垂直多結PPD像素勢阱容量與電荷轉移研究

李天琦，馬超龍，楊曉亮，杜 斌

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

近年來，由于CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor，CIS)與CCD(Charge Coupled Device)相比具有低功耗、低成本和高集成度等優(yōu)勢，CMOS圖像傳感器的應用已逐漸大于CCD圖像傳感器，特別是在一些高可靠度和抗輻射方面的應用［1－2］。1995年，伊士曼柯達公司第一次將鉗位光電二極管(Pinned Photodiode，PPD)應用到CCD圖像傳感器當中，并將其引入CMOS圖像傳感器中。其是通過將電荷存儲區(qū)域與Si/SiO2表面分隔開而實現(xiàn)的，這可促進藍光響應同時使暗電流變?。?－4］。

傳統(tǒng)的PPD結構是通過單一的N型摻雜注入形成的，由于需要使信號電荷能完整地傳輸，這使耗盡區(qū)的深度會有一定的限制，即會限制勢阱容量的范圍，因此對長波長光的收集效率會降低。調整N型離子注入的能量和劑量可形成更深的N/P－sub結，但這些調整都會由于要使電荷可完整轉移而受到限制。P型襯底的濃度變低也可擴大勢阱容量，但也會影響整個電路的特性［5］。

在信號電荷傳遞時，一部分電子可能會由于N區(qū)中的陷阱而無法被傳遞，當像素尺寸變大時這種情況會加重。問題可通過改變PPD部分的形狀而得到解決，但又會引入固定模式噪聲(Fixed－Pattern Noise，F(xiàn)PN)而導致像素下降填充因子［6－7］。

文中研究了一種垂直多結結構［8］可有效提高光電二極管的收集效率，特別是對于較長波長的光有較大程度的吸收，且通過在掩埋的N區(qū)水平方向進行了梯度摻雜對于信號電荷傳遞進行優(yōu)化，所有優(yōu)化均通過SILVACO TCAD工具軟件進行仿真分析。

1 電荷收集與轉移原理

文中的研究是針對于4管CMOS圖像傳感器像素結構進行的，圖1為4管CMOS圖像傳感器結構示意圖。其中包括PPD部分、傳輸柵(Transfer Gate，TG)、浮置儲存節(jié)點(Floating Diffusor，F(xiàn)D)、復位管(Reset Transistor，RS)、源級跟隨器(Source Follower，SF)以及行選管(Row Select Transistor，SEL)。

當光信號入射到感光區(qū)時，也就是PPD部分，經(jīng)過光電效應會在感光區(qū)的空間電荷區(qū)產(chǎn)生光生電荷。在電場的作用下，電子和空穴會被分開，其中電子會在勢阱中被收集，空穴則會被遺棄。此時傳輸柵TG處于閉合狀態(tài)，同時FD會被復位管RS復位。隨后，傳輸柵開啟，此時信號電荷會從PPD部分轉移到FD中，待信號穩(wěn)定后，傳輸柵TG關閉，即完成一次操作過程。

圖1 四管CMOS圖像傳感器結構示意圖

圖2為PPD的結構與傳輸管示意圖。PPD主要由P+NP－結構組成，其中兩個P層都處于襯底電勢。當施加在N層的電壓升高時，兩個PN結的耗盡區(qū)會相互延展，當?shù)竭_某一特定電壓時，耗盡區(qū)相接處，器件不會再提取更多的載流子，器件完全耗盡［9］。隨后，器件內(nèi)的電勢保持不變，電壓也因此固定。

圖2 PPD的結構與傳輸管示意圖

對于感光操作，PPD最初是完全耗盡在積分階段，光生載流子存儲在耗盡區(qū)內(nèi)，會使PPD電勢下降。信號電荷讀取時，F(xiàn)D會先復位至復位電壓，此復位電壓對于相關雙采樣是第一次讀取。隨后傳輸管開啟，信號電荷會傳輸?shù)紽D中。

可見光的波長范圍是0.4～0.8μm，吸收深度的范圍是0.1～10μm［10］，產(chǎn)生在耗盡區(qū)的電子在電場的作用下可輕易的被N區(qū)收集。然而，波長較長的光子可滲透較深甚至到達襯底，在襯底中產(chǎn)生的電子會作為少數(shù)載流子的形式存在，少數(shù)載流子的擴散會在較大程度上影響到圖像傳感器的性能，且少數(shù)載流子會通過襯底擴散到相鄰光電二極管中引起圖像模糊。因為波長較長的光比波長較短的光吸收長度要長，更容易產(chǎn)生少數(shù)載流子，所以波長較長的光的吸收對于減小圖像模糊尤為重要。

