【精品論文】背照式像素電學(xué)串?dāng)_及其抑制.doc

精品論文背照式像素電學(xué)串?dāng)_及其抑制徐江濤，孫羽，徐超，姚素英（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院）5摘要：為改善背照式像素電學(xué)串?dāng)_問題，本文建立了小尺寸背面照射像素間的串?dāng)_物理模型， 提出了一種應(yīng)用于背照式像素的防串?dāng)_結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于正面照射像素隔離原理，在相鄰像素間器件層背面插入溝槽隔離區(qū)域。仿真結(jié)果顯示，短波串?dāng)_構(gòu)成了背照式像素中最為嚴(yán)重 的串?dāng)_源；相鄰像素經(jīng)該結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，可有效隔離背表面中短波串?dāng)_電荷；當(dāng)溝槽深為 3m10時，相鄰像素串?dāng)_量可由 32.73%降至 8.76%；當(dāng)溝槽深為 4m 時，相鄰像素可實(shí)現(xiàn)電學(xué)串 擾的完全抑制。此外，量子效率也會因該結(jié)構(gòu)的使用而得到相應(yīng)改善。關(guān)鍵詞：微電子學(xué)與固體電子學(xué)；背照式 cmos 圖像傳感器；電學(xué)串?dāng)_；溝槽隔離；量子 效率中圖分類號：tn4315electrical crosstalk and elimination for 4t back-side illuminated pixelxu jiangtao, sun yu, xu chao, yao suying(school of electronic information engineering, tianjin university)20abstract: in order to tackle the serious electrical crosstalk problems in the backside illuminated(bsi) pixel, a crosstalk physical model based on bsi pixel was established to study low crosstalk optimization method. based on the front-side isolation principles, back-side trench isolation (bti) was proposed. the backside of adjacent pixels was etched and isolated by a trenchisolation region, the lateral diffusion charges could be directly and effectively isolated, decreasing25the shortwaves crosstalk efficiently. simulation results show that the main source of crosstalk comes from the short and middle wavelength. and when the trench groove depth is 3m, the crosstalk could be effectively reduced from 32.73% to 8.76%.and especially when the trench groove depth is 4um, the electrical crosstalk between adjacent pixels could achieve totally elimination. adopting this particular structure could not only eliminate electrical crosstalk but also30improve the quantum efficiency for the small size bsi.key words: microelectronics and solid-state electronics; back-side illuminated cmos image sensor; electrical crosstalk; trench isolation; quantum efficiency;0引言35隨著 cmos 工藝水平的提高，cmos 圖像傳感器 (cis)憑借低功耗、低成本、小體積、 可隨機(jī)讀取等一系列優(yōu)點(diǎn)1，實(shí)現(xiàn)了在平板電腦、智能手機(jī)等消費(fèi)類電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 背面照射技術(shù)是幫助 cis 實(shí)現(xiàn)性能突破的關(guān)鍵因素2。