CMOS工艺APS阵列的近红外响应及参数分析

王庆祥，孟丽娅，刘泽东，王 成

（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044）

·红外材料与器件·

CMOS工艺APS阵列的近红外响应及参数分析

王庆祥，孟丽娅，刘泽东，王 成

（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044）

采用DevEdit3D构建了5×5的像元结构模型，在基于Lnuminous 1μm的近红外的照射下，利用Silvaco TCAD仿真了像元中心距、阱深、衬底掺杂浓度等工艺参数对其电荷收集量和像元串扰程度的影响。仿真测得电荷收集量随像元中心距和阱深的增大而增大，随衬底掺杂浓度的增大而减小；像元间串扰程度与像元中心距的大小以及阱深的深度成反比，与衬底掺杂浓度的大小成正比。最后对以上影响的成因进行了理论分析。

Silvaco TCAD；像元中心距；阱深；衬底掺杂浓度

1 引 言

近来伴随着工艺水平的进步，标准CMOS工艺成为集成电路设计的主流，同时CMOS有源像素图像传感器作为后起之秀，以其工艺标准化、成本低廉、可操作性强等特点而倍受人们的青睐。图像传感器的响应光源有多种，其中基于红外响应的有源像素图像传感器被广泛应用在安全监测、医疗卫生、生命探测等领域。在这些领域中，对于图像传感器的性能稳定性、分辨率都有较高的要求，因此，CMOS图像传感器的红外响应程度成为人们关注的焦点。而对于CMOS图像传感器典型结构而言，在现有标准CMOS工艺下，像元中心距，掺杂浓度等参数都会对图像传感器的成像性能产生影响［1］。为分析以上因素对于传感器性能的具体影响，本文应用Silvaco TCAD系列工具完成了光电二极管阵列的建模，分析了像元中心距、阱深、衬底掺杂浓度对传感器电荷收集量以及像元串扰程度的影响［2］。

2 像元阵列建模

本文首先利用Silvaco TCAD中的结构和网格编辑器DevEdit3D构建了5×5光电二极管结构阵列。DevEdit不仅可以用于新建一个器件，还可以用于重新网格化或编辑现有器件。基于DevEdit构建的Silvaco标准结构可以方便的集成到Silvaco二维或三维仿真器当中。所构建的光电二极管作为结构文件导入到Atlas软件模块当中，使用Atlas中集成的光照仿真程序Luminous对结构进行光照。为提高仿真效率，建模采用镜像原则，图1为3×3的镜像结构示意图［3］。

图1 像元阵列立体结构图Fig.1 the stereogram of the APS array

3 近红外下的参数仿真

本文采用Luminous中波长为1μm的近红外线进行仿真。Luminous是一个高级器件仿真器，专为非平面半导体器件中的光吸收和光电生成仿真而设计。它利用集合射线追踪技术而求得用于一般光源的精确解。Luminous也支持光学转换矩阵分析法，用于分层器件中的相干效应。光束传播法也可以用来仿真相干效应和衍射。Luminous可仿真单色或多光谱光源，为光电子学提供独特的参数提取功能。一般器件结构的直流、交流、瞬态和光谱响应也可于任意光源之下被仿真。近红外光子能量约为1.99×10－19J，大于硅的禁带宽度［4］。这种长度的红外线在硅表面的吸收系数较小，可以射入衬底硅中，激发深层的载流子。

3.1 像元中心距和衬底掺杂浓度对像元之间串扰的影响

串扰是指两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。在像元结构中，串扰是指各个像元信号之间的干扰噪声。对于图像传感器而言，像元中心距的大小以及衬底掺杂浓度的高低都会对像元之间的串扰程度产生影响［5］。为了检测以上参数的影响，我们在前面5×5阵列的基础上，将像元中心距分别取为5μm、10μm和20μm，衬底掺杂浓度分别为1×1014、1×1015和1× 1016cm－3，用以比较串扰的大小。通过中心临近像元光电流与中心像元光电流的比值来衡量串扰的大小。仿真结果，如图2所示［3］。

仿真测得，当衬底掺杂浓度为1×1016cm－3，像元中心距为5μm时，串扰最大；当衬底掺杂浓度为1×1014cm－3，像元中心距为20μm时，串扰最小，如图3所示。可见串扰的大小与像元中心距的大小成反比，而与衬底掺杂浓度的高低成正比［6］。像元中心距越小，也就意味着同样面积下的像元数目越多，分辨率也就越高。然而随着中心距的减小，像元之间信号的串扰又会增大，使得噪声加大，信噪比降低，影响器件的性能。

