Разработка модели структуры в системе Sentaurus TCAD (Synopsys) - Создание двумерной модели фотоприемной ячейки КМОП-ФД в среде приборно-технологического моделирования Sentaurus TCAD (Synopsys)

Моделирование фотоприемной ячейки КМОП-ФД требует создания трехмерной модели, так как в плоскости топологии элементы фотоприемной ячейки имеют разные размеры. Однако трехмерная модель фотоприемной ячейки имеет большие временные затраты на технологическое и электрофизическое моделирование. К тому же, процесс редактирования такой модели довольно трудоемок, что не дает возможности вносить оперативные изменения в структуру.

Для решения поставленной задачи необходимо создать структуру, в которой будут симулироваться процесс накопления заряда фотодиодом, процесс переноса заряда из фотодиода в плавающий узел, и процесс сброса заряда из фотодиода и плавающего узла. На основе имеющейся топологии разработана 2D-структура пиксела, включающая в себя: ПУ, ФД, сток Т4 и истоки Т1 и Т2. (все расстояния между элементами соответствуют топологическому чертежу).

Сечение, структуры, взятое в основу 2D модели, приведено на рисунке 10. Оно состоит из двух взаимно перпендикулярных сечений: сечения фотодиода и сечения транзисторов восстановления, контакта Т4 и плавающего узла. Точка пересечения сечений - это контакт к области Т4, связывающий с ней фотодиод. Так как фотодиод связан с активными элементами ячейки металлическим затвором, мы можем развернуть перемычку вместе с фотозатвором в одну плоскость с активными элементами ячейки.

сечение модели на топологии ячейки (черная линия). линиями зеленого цвета показано, как создано двумерное сечение

Рис. 10 Сечение модели на топологии ячейки (черная линия). Линиями зеленого цвета показано, как создано двумерное сечение.

Строя двумерное сечение структуры нужно учитывать то, что в плоскости топологии элементы фотоприемной ячейки имеют разный размер, а следовательно и разную емкость. Для того, чтобы двумерная модель могла учесть размеры областей по третьей координате, необходим инструмент, через который можно было бы регулировать либо размеры областей фотоприемной ячейки, либо их емкость. Учет третьей координаты необходим в областях ПУ и ФД, так как именно их емкость влияет на передачу зарядового пакета.

Для реализации поставленной задачи в 2D модели было предложено несколько решений.

Первый вариант - это создание областей таким образом, чтобы емкость одной и той же области в плоскости была равна емкости той же области в объеме (рисунок 11).

вариант модели №1

Рис 11 Вариант модели №1

Первый вариант является самым простым в практической реализации. Взяв топологические размеры областей ФД, истока и стока М1, в качестве размера по оси x берется полная площадь каждого элемента. Таким образом емкость каждого элемента переносится в плоскую структуру.

Плюсами данной модели является простое построение структуры, без подключения дополнительных конструкций к ячейки. Минусами же является увеличение размеров модели, а вместе с тем и количества узлов сетки, что приведет к значительному увеличению времени расчетов, а так же невозможность оперативного изменения емкости ПУ и ФД.

Второе - подсоединение к областям ПУ и ФД металлических затворов, и формирование с помощью них МОП конденсаторов, которые реализуют емкость по третьей координате.

Второй вариант гораздо лучше первого хотя бы потому, что фотодиод становится гораздо более компактным. Для реализации дополнительной емкости для ПУ и ФД в модели дополнительно создаются два МОП конденсатора. Они выполняются высоколегированными областями в подложке за пределами активной области, тонким (около 5нм) окисла и двумя металлическими затворами, подсоединенными к областям ПУ и ФД. (Уточнить методы расчета емкости МОП-конденсаторов). Регулировать емкость такой структуры можно путем изменения физических размеров МОП-конденсатора.

Модель данной ячейки была сделана в качестве тестовой модели (рис. 12). В основу модели легла трех-транзисторная (3Т) ячейка КМОП-ФД с фотозатвором.

структура прибора, смоделированная в программе tcad

Рис.12 Структура прибора, смоделированная в программе Tcad

Плюсами модели является возможность регулирования емкости узлов ПУ и ФД, меньший (по сравнению с предыдущим примером) размер модели. Минусом же является не достаточно точная и оперативная регулировка емкости областей ПУ и ФД.

Модель №2 является работоспособной. Командные файлы для технологического моделирования и электрофизического моделирования содержаться соответственно в приложении №1 и приложении №2.

Модель №3 представляет собой модель активной ячейки, в которой к областям ПУ и ФД подключены затворы, но в отличии от предыдущего варианта, они не выполнены в виде МОП-транзистеров. Вместо этого они "подвешены в воздухе", и сверху, через тонкий слой окисла (доли нанометра) к каждому из них подсоединены металлические контакты. К этим контактам в свою очередь подключаются "виртуальные" конденсаторы необходимой емкости (рисунок 13, 14).

Модель №3 является работоспособной. Командные файлы для технологического моделирования и электрофизического моделирования содержаться соответственно в приложении №3 и приложении №4.

модель кмоп-фд пиксела

Рис. 13 Модель КМОП-ФД пиксела

Рис. 14 Структура прибора, смоделированная в программе Tcad

Похожие статьи




Разработка модели структуры в системе Sentaurus TCAD (Synopsys) - Создание двумерной модели фотоприемной ячейки КМОП-ФД в среде приборно-технологического моделирования Sentaurus TCAD (Synopsys)

Предыдущая | Следующая