基于SOI工藝的高可靠有源像素研究*

田 犁，苗田樂，危 峻*，汪 輝

(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200010;2.中國科學(xué)院上海高等研究院，上海201210)

CMOS圖像傳感器能夠兼容標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝，已逐漸成為圖像傳感器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品［1］。隨著在航天等特殊領(lǐng)域應(yīng)用的增多，CMOS圖像傳感器的抗輻照性能日益重要［2］。在CMOS圖像傳感器中，最常用的是3T和4T型有源像素結(jié)構(gòu)，其具體實現(xiàn)電路如圖1所示。

圖1 3T型結(jié)構(gòu)和4T型結(jié)構(gòu)

1 SOI工藝高可靠有源像素設(shè)計

1.1 SOI高可靠性工藝介紹

SOI(Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)技術(shù)是在頂層硅和襯底硅之間引入一層埋氧層(BOX)的半導(dǎo)體工藝。SOI材料以襯底硅作為機械支撐，其厚度約為幾百微米，而頂層硅則用于制造半導(dǎo)體器件。由于埋氧層的存在，實現(xiàn)了集成電路中器件和襯底之間的介質(zhì)隔離，使得SOI技術(shù)與體硅技術(shù)相比具有了許多獨特優(yōu)點，比如避免了體硅的閂鎖效應(yīng)、具備良好的抗單粒子入射和抗瞬時輻照特性［4］(如圖2和圖3所示)等，成為解決CMOS圖像傳感器高可靠性應(yīng)用的理想工藝技術(shù)［3］。

如圖2、圖3所示，由于埋氧層的阻擋，與體硅器件相比，SOI器件顯著降低了耗盡區(qū)對單粒子入射電離電荷的收集能力。因此，SOI工藝中頂層硅上形成的MOS電路具有較強的抗單粒子和瞬態(tài)輻照特性。

圖2 傳統(tǒng)體硅器件

圖3 SOI器件

CMOS圖像傳感器像素點對于光波的吸收與材料特性有關(guān)。半導(dǎo)體材料通常能強烈地吸收光能，當(dāng)光強為I的光入射進入半導(dǎo)體材料中時，光強的變化和吸收系數(shù)的關(guān)系為:

式(1)中α為吸收系數(shù)依賴于光的波長α=1/λ，與光的波長和材料有關(guān)系，x為深度，設(shè)定邊界條件為I(x)x=0=I0，可以得到式(2):

由式(2)可知，CMOS圖像傳感器中作為感光器件的感光二極管要有足夠的縱向深度才能充分吸收可見光，而對于全耗盡型SOI工藝來說，由于頂層硅很薄(一般不超過200 nm)［6］，直接用于制造CMOS圖像傳感器將導(dǎo)致傳感器像素點對于可見光的吸收極為有限，從而影響成像性能。將圖像傳感器4T結(jié)構(gòu)的感光二極管和轉(zhuǎn)移晶體管TX制備于SOI襯底硅層的像素設(shè)計方法［7］，目的在于克服因SOI頂層硅很薄而無法形成良好感光的難題，但該方法存在一些局限性:首先，從平面制程工藝的角度，刻蝕去除SOI頂層硅及埋氧層、并在暴露的襯底硅中制備像素感光器件的工藝步驟所形成的像素感光區(qū)域與讀出電路區(qū)域之間具有一厚度差，對于光刻加工過程中的曝光對準(zhǔn)有不利影響，使得在制備4T型像素結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)移晶體管TX時容易產(chǎn)生較大的制造誤差，導(dǎo)致圖像傳感器均勻性下降，從而引入更多的固定模式噪聲(FPN)［8］;其次，在襯底硅中制備的感光二極管缺乏埋氧層的保護，在器件工作過程中容易吸收襯底硅中因輻射產(chǎn)生的電子空穴對，造成更高的暗電流，大大降低像素感光器件性能［9］;最后，受輻照像素在吸收因輻射產(chǎn)生的沉積電荷后，會與相鄰未受輻射像素形成電荷分享，從而進一步惡化CMOS圖像傳感器的成像質(zhì)量。

有鑒于此，這里采用不含轉(zhuǎn)移晶體管TX的3T型有源像素單元，并嘗試在像素單元周圍引入P+重?fù)诫s保護層的方法來抑制像素之間的電荷分享效應(yīng)，并進行了二維器件的建模與仿真工作。

1.2 像素設(shè)計及相關(guān)工藝參數(shù)選擇

如圖4所示，像素設(shè)計采用3T型有源像素單元結(jié)構(gòu)。3T型有源像素單元由感光二極管、復(fù)位晶體管Mrst、行選擇晶體管Msel和源極跟隨器Msf構(gòu)成。其中，感光二極管形成在襯底硅上(Handle Wafer)，而復(fù)位晶體管Mrst、行選擇晶體管Msel和源極跟隨器Msf則形成在頂層硅(Top Silicon)上。