图2 衬底掺杂浓度、像元中心距对串扰的影响Fig.2 the change of crosstalk with pitch and substrate doping

图3 串扰最大与最小时的电荷分布Fig.3 the normalized charge distribution with themaximum and minimum crosstalk

3.2 像元中心距和衬底掺杂浓度对像元电荷收集量的影响

电荷收集量的多少直接决定了输出信号的大小。为检测像元中心距、衬底掺杂浓度对电荷收集量的影响。本文仿真了不同的掺杂浓度和像元中心距下电荷收集量的区别，所得曲线如图4所示［3］。

图4 电荷收集量与像元中心距、衬底掺杂浓度的关系Fig.4 the change of total collected chargeswith pitch and substrate doping

从曲线可知，电荷收集量随像元中心距和衬底掺杂浓度的增大而减少［7］。分析其原因主要在于以下两个方面：

（1）随着像元中心距的增大，电荷收集的范围增大，载流子到达收集管的距离变长，使得电子空穴复合的概率增大，从而使得电荷收集总量减小。

（2）衬底掺杂浓度的大小直接决定载流子的寿命，以N阱光电二极管为例，衬底的掺杂材料为P型，随着掺杂浓度的增大会提供更多空穴，从而导致电子更容易被复合，使得电荷的收集量减少。

3.3 阱深对电荷收集量以及像元串扰的影响

光电二极管作为APS结构的基本单元，其阱深的大小直接影响电荷收集量的多少［8］。本文在前面5×5像元阵列的基础上，选择1×1016cm－3的衬底掺杂浓度，像元中心距为5μm，比较了不同阱深下的电荷收集量以及串扰情况，仿真结果如图5和图6所示［3］。

图5 阱深对电荷收集量的影响Fig.5 the normalized collected charges vs N-well depth

图6 阱深对相邻像元串扰的影响Fig.6 crosstalk vs N-well depth

从曲线中可以看出，阱深的大小与电荷收集量的多少成正比，与像元串扰的大小成反比。究其原因主要在于以下两个方面：

（1）对电荷收集量的影响：随着阱深的增大，使得收集管与衬底的接触面积加大，射线所激发的电荷更容易被收集，减少了与空穴的复合率。

（2）对像元串扰的影响：电荷收集管的阱深越深，则电荷的收集率越高，电荷可以在更短的时间内被收集，减少了其到达相邻像元的概率，从而减小了串扰。

4 结 论

针对COMS工艺APS阵列，为分析衬底掺杂浓度、像元中心距、阱深等参数对其近红外响应的影响。采用DevEdit 3D构建了5×5的模型结构，在1μm近红外条件下，通过Silvaco TCAD仿真了像元串扰及电荷收集量随衬底掺杂浓度、像元中心距、阱深等参数的变化。仿真结果显示电荷收集量随衬底掺杂浓度的增大而减小，随像元中心距以及阱深的增加而增大；像元间串扰随衬底掺杂浓度的增大而增大，随像元中心距以及阱深的增大而减小。以上结论有助于CMOS近红外像元阵列的设计以及工艺的改进。

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Parameters analysis and near-infrared response of CMOS APS array

WANG Qing-xiang，MENG Li-ya，LIU Ze-dong，WANG Cheng
（Key Lab.on Opto-electronic Technique and Systems，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

The 5×5 CMOSarray is designed with Devedit3D.Based on the near-infrared（1μm）from Lnuminous，the effect of center distance，substrate doping and N-well depth on the crosstalk and collected charges is simulated with Silvaco TCAD.The simulation shows that the collected charges increase with the increase of center distance and N-well depth，and it decreaseswith the increase of substrate doping.The crosstalk is inversely proportional to center distance and the well depth，and it is proportional to the substrate doping concentration.Finally the causes of the above effects are theoretically analyzed.

Silvaco TCAD；center distance；N-well depth；substrate doping

TN215

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0172-03

国家自然科学基金项目（No.61071043）；重庆市自然科学基金项目（CSTC，2010BB0075）资助。

王庆祥（1988－），男，硕士研究生，从事固体图像传感器方面的研究工作。E-mail：wqx881208＠163.com

2013-06-27；

2013-07-21