背照圖像傳感器大幅改善了像素單元 的感光能力3，并且對 cis 噪聲有一定的抑制作用。該結(jié)構(gòu)通過將正照結(jié)構(gòu)中器件層與金屬 層整體翻轉(zhuǎn)，將原本阻礙光路的金屬布線層挪至光路另一側(cè)，大幅降低了金屬布線層對光子40的衍射與串?dāng)_4。這些性能的改善使得背照式像素日益成為 cis 中的主流像素結(jié)構(gòu)。因此， 在小尺寸工藝下，開展背照式圖像傳感器研究具有重要意義。但背照式 cis 的發(fā)展受到諸多 因素的限制。像素尺寸的不斷減小使得像素間距離越來越小，造成了串?dāng)_現(xiàn)象更容易發(fā)生5?；痦?xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20100032110031）；國家自然科學(xué)基金（61076024） 作者簡介：徐江濤(1979-)，男，副教授，主要從事圖像傳感器與圖像處理領(lǐng)域芯片設(shè)計(jì)研究 通信聯(lián)系人：姚素英（1947-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事半導(dǎo)體器件和集成電路設(shè)計(jì)研究. e-mail:- 6 -在背照式像素內(nèi)，由于光路改變造成光生電子在中性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散路徑拉長，導(dǎo)致 pn 結(jié)耗盡區(qū)電場對光生電子吸引力減弱，這進(jìn)一步增大了電學(xué)串?dāng)_6。目前針對像素之間的電學(xué)串?dāng)_45優(yōu)化方案，主要包括保護(hù)環(huán)技術(shù)、深 p 阱技術(shù)、淺溝槽隔離技術(shù)與深溝槽隔離技術(shù)等78。 保護(hù)環(huán)主要利用環(huán)體與襯底摻雜濃度的差異，產(chǎn)生由內(nèi)向外的內(nèi)建電場從而限制光生電子的 橫向擴(kuò)散運(yùn)動，但采用保護(hù)環(huán)電極將影響像素的填充因子。溝槽隔離技術(shù)是指用二氧化硅對 器件有源區(qū)進(jìn)行溝槽隔離，以防止鄰近像素間的電學(xué)串?dāng)_9。以上方案雖然成熟，但形成的 結(jié)構(gòu)都是在像素器件層正面進(jìn)行隔離，僅適合載流子激發(fā)較淺的傳統(tǒng)正照式像素。在許多背50照式像素中，光電二極管的電荷收集區(qū)域距離光子入射的背面都存在較遠(yuǎn)的距離，如若仍采 用上述溝槽隔離，將無法起到抑制 bsi 像素中嚴(yán)重的短波串?dāng)_問題。為了優(yōu)化背照式像素的電學(xué)串?dāng)_，從溝槽隔離思想出發(fā)，本文提出了背面溝槽隔離（backside trench isolation, bti）防串?dāng)_二維模型，并使用該模型分析了背照式像素串?dāng)_抑 制效果。針對不同波長的光子因激發(fā)深度不同對串?dāng)_所造成的影響，研究了該 bti 結(jié)構(gòu)在55相同槽深下對不同波長光子的防串?dāng)_效果，最終依據(jù)上述研究給出了實(shí)施方案。1背照式像素中電學(xué)串?dāng)_的產(chǎn)生機(jī)制電學(xué)串?dāng)_的直接原因是光生少子（電子）的橫向擴(kuò)散，與少數(shù)載流子的擴(kuò)散機(jī)制有關(guān)。 圖 1 描述了 ppd 結(jié)構(gòu)的背照式圖像傳感器的切面圖。主像素從像素txrsttx rststip+fdvddstip+fdvddnnpwpwp型外延層p型襯底60光照 hv遮光板圖 1 背照式像素的串?dāng)_原理fig.1 the principle of the crosstalk in backside illuminated pixel當(dāng)光子由背面射入硅后，不同波長的光子會在不同深度產(chǎn)生相應(yīng)的載流子。波長較長的紅光入射較深，其產(chǎn)生的光生電子較 n 埋層的耗盡區(qū)較近則容易被電場收集；波長較短的 藍(lán)光入射深度較淺，其產(chǎn)生的光電子離 n 埋層耗盡區(qū)電場較遠(yuǎn)。大部分電子會依靠擴(kuò)散運(yùn)65動向耗盡區(qū)漂移最終進(jìn)入“正確的”光電二極管內(nèi)，但還有一部分電子會以擴(kuò)散電流的方式 從襯底深處進(jìn)入鄰近像素，構(gòu)成串?dāng)_。為對串?dāng)_機(jī)制進(jìn)行定性分析，此處對光電二極管進(jìn)行建模分析10-11。圖 2(a)為 ppd 型 p+/n-well/p 襯底結(jié)構(gòu)示意圖，圖 2(b)是對應(yīng)其 n-well/p 襯底結(jié)耗盡區(qū)一維放大結(jié)構(gòu)。