圖4 SOI工藝下3T型有源像素單元

利用仿真工具對3T型有源像素單元中的感光二極管和復(fù)位晶體管Mrst進行重點研究，建模工藝參數(shù)基于日本OKI的0.2 μm FDSOI CMOS工藝，相關(guān)工藝信息［10］如表1所示。

表1 仿真工藝參數(shù)

1.3 器件結(jié)構(gòu)

如圖5所示，仿真器件定義為:器件1，工作電壓3.3 V，其左側(cè)像素定義為像素I，相鄰右側(cè)的兩個像素依次定義為像素I+1和像素I+2，像素I、I+1、I+2四周及下方均環(huán)繞有P+重?fù)诫s保護層;器件2，對比器件，工作電壓及像素定義均與器件1相同，但其像素結(jié)構(gòu)周圍無P+摻雜區(qū)。

圖5 仿真器件1和器件2定義

仿真器件中定義的3個電極分別對應(yīng)圖4中的RST、VDD和襯底電壓Vsub。生成器件后，沿著Y=0.6 μm的方向做切線查看電勢變化的情況，如圖6所示，根據(jù)器件1和器件2電勢分布對比可知，由于引入了P+重?fù)诫s區(qū)，器件1中像素之間的勢壘比器件2更高，勢壘寬度為2 μm。

圖6 器件1和器件2電勢分布(Y=0.6 μm)

1.4 輻照模型

在Sentaurus Device中使用的Heavy Ion模型如圖7所示，定義粒子在其軌跡附近的電子空穴對產(chǎn)生率為:

其中:l為粒子軌跡的長度，t為時間，ω為垂直粒子軌跡的方向距離，R(ω，l)和T(t)分別表示粒子電子空穴對產(chǎn)生率隨空間和時間的變化，GLET(l)是線性能量傳輸產(chǎn)生率，單位為pair/cm3。該表達式中，T(t)定義為:

圖7 重粒子入射模型

其中:t0為粒子射入時刻，shi為高斯特征值，產(chǎn)生率的空間分布R(ω，l)能夠定義為指數(shù)函數(shù)的形式

或者高斯分布函數(shù)的形式［11］

其中，ω為沿著粒子軌跡徑向的長度;ωt(t)為分布的特征長度，在Sentaurus Device中以ωt_hi表示。下文中計算電離產(chǎn)生的電子空穴對產(chǎn)生率所用的計算方法為高斯分布。

設(shè)定入射粒子從像素I感光二極管的中心位置(X=3.5 μm，Y=0 μm)入射到像素內(nèi)部。為更好地測算感光二極管對輻射產(chǎn)生電荷的收集過程，本文模擬過程中沒有對像素加入光照條件，因此，像素I+1和像素I+2在仿真過程中收集到的電荷均為輻射產(chǎn)生的擴散電荷。設(shè)定輻射的入射時間為700 ns，所使用的入射粒子的參數(shù)如表2所示。

表2中，LET為粒子的線性能量轉(zhuǎn)移值(Linear Energy Transfer)，表示入射粒子在單位長度內(nèi)損失的能量值。在仿真中，LET的單位為pC/μm，常見單粒子入射單位為MeV·cm2/mg。硅材料中，本仿真過程采用的LET單位與常用單粒子入射單位的換算關(guān)系為 1pC/μm=97MeV·cm2/mg。

2 仿真結(jié)果

2.1 輻射前后像素區(qū)域電勢變化

高能粒子進入像素內(nèi)部后，與晶格原子碰撞，粒子能量值逐漸降低。粒子損失能量的一部分使晶格原子發(fā)生電離，沿著粒子運動軌跡產(chǎn)生電子空穴對。這些電子空穴對會對處于正常工作狀態(tài)下的像素產(chǎn)生干擾。粒子射入像素的瞬間，在有限的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生大量電子空穴對，這些電子空穴對發(fā)生漂移或者擴散，使像素的電勢和載流子濃度分布發(fā)生劇烈變化。在像素空間電荷區(qū)內(nèi)，以 LET=0.002 pC/μm，軌跡長度l=2μm和垂直入射的試驗為例，高能粒子入射后，原PN結(jié)感光二極管的空間電荷區(qū)在受到粒子擾動后會向襯底中延伸數(shù)微米，呈現(xiàn)漏斗形狀。漏斗效應(yīng)表現(xiàn)為載流子收集的增強，使在PN結(jié)內(nèi)建電場外部產(chǎn)生的電子空穴對，也能在延伸電場的最下方被收集。

圖8是輻照后1 ps內(nèi)器件沿著X軸方向上電勢變化圖，可以看到在像素I區(qū)域電勢發(fā)生了明顯的變化，這主要是因為輻照在此區(qū)域內(nèi)生成了大量的電子空穴對，此后因輻射產(chǎn)生的電荷將會自由擴散至像素I+1和像素I+2區(qū)域并這些電荷作為噪聲電子被相應(yīng)的像素吸收，從而影響周邊像素區(qū)域的成像效果。

