垂直多结PPD像素势阱容量与电荷转移研究

李天琦，马超龙，杨晓亮，杜 斌

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

近年来，由于CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)与CCD(Charge Coupled Device)相比具有低功耗、低成本和高集成度等优势，CMOS图像传感器的应用已逐渐大于CCD图像传感器，特别是在一些高可靠度和抗辐射方面的应用［1－2］。1995年，伊士曼柯达公司第一次将钳位光电二极管(Pinned Photodiode，PPD)应用到CCD图像传感器当中，并将其引入CMOS图像传感器中。其是通过将电荷存储区域与Si/SiO2表面分隔开而实现的，这可促进蓝光响应同时使暗电流变小［3－4］。

传统的PPD结构是通过单一的N型掺杂注入形成的，由于需要使信号电荷能完整地传输，这使耗尽区的深度会有一定的限制，即会限制势阱容量的范围，因此对长波长光的收集效率会降低。调整N型离子注入的能量和剂量可形成更深的N/P－sub结，但这些调整都会由于要使电荷可完整转移而受到限制。P型衬底的浓度变低也可扩大势阱容量，但也会影响整个电路的特性［5］。

在信号电荷传递时，一部分电子可能会由于N区中的陷阱而无法被传递，当像素尺寸变大时这种情况会加重。问题可通过改变PPD部分的形状而得到解决，但又会引入固定模式噪声(Fixed－Pattern Noise，FPN)而导致像素下降填充因子［6－7］。

文中研究了一种垂直多结结构［8］可有效提高光电二极管的收集效率，特别是对于较长波长的光有较大程度的吸收，且通过在掩埋的N区水平方向进行了梯度掺杂对于信号电荷传递进行优化，所有优化均通过SILVACO TCAD工具软件进行仿真分析。

1 电荷收集与转移原理

文中的研究是针对于4管CMOS图像传感器像素结构进行的，图1为4管CMOS图像传感器结构示意图。其中包括PPD部分、传输栅(Transfer Gate，TG)、浮置储存节点(Floating Diffusor，FD)、复位管(Reset Transistor，RS)、源级跟随器(Source Follower，SF)以及行选管(Row Select Transistor，SEL)。

当光信号入射到感光区时，也就是PPD部分，经过光电效应会在感光区的空间电荷区产生光生电荷。在电场的作用下，电子和空穴会被分开，其中电子会在势阱中被收集，空穴则会被遗弃。此时传输栅TG处于闭合状态，同时FD会被复位管RS复位。随后，传输栅开启，此时信号电荷会从PPD部分转移到FD中，待信号稳定后，传输栅TG关闭，即完成一次操作过程。

图1 四管CMOS图像传感器结构示意图

图2为PPD的结构与传输管示意图。PPD主要由P+NP－结构组成，其中两个P层都处于衬底电势。当施加在N层的电压升高时，两个PN结的耗尽区会相互延展，当到达某一特定电压时，耗尽区相接处，器件不会再提取更多的载流子，器件完全耗尽［9］。随后，器件内的电势保持不变，电压也因此固定。

图2 PPD的结构与传输管示意图

对于感光操作，PPD最初是完全耗尽在积分阶段，光生载流子存储在耗尽区内，会使PPD电势下降。信号电荷读取时，FD会先复位至复位电压，此复位电压对于相关双采样是第一次读取。随后传输管开启，信号电荷会传输到FD中。

可见光的波长范围是0.4～0.8μm，吸收深度的范围是0.1～10μm［10］，产生在耗尽区的电子在电场的作用下可轻易的被N区收集。然而，波长较长的光子可渗透较深甚至到达衬底，在衬底中产生的电子会作为少数载流子的形式存在，少数载流子的扩散会在较大程度上影响到图像传感器的性能，且少数载流子会通过衬底扩散到相邻光电二极管中引起图像模糊。因为波长较长的光比波长较短的光吸收长度要长，更容易产生少数载流子，所以波长较长的光的吸收对于减小图像模糊尤为重要。