假設(shè) 一秒內(nèi)入射半導(dǎo)體單位面積的光子數(shù)為 p（即光通量），該光子在硅中的吸收系數(shù)為 ()，70那么在入射方向上的光子數(shù)滿足以下關(guān)系式：0p（x）=p e-a x （1）光生載流子的產(chǎn)生率 g 可通過光通量求導(dǎo)得到：0g(x) = p (x) = a p e-a x（2）深度p+x1j1x2x2n-wellx3x3j2x4x4p襯底空穴 電子n-well耗盡區(qū)p襯底75(a) p+/n-well/p 襯底背照式光電二極管模型(b)耗盡區(qū)一維放大圖(a) the model of p+/n-well/p sub bsi photodiode(b) depletion region with enlarged scale圖 2 p+/n-well/p 襯底背照式光電二極管模型及耗盡區(qū)一維放大圖fig.2 the model of p+/n-well/p sub bsi photodiode and its depletion region with enlarged scale80光電二極管光電流主要包括12：a)漂移電流，即光在 n-well/p 襯底組成的耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生 了電子-空穴對被耗盡區(qū)強(qiáng)電場分離后產(chǎn)生的光電流 idr。b)在 n-well 中性區(qū)產(chǎn)生的光生少子（空穴）通過擴(kuò)散運(yùn)動到達(dá)耗盡區(qū)上表面并被耗盡區(qū)收集的光電流 idiff 1；c)在 p 襯底中性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子通過擴(kuò)散運(yùn)動到達(dá)耗盡區(qū)下表面并被耗盡區(qū)收集的光電流 idiff 2，即i photo = i dr + i diff 1 + i diff 2 （3）85其中漂移電流 idr 可由產(chǎn)生率的積分得到：x 4idr = q g(x)dx （4）x3該部分主要由入射深度較深的波段光子產(chǎn)生，當(dāng)其被耗盡區(qū)強(qiáng)電場掃去耗盡區(qū)收集后，不會再作為自由移動的電子構(gòu)成串?dāng)_因素。在 nwell/p 襯底光電二極管的 nwell 中性區(qū)激發(fā) 的 idiff 1 因其激發(fā)區(qū)域也已經(jīng)在耗盡區(qū)上側(cè)，在其向下運(yùn)動串?dāng)_至鄰近像素光電二極管過程90中，會率先被 n 埋層俘獲，因此也不易成為構(gòu)成電學(xué)串?dāng)_。在背照式像素中，最可能發(fā)生串?dāng)_的是在襯底深處，并通過擴(kuò)散運(yùn)動向耗盡區(qū)靠近漂移的 idiff 2，該電子擴(kuò)散電流大小為：j diff 2= qdnnp ( x)x|x=x 4（5）其中 dn 是電子在 p 襯底的擴(kuò)散系數(shù)，np 是 p 襯底的光生過量電子少子濃度。為求解該擴(kuò)散電流，需要先求解 np 并代回公式（5），其中 np 的求解需要知道電子在襯底中性區(qū)內(nèi)95的電子連續(xù)性方程公式(6) 2 ndp( x)+ g( x) = 0 （6）nx2而由兩個邊界條件 x=x4 和 x=可知，在 x=x4 耗盡區(qū)邊界處器件的偏壓為 0 時，np(x4)=0；在 x=的 p 型襯底處，因?yàn)樯僮与娮拥臐舛葹?0，所以 np()=0，求解得：n ( x) = f01 - x (1 - e-a x4 ) - e-a x（7）p a dn x4 100將上式代入（5）即得擴(kuò)散電流：j = qf0 (1 - (a x4diff 2 a x 4+ 1)e-a x 4 ) （8）105由上述公式推導(dǎo)可知，在背照式像素中最可能在襯底深處發(fā)生串?dāng)_、并通過擴(kuò)散運(yùn)動向耗盡區(qū)靠近漂移的 idiff 2，串?dāng)_的嚴(yán)重程度一方面與入射光通量成正比；另一方面，隨著 cmos 工藝下 pn 結(jié)結(jié)深變淺，將有更大的光電流造成相鄰像素間的電學(xué)串?dāng)_。這些不利因素，都 將增大小尺寸背照式像素中的串?dāng)_。2基于背面溝槽隔離的 bti 防串?dāng)_模型圖 3 為采用了背面溝槽隔離（back tench isolation, bti）的器件原理圖。主像素 從像素txrsttx rststip+fdvddstip+fdvddnnpwpwp型外延層p型襯底pw背面溝槽隔離光照 hv遮光板110115120圖 3 采用 bti 溝槽隔離的器件仿真結(jié)構(gòu)fig.3 the structure of the pixel model adopting the backside trench isolation圖 3 與圖 1 模型的相同之處是：1）均包括兩個像素，其中左像素為主像素，右側(cè)為從像素。2）每個像素均由四管有源像素構(gòu)成，包括鉗位光電二極管、傳輸管、復(fù)位管、源級 跟隨器及行選通管，并包括 tx，fd, rst，vdd、p 型襯底等 5 個電極。