2.2 像素電荷分享效應(yīng)

器件1在不同輻射條件下像素I+1和像素I+2收集到的電子數(shù)情況如圖9所示。不同的輻射條件下像素I+1和像素I+2收集到的電子數(shù)具有一定差異性，當(dāng)輻射劑量和單粒子入射深度超過一定范圍后，像素I+1和像素I+2收集到的電子會達到飽和。在輻射劑量較小、入射深度較淺的條件下，像素I+2收集到的電子數(shù)相對于像素I+1要少，主要原因是像素I+1更加靠近輻射區(qū)域，而在電荷擴散過程中有一部分已被像素I+1吸收。

圖9 器件1不同輻射條件下像素收集到的電子數(shù)

已有文獻將像素區(qū)域收集到的電子數(shù)作為對比器件抗輻照的性能指標(biāo)［12］，但是在本文的仿真環(huán)境下，器件1在像素周圍加入P+重?fù)诫s保護區(qū)域之后，其耗盡區(qū)相比于器件2會發(fā)生變化，相對應(yīng)的PN結(jié)結(jié)深、感光二極管阱容量、吸收擴散產(chǎn)生的電荷能力都會發(fā)生變化。因此，采用像素收集到的電子數(shù)與滿阱容量的比值來對比器件1和器件2的抗輻照性能。

圖10和圖11分別為軌跡長度為1 μm時像素I+1和像素I+2在不同入射能量下收集到的電子的情況。在入射能量較低的條件下，P+重?fù)诫s區(qū)域能夠有效地抑制因輻射產(chǎn)生的電子空穴對擴散，由于勢壘作用，一部分電子無法通過像素之間的勢壘，像素間的電荷分享被抑制，像素I+1和像素I+2收集到的電子會減少。但隨著輻射強度的增大，這種抑制作用會逐漸減小，這主要是由于隨著輻射強度增大，受輻射區(qū)域的電子濃度增大，受輻射區(qū)域的電勢隨之發(fā)生變化，P+重?fù)诫s區(qū)域形成的勢壘對電荷擴散抑制作用已不明顯。

圖10 像素I+1收集電子情況

圖11 像素I+2收集電子情況

3 結(jié)論

(1)入射單粒子所產(chǎn)生的電荷既能使入射點所在像素飽和，又能經(jīng)擴散影響周邊像素的正常工作。

(2)通過引入像素單元P+重?fù)诫s保護層，在一定的單粒子輻射強度和輻射入射深度條件下，像素之間的電荷分享效應(yīng)被有效抑制。

［1］Bigas M，Cabruj E，F(xiàn)orest J，et al.Review of CMOS Image Sensors［J］.Microelectronics Journal，2006，37(3):433-451.

［2］范鐵道，田雁，曹劍中，等.基于FPGA的CMOS圖像感器IA_G3 驅(qū)動電路的研究［J］.電子器件，2009，32(2):273-276.

［3］Hill T A，Gurrieri T M，Schwank J R，et al.An Embeddable SOI Radiation Sensor［J］.Nuclear Science，2009，56(6):3372-3380.

［4］陳昕.SOI技術(shù)的發(fā)展思路［J］.電子器件，2010，33(2):193-196.

［5］Arai Y，Miyoshi T，Unno Y，et al.Development of SOI Pixel Process Technology［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2011，636(6):31-33.

［6］周彥平，王曉明，常國龍，等.CMOS圖像傳感器的輻射實驗［J］.紅外與激光工程，2011，40(7):1270-1273.

［7］倪景華，黃其煜.CMOS圖像傳感器及其發(fā)展趨勢［J］.光機電信息，2008，25(5):33-37.

［8］Morikawa K，kajita Y，Mitarashi M.Low-Power LSI Technology of 0.15 μm FD-SOI［J］.OKI Technical Review，2003，196(4):60-63.

［9］Kucewicz W，Bulgheroni，CacciaA，etal.Fully Depleted Monolithic Active Pixel Sensor in SOI Technology［J］.Nuclear Science Symposium Conference Record［C］//2004 IEEE:1227-1230.

［10］Syukyo Gando Ryu.First Performance Evaluation of an X-Ray SOI Pixel Sensor for Imaging Spectroscopy and Intra-Pixel Trigger［J］.Nuclear Science，2011，58(5):2528-2536.

［11］Sentaurus D-2010.03，Sentaurus Workbench User Guide［S］.Synopsys.Inc，USA，2010.

［12］姚素英，李淵清，徐超，等.四管有源像素單粒子效應(yīng)及輻射加固器件模擬研究［DB/OL］.http://www.paper.edu.cn.2012-11-6.