电子需要被完全传输的目的是减小随机噪声。然而，由于有时会在PPD部分的N层与TG下方沟道区的连接处出现电位障(Potential Barrier)或电位坑(Potential Pocket)，这会阻止电子的完全传输。若这一区域比远离TG沟道的区域耗尽的快，则会在该区域产生电位障，即导致一些信号电荷会滞留在N型区域产生图像拖影［5］。

2 收集效率优化

如图3所示为所研究的垂直多结结构示意图。该结构类似手指形状，因此称为垂直多结结构，通过改变N型区域的形状，可增加N型区域与P型区域之间相接处的表面区域。由图可看到，在这一结构中，在N层与N层之间的间隙都是用P型掺杂填满，这可增加N型、P型区域表面接触的区域。由于接触表面区域的增加，可扩展感光区的势阱容量，也就是会使光电二极管的耗尽区变大。且由于不同波长的入射光入射深度不同，对于不同波长的光都可以最大程度地吸收，从而能够较好的提高收集效率［8］。

图3 垂直多结结构示意图

图4与图5分别为普通结构和垂直多结结构的仿真示意图。其中，PPD的长度为2μm，传输栅的长度为0.5μm。仿真时未加入源级跟随器和行选管是因其对光电荷的吸收与信号电荷的传输不会产生影响。图4为普通结构的掺杂轮廓图，衬底的掺杂浓度为2.5×1017cm－3，PPD的N层与P层的掺杂浓度分别为1.7×1016cm－3和1×1018cm－3。图5为垂直多结结构的掺杂轮廓图，其PPD的N层与P层的掺杂浓度与图4相同，间隙中P层的掺杂浓度为6×1017cm－3。

图4 普通结构仿真示意图

图5 垂直多结结构仿真示意图

为缩短强入射光强下的仿真时间和减少仿真时定义的积分时间，通过测试可知只要入射光子的总量不变，变化光强和积分时间均可得到相同的仿真结果［10］。波长的变化范围是500～900 nm，积分时间后，TG的电压会设置为3.3 V，此时TG打开，信号电荷会从PPD传递到FD中，此时的FD已在之前就复位到了一个较高的电压，信号电荷的传入会使FD的电压下降。表1为FD电压变化情况，仿真结果表明，像素的收集效率有所提高。

表1 不同波长下FD电压变化情况

3 电荷转移优化

对于在TG沟道周围存在的电位障和电位坑已进行了多次研究，如图6所示为垂直多结结构优化区域示意图，对于电位障的优化是通过增大PPD中N型区域A区域的浓度，掺杂浓度为5×1016cm－3。由于N层区域A的掺杂浓度高于N区其他部分的掺杂浓度，因此可保证A区域会在N区其他部分后耗尽，这就不会产生电位障，即不会产生阻碍信号电荷传输的障碍，会使信号电荷尽可能多的传输，减小图像拖影现象［10］。

图6 垂直多结结构优化区域示意图

图7和图8所示为在电荷传输状态时，垂直多结结构与增加区域A的垂直多结结构的电子浓度图。可看出，未进行优化的结构剩余电子浓度约在1015数量级，通过增加区域A的浓度，消除电位障后的优化结构剩余电子浓度约在1011数量级。因此，通过对比可知优化区域A可较好地增加电荷传输的数量，减小图像拖影现象。

图7 电荷传输时垂直多结结构电子浓度图

图8 电荷传输时优化结构电子浓度图

4 结束语

文中在CMOS图像传感器四管像素结构中引入垂直多结结构。具有垂直多结结构的PPD部分大幅扩展了感光区的势阱容量，使得光电二极管的耗尽区变大。与传统只具有单一N型区域的PPD结构相比，较长波长的光可更好地被具有垂直多结结构的PPD区域收集，并可提高收集效率，且在N区水平方向进行了梯度掺杂，使得靠近TG部分N区浓度＞N区其他部分浓度，这种水平方向的梯度掺杂消除了电位障，使得电子更容易被传递出去，从而减小了图像拖影现象。

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