3）光照模型相同， 均只對主像素曝光，從像素為暗像素用來分析串?dāng)_。在圖 1 所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，兩個像素之 間僅采用傳統(tǒng)正面淺溝槽隔離。標(biāo)記該器件為 0，用來分析傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中嚴(yán)重的電荷串?dāng)_。圖3 與圖 1 的不同之處在于主像素和從像素背面之間插入了 bti 溝槽隔離區(qū)域，并用 p+隔離 阱將溝槽進(jìn)行包埋。在圖 3 中，入射的光子仍從像素背面通過窗口射入主像素，一部分電子 可被主像素正常收集，而一部分電子卻在擴(kuò)散過程中受到背面溝槽隔離的阻擋，被 p+隔離 阱的高勢壘反彈回主像素 ppd 內(nèi)成為信號電荷正常收集，從而減弱串?dāng)_。3器件仿真對器件進(jìn)行建模后，使用有限元分析軟件 tcad 對器件進(jìn)行分析。分別包括使用 sprocess 進(jìn)行工藝仿真生成相應(yīng)器件結(jié)構(gòu)，使用 sde 為器件添加電極設(shè)置網(wǎng)格，并通過 sdevice 對器件加工作電壓與光照條件進(jìn)行器件仿真。125130在仿真中，為進(jìn)行該 bti 結(jié)構(gòu)的功能性驗(yàn)證，首先對比仿真了無 bti 結(jié)構(gòu)的器件 0 的電荷串?dāng)_。然后對器件 0 在不同波長下的串?dāng)_進(jìn)行了研究。接著分析了 2m 的槽深結(jié)構(gòu)對 上述電學(xué)串?dāng)_的抑制效果。最后，在模型中仿真了槽深分別為 1m/2m/3m/4m 的結(jié)構(gòu)， 以衡量不同溝槽隔離深度對串?dāng)_的屏蔽作用，并將其分別定義為器件 1/2/3/4。3.1 器件結(jié)構(gòu)參數(shù)該仿真中的所有器件模型都基于 0.18m cmos 工藝，對與工藝直接相關(guān)的諸如多晶硅 柵厚度、柵氧厚度都沿用了標(biāo)準(zhǔn) cmos 工藝所要求的規(guī)則，對于形成光電二極管及傳輸柵 tx 等敏感區(qū)域，基于標(biāo)準(zhǔn) cis 工藝進(jìn)行了優(yōu)化。具體工藝參數(shù)如表 1 所示。表 1 bti 器件模型仿真參數(shù)表table 1 the parameters of the simulated model器件模型參數(shù)器件 0器件 1器件 2器件 3器件 4像素尺寸（m）3.93.9ppd 尺寸（m）22222硅體厚度(m)66666柵氧厚度（nm）66666柵長（nm）55555多晶硅柵極厚度（nm）200200200200200bti 深度（m）1234包埋 bti 的 p 阱深度(cm-3)4.5包埋 bti 的 p 阱濃度(cm-3)1.00e+181.00e+181.00e+181.00e+18包埋正面 sti 的 p 阱濃度(cm-3)1.00e+201.00e+201.00e+201.00e+201.00e+20p 襯底濃度(cm-3)1.00e+151.00e+151.00e+151.00e+151.00e+15多晶硅柵摻雜濃度(cm-3)4.00e+194.00e+194.00e+194.00e+194.00e+19ppd 之 p+鉗位層濃度(cm-3)4.60e+184.60e+184.60e+184.60e+184.60e+18ppd 之 n 埋層濃度(cm-3)1.00e+161.00e+161.00e+161.00e+161.00e+16柵極電壓（v） 輸入條件的設(shè)定135140145（1）電壓條件：在器件模型中，分別對各電極進(jìn)行上電。柵壓，復(fù)位管電壓及電源都選擇3.3v，而 p 型襯底接 0v。在器件 15 中，主像素與從像素的柵壓、時序需保持一致。（2）光照條件：光照模型需分別定義光照波長、光強(qiáng)、入射面及曝光時間等。在仿真中采 用 rgb 三色光對器件 05 中的串?dāng)_進(jìn)行仿真，所以波長分別設(shè)為 750nm，555nm，450nm。 在 sdevice 的 optbeam 光照模型中用“waveint”語句定義光照強(qiáng)度，其意義是單位時間內(nèi) 入射到單位面積的光子個數(shù)，相應(yīng)的具體數(shù)值為 5.78e15/cm2s；通過“semsurf”語句來定義 入射光的入射面，在背照式結(jié)構(gòu)的仿真中光子是從器件背面射入主像素中,即 semsurf=2；還 要根據(jù)“wavetime”語句定義曝光時間，曝光由像素復(fù)位后的 1310ns 開始，共持續(xù) 5000ns。3.3 輸出條件的設(shè)定 該仿真研究對象主要是采用背面溝槽隔離改進(jìn)前后的像素結(jié)構(gòu)中，光生載流子在產(chǎn)生、輸運(yùn)和分布的情況下的串?dāng)_，輸出變量包括：信號電子在光照后的瞬態(tài)特性，主像素收集的信號電荷量和從像素單元收集的串?dāng)_電荷量等。