a l i g a 等人在1 9 9 1 将r e s u r f 理论应用到s o i 器件上，可使器件漂移区全部耗尽， 使击穿发生在体内而非表面，该结构顶层硅厚度达2 5 1 a m ，埋氧层厚度达4 p m ，漂移区长度 达6 0 u m ，测得击穿电压为6 0 0 v 2 。r p z i n g g 等人提出d o u b l er e s u r f 技术，并将其应用 于s o il d m o s 。如图1 1 0 所示，在漂移区表面增加了导电类型相反的降场层p t o p ，用于改 善表面电场，使漂移区更容易耗尽，即使在漂移区浓度较高的情况下，也可以实现较高的耐 压，同时也降低了通态电阻。他们在顶层硅1 5 “m 和埋氧层3 m 的情况下，研制出了比通态 电阻为1 3 d g m m 2 ，击穿电压为8 5 0 v 的高压s o il d m o s t 2 2 。 近几年，又有许多新结构相继提出，新技术相继运用到s o il d m o s 器件当中。比如刻 槽技术，折叠栅技术，场板技术等。x us g y n u b g 等人在硅衬底上刻槽形成叠栅结构，此结构 使沟道密度加倍从而比普通l d m o s 的比导通电阻减小了4 0 而跨导提高了8 0 t 2 3 j 劲黝 蚤i 粒睡 嬲勰撬 焱戮黼 js i l i c o n = = 历勿公 懋强彩z 粥蹉| j ；j | 蛰弱弱疆舅舅疆舅礴强舅舅舅秘礴疆随猊杉杉 璧誉型。- i j 、 。i 。1 。n + l 一 i p 惋nk ? 。n d r i 谗 ? - 一 i 。p t y p e s is u b s w a t e 一 图1 9 常规s o il d m o s 截面结构图 形匆黝 蚤童画雏i 黝嘏 毅两黼 s i l i c o n 沥勿狐 啜寥纭凝曩；激麓獭麓焱麓缀麓缀麓掇麓锻i j 钐钐 熟冀爱1 ；= | | i j j i 。| jn 撇j 。_ 鬈j 、巨 i ；_ i j _ = pt y p es is u b s t r a t e 图1 1 0 双r e s u r fs o ll d m o s 截面结构图 1 0 杭州电子科技人学硕士学位论文 图1 1 1 折叠栅s o il d m o s 不意图 1 5c c d 概述 1 5 1c c d 的发展及现状 c c df c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的概念是b o y l e 和s m i t h 于1 9 6 9 年提出【24 | 。起初，b o y l e 和s m i t h 研究c c d 就是为了能够利用当时较为先进的硅工艺技术来制造具有与 m b m ( m a g n e t i cb u b b l em e m o r y ) 相同功能的器件。2 0 世纪7 0 年代，c c d 在存储器领域，已 经具有相当大的影响，同时，在成像以及信号处理方面也已崭露头角。 发展的早期，c c d 在高级红外系统中扮演着十分重要的角色【2 引。在红外聚焦面上能够实 现一系列功能，例如：探测，读出，多路复用，时延积分( t d i ：t i m ed e l a yi n t e g r a t i o n ) 等【2 6 | 。 在红外扫描系统中，通过电压的控制实现c c d 阵列地逐行扫描，然后利用c c d 的列扫描将 电荷信号包转移到读出电路中，在行和列的扫描过程中其扫描速度相等，而且是沿着同一个 聚焦平面，在这样一个系统中，c c d 的信噪比得到了大大的改善，与t d i 列中像元个数的平 方跟成正比。用c c d 实现的t d i 功能在红外扫描系统中起到了十分重要的作用。 最早进行c c d 研发的国家是美国，其产品主要面向军事以及航空航天领域。日本相对于 美国稍晚，他们的产品主要用于商用及民用，现在市场上大部分的数码相机和数码摄像机的 c c d 芯片都产自日本。上世纪7 0 年代初，c c d 还处于研制开发阶段，开发的成品也主要应 用与军事、空间探测等领域。到了8 0 年代，日本以及欧美的一些大公司相继开始建立c c d 生产线，从而使c c d 逐步开始走向商业化，进入批量生产阶段，这期间c c d 的像元数目明 显增多。到了9 0 年代中后期，c c d 产品开始向小的像素尺寸方向发展，主要为3 3 p m 3 3 p m 和2 7 u m 2 7 u m 。目前国际上流行的c c d 基本上都带有微透镜，具有电子快门和抗电晕功 能，以及多针相模式( m p p ) i 作的c c d 产品。