電子需要被完全傳輸?shù)哪康氖菧p小隨機噪聲。然而，由于有時會在PPD部分的N層與TG下方溝道區(qū)的連接處出現(xiàn)電位障(Potential Barrier)或電位坑(Potential Pocket)，這會阻止電子的完全傳輸。若這一區(qū)域比遠離TG溝道的區(qū)域耗盡的快，則會在該區(qū)域產(chǎn)生電位障，即導致一些信號電荷會滯留在N型區(qū)域產(chǎn)生圖像拖影［5］。

2 收集效率優(yōu)化

如圖3所示為所研究的垂直多結結構示意圖。該結構類似手指形狀，因此稱為垂直多結結構，通過改變N型區(qū)域的形狀，可增加N型區(qū)域與P型區(qū)域之間相接處的表面區(qū)域。由圖可看到，在這一結構中，在N層與N層之間的間隙都是用P型摻雜填滿，這可增加N型、P型區(qū)域表面接觸的區(qū)域。由于接觸表面區(qū)域的增加，可擴展感光區(qū)的勢阱容量，也就是會使光電二極管的耗盡區(qū)變大。且由于不同波長的入射光入射深度不同，對于不同波長的光都可以最大程度地吸收，從而能夠較好的提高收集效率［8］。

圖3 垂直多結結構示意圖

圖4與圖5分別為普通結構和垂直多結結構的仿真示意圖。其中，PPD的長度為2μm，傳輸柵的長度為0.5μm。仿真時未加入源級跟隨器和行選管是因其對光電荷的吸收與信號電荷的傳輸不會產(chǎn)生影響。圖4為普通結構的摻雜輪廓圖，襯底的摻雜濃度為2.5×1017cm－3，PPD的N層與P層的摻雜濃度分別為1.7×1016cm－3和1×1018cm－3。圖5為垂直多結結構的摻雜輪廓圖，其PPD的N層與P層的摻雜濃度與圖4相同，間隙中P層的摻雜濃度為6×1017cm－3。

圖4 普通結構仿真示意圖

圖5 垂直多結結構仿真示意圖

為縮短強入射光強下的仿真時間和減少仿真時定義的積分時間，通過測試可知只要入射光子的總量不變，變化光強和積分時間均可得到相同的仿真結果［10］。波長的變化范圍是500～900 nm，積分時間后，TG的電壓會設置為3.3 V，此時TG打開，信號電荷會從PPD傳遞到FD中，此時的FD已在之前就復位到了一個較高的電壓，信號電荷的傳入會使FD的電壓下降。表1為FD電壓變化情況，仿真結果表明，像素的收集效率有所提高。

表1 不同波長下FD電壓變化情況

3 電荷轉移優(yōu)化

對于在TG溝道周圍存在的電位障和電位坑已進行了多次研究，如圖6所示為垂直多結結構優(yōu)化區(qū)域示意圖，對于電位障的優(yōu)化是通過增大PPD中N型區(qū)域A區(qū)域的濃度，摻雜濃度為5×1016cm－3。由于N層區(qū)域A的摻雜濃度高于N區(qū)其他部分的摻雜濃度，因此可保證A區(qū)域會在N區(qū)其他部分后耗盡，這就不會產(chǎn)生電位障，即不會產(chǎn)生阻礙信號電荷傳輸?shù)恼系K，會使信號電荷盡可能多的傳輸，減小圖像拖影現(xiàn)象［10］。

圖6 垂直多結結構優(yōu)化區(qū)域示意圖

圖7和圖8所示為在電荷傳輸狀態(tài)時，垂直多結結構與增加區(qū)域A的垂直多結結構的電子濃度圖?？煽闯觯催M行優(yōu)化的結構剩余電子濃度約在1015數(shù)量級，通過增加區(qū)域A的濃度，消除電位障后的優(yōu)化結構剩余電子濃度約在1011數(shù)量級。因此，通過對比可知優(yōu)化區(qū)域A可較好地增加電荷傳輸?shù)臄?shù)量，減小圖像拖影現(xiàn)象。

圖7 電荷傳輸時垂直多結結構電子濃度圖

圖8 電荷傳輸時優(yōu)化結構電子濃度圖

4 結束語

文中在CMOS圖像傳感器四管像素結構中引入垂直多結結構。具有垂直多結結構的PPD部分大幅擴展了感光區(qū)的勢阱容量，使得光電二極管的耗盡區(qū)變大。與傳統(tǒng)只具有單一N型區(qū)域的PPD結構相比，較長波長的光可更好地被具有垂直多結結構的PPD區(qū)域收集，并可提高收集效率，且在N區(qū)水平方向進行了梯度摻雜，使得靠近TG部分N區(qū)濃度＞N區(qū)其他部分濃度，這種水平方向的梯度摻雜消除了電位障，使得電子更容易被傳遞出去，從而減小了圖像拖影現(xiàn)象。

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