进入2 l 世纪，c c d 技术发展的步伐并没有减 慢，比如：富士公司提出了s u p e rc c d 结构，它采用八角形的像素排列，改善了每个像素单 元中的光电二极管的空间有效性：美国f o v e o n 公司提出多层感色c c d 技术；s o n y 公司在 c c d 产品上采用全新的四色滤光技术；2 0 0 6 年，d a l s a 半导体公司开发出世界上第一块总 像素水平超越一亿像素的c c d 光学图像传感器1 2 7 。列j 。 相对国外较为已经成熟的c c d 技术，国内c c d 技术还是比较落后的。原因是国内进行 杭州电子科技大学硕士学位论文 c c d 研究的单位和企业较少，其次c c d 工艺线缺乏且落后。目前国内较为先进的工艺线是 4 4 所的0 5 p m 的c c d 工艺线，国内研发的产品主要集中在线阵3 2 、1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 、1 0 2 4 像素的s c c d ，以及2 0 4 8 、3 4 5 6 、4 0 9 6 像素的b c c d ，同时有3 2 3 2 、1 2 0x1 5 0 、5 1 2x3 2 0 、 5 8 0 x 3 9 2 ，5 1 2 5 1 2 、1 0 2 4 x1 0 2 4 、2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素面阵可见光c c d 等。 到目前为止，c c d 已经在成像以及图像信号处理方面取得了巨大的突破，已经渐渐成为 图像传感器的代名词，其应用于成像相关的各个领域：从消费电子领域的c c d 数码相机，移 动手持设备，智能楼字、安防监控领域，地质探测领域，到航空航天、军事侦察与反侦查等 领域都需要用到c c d 图像传感器来探测、记录图像信剧圳。 1 5 2c c d 基本结构及工作原理 图1 1 2 描述的是c c d 器件的电荷耦合原理。从图1 1 2 可以知道c c d 是由多个m o s 电 容器相邻形成的构造，在同一个s i 衬底上，由于各电极可施加独立电压，各m o s 电容器可 以形成不同电势的电势阱。此外，三个反复的电极形成一个c c d 的基本单元，由3 个端子连 接，可施加三相频率脉冲。分别给予3 个端子适当的频率脉冲，形成高电势阱与低电势的部 分，同时按照电极的排列移动电势阱。适当控制驱动的脉冲时序，存储在s i 耗尽层中的信号 电荷可随着电极的顺序移动。此外，沿着电势阱转移信号电荷的部分被称为转移沟道。这里 虽然只针对了三相c c d 进行电荷转移来说明，不过这就是c c d 电荷耦合的原理所在1 3 。 图1 1 3 所示的是c m o sc c d 图像传感器的工作原理。如图1 1 3 所示，传送带上的每一 个桶( b u c k e t ) 都是一个像素单元，而桶里面所装的都是信号电荷。这里，桶是指用于对光电流 积分的光电反偏结电容，传送带代表着c c d 的传输电路。通过光照，光电二极管首先通过其 反偏结电容对光电流积分，记录光生载流子( 电子或空穴) 电荷，即将信号电荷装到桶里； 接着通过一组时钟控制，交替改变电路结构中相邻m o s 的反偏势阱深度，使之前获得的信 号电荷包按顺序依次通过m o s 的反偏势阱传递到读出端，读出电路再将读出信号依次传输 到输出端p 2 1 。 i ，上一卜1 广叫，广l 一卜_ 厂p 1 广0 i _卜1f 一 | ；：l0 一。、_ ；= l _ _ c i ) 1 2 3 丁器丁g i ee e 金等e 图1 1 2 电荷耦合原理图 1 2 杭州电子科技人学硕上学位论文 图1 i3c c d 图像传感器原理图 1 6c c d 图像传感器和c m o s 图像传感器的比较 1 6 1 读取过程的比较 从前文提到的c c d 原理中，可以知道c c d 的读取过程是在光栅的势阱下积累电荷包， 然后通过光栅上电压的有序变化来转移势阱中的信号电荷。为了不引起转移过程中信号的损 失，整个转移过程中，加载在光栅上的驱动脉冲必须按照严格的时序。而c m o s 图像传感器 中每个像素都直接连着a d c ，如图1 1 4 所示，电荷信号直接放大并转换成数字信号。造成这 个差异是因为c c d 特殊工艺能够保证数据在传输时不会失真，以此各个像素的数据可以汇集 到边缘再进行放大处理。而c m o s 工艺的数据在传输距离较长时会产生噪声，因此，必须先 放大再整合各个像素的数据。 行选择线 宁i 图1 1 4c m o s 图像传感器像敏单元结构 1 6 2 集成性的比较 c c d 的结构决定其与c m o s 电路难以兼容。目前，绝大部分c c d 的驱动电路尚未能集成 在同一芯片内。c m o s 图像传感器同v l s i 之间具有良好的亲和性，使它可以把驱动、信号处 理等电路集成在一块芯片内，从而大大缩小了成像系统的体积和重量。这一点对于曰益得到 广泛应用的微型成像系统尤其重要。随着微加工技术的不断发展，系统的集成度将不断提高。 例如：在美国斯坦福大学( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 利用o 1 8 1 a m 技术开发出的c m o s 图像传感器 中，每个光敏元都集成有a d 和8 b i td r a m 内存，显示了可以将更多新功能集成到c m o s 图像 杭州电子科技大学硕士学位论文 传感器中的美好前景。 1 6 3 其他性能的一些比较 总的来说，c c d 图像传感器从一开始就将是为成像而生的，围绕图像质量专门作了优化 设计，其工艺比较成熟，因像素窜扰产生的固定图样噪声( f p n - f i x e d p a t t e mn o i s e ) 及瞬时噪 声( t e m p o r a ln o i s e ) 较小，因此在成像质量上有一定优势，缺点是速度相对较慢( 但即使对于 视频运用，也完全能满足要求) 、耗电量大( 同尺寸下是c m o s 的4 倍左右) ，成本较高，多 用于数字摄像机中。c m o s 传感器则以其高度集成化和基于片上系统的低成本应用优势，广 泛地用于手机摄像头、网络摄像头和数码相机等产品上。随着c m o s 制造工艺的不断成熟和 性能的不断提高，其成像质量和c c d 传感器已是基本相当，并且以其尺寸上的优势广泛地 用于高端的数字单反相机( d s l r ) 中。 1 7c c d 的性能参数 1 7 1 电荷转移效率和转移损失效率 在c c d 器件中，电荷转移效率是最为重要的一个参数，定义为从一个势阱转移到下一个 势阱的电荷与原来势阱中的电荷量之比，用希腊字母呀表示。很明显，在转移过程中仍然留 在原势阱中的电荷和原势阱电荷量之比则称之为转移损失效率，用希腊字母表示，从定义 中可以知道叩+ 8 = 1 。在某时刻，假设在t = 0 时刻，注入到某电极下的电荷量为q ( o ) ；在t = r 时刻，大多数电荷在电场的作用之下，电荷向下一个电极转移，但总有- - 4 , 部分由于种种原 因留在该电极下。若剩下的电荷量为q ( t ) ，那么根据定义，转移效率为 ”：q ( o ) - q ( r ) ：卜盟( 1 1 ) q ( 0 )q ( 0 ) 、 。 弘粼 ( 1 2 ) s = 、_ r 12 、 q ( 0 ) 、7 在理想的c c d 中，瑁应该为l ，但是实际上电荷会有损失，所以叩总是小于l 。一个电荷量 为q ( 0 ) 的电荷包经过三次转移以后，所剩的电荷量为 o ( l ) = q ( o ) 叼 ( 1 3 ) 因此，三次转移以后的电荷量与初始的电荷量的关系为 鲤= e - 厶 ( 1 4 ) 烈o ) 如果将c c d 器件应用到一个系统中，不是单纯的只是一个带有一系列转移栅的器件，可引入 厶作为转移效率的考量，称为转移效率积【3 2 1 。 影响电荷转移效率的因素主要是界面态对电荷的俘获。因此，在应用中经常用“零胖” 模式，即让“零”信号也有一定的电荷。图1 1 5 给出了在不同频率下转移损失率与“零胖” 电荷的关系。图中q ( 1 ) 表示“1 ”信号电荷，q ( o ) 表示“o ”信号电荷，从图中可以看出增加 杭州电子科技大学硕士学位论文 “0 ”信号电荷，可以减少每次转移电荷的损失【5 1 。 图1 1 5 两种频翠f 电荷转移损失翠与“零胖”电荷之i 司的关系 1 7 2 工作频率 首先说明下影响工作频率范围的决定因素【3 3 1 ，这里分决定工作频率的下限因素和上限因 素。为了避免由于热产生的非平衡少子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到下一 个电极所用的时间f 必须小于少子寿命f 。正如文本所采用的三相c c d 结构有， r = 吾= 寺 m 5 ， 因此，c c d 工作频率的下限为： _ 1 ( 1 6 ) 根据半导体物理知识对t 的定义有：假设光束在一块n 型半导体内均匀地产生非平衡载 流子a n 和p ，在户0 时刻，光照突然停止，p 将随