4仿真結(jié)果與分析4.1 生成的器件結(jié)構(gòu)在仿真中生成的像素結(jié)構(gòu)分別是傳統(tǒng)背照式像素器件 0（該像素作為串?dāng)_對比組），及150由背面形成槽深為 1m/2m/3m/4m 的 bti 器件 14，仿真生成的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。-5-4-3-2-10123 #042 46-5-4-3-2-1-5-4-3-2-10123 #142 4 60123 #142 4 6-5-4-3-2-10123 #242 4 6(a) 傳統(tǒng)背照式像素器件(b) 槽深 1um 的 bti 器件(c) 槽深 2um 的 bit 器件(a) conventional bti structure(b) bti with 1um trench depth(c) bti with 2um trench depth-5-4-3-2-10123#34-5-4-3-2-10123 #442462 4 6155160(d)槽深 3um 的 bti 器件(e)槽深 4um 的 bti 器件(d) bti with 3um trench depth(e) bti with 4um trench depth圖 4 不同溝槽深度下的 bti 結(jié)構(gòu)fig.4 bti structure with different trench depth4.2 無 bti 結(jié)構(gòu)中嚴(yán)重的短波串?dāng)_-4-3-2um -1 y 0120 2 4 6 8xum為對比 bti 使用前后效果，首先使用 tcad 對沒有采用 bti 技術(shù)的器件 0 進(jìn)行仿真， 其電子流密度隨時間變化的瞬態(tài)如圖 5 所示。-4-3yum-2-101202468xum-4-3yum-2-10120 2 4 6 8xum165(a) 無光照(b) 曝光后 0s(c) 曝光后 1ps(a) no exposure(b) 0s after exposure(c) 1ps after exposure-4-3-2yum-101202468xum-4-3-2-1yum01202468xum-4-3yum-2-10120 2 4 6 8xum(d) 曝光后 3ps(e) 曝光后 10ps(f) 曝光后 30ps(d) 3ps after exposure(e) 10ps after exposure(f) 30ps after exposure- 7 -170-4-3yum-2-10120 2 4 6 8xum-4-3yum-2-10120 2 4 6 8xum-4-3yum-2-10120 2 4 6 8xum175180185190195(g) 300ps after exposure(h) 1ns after exposure(i) 2ns after exposure(g) 光照后 300ps(h) 光照后 1ns(i) 光照后 2ns圖 5 不加 bti 的器件 0，光照后主從像素間嚴(yán)重的瞬態(tài)串?dāng)_fig.5 the serious transient crosstalk happened in the non-bti device model從圖 5 可以看到，光子從主像素背面入射后，沿入射軌跡產(chǎn)生大量光生電子。在 10ps之前，大多數(shù)電子通過漂移運(yùn)動能夠正確的被主像素 ppd 收集，但從光照后的 30ps 開始， 大量電子開始發(fā)生較為嚴(yán)重的橫向擴(kuò)散，通過襯底深處擴(kuò)散至相鄰像素單元，發(fā)生電學(xué)串?dāng)_。 當(dāng)曝光 1ns 以上時，串?dāng)_進(jìn)入從像素中的電子流密度趨于穩(wěn)定，從像素中充滿了串?dāng)_產(chǎn)生的 電子。仿真結(jié)果證實(shí)，在沒有采用背面溝槽隔離的器件 0 中會發(fā)生嚴(yán)重的電學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象。為 確定波長對 bsi 像素中串?dāng)_的影響，定量地研究了不同波長下器件 0 的串?dāng)_。設(shè)定光照波長 從 450nm 至 800nm 的長波段，以 50nm 步長幅度遞進(jìn)，在相同的光通量下對器件 0 主像素 區(qū)進(jìn)行 1000ns 曝光。其中，串?dāng)_程度是通過測量鄰近像素 ppd2 收集的串?dāng)_電荷占 ppd1 與 ppd2 總電荷總量百分比衡量。而每個像素的光電收集區(qū)則通過 sdevice 中的 currentplot 語句分別定義，其中主像素 ppd1 收集區(qū)域?yàn)閤min=0.9m, xmax=3.1m, ymin=-3.95m, ymax=-3.33m ，從像素 ppd2 收集區(qū)域?yàn)閤min=6.0m, xmax=8.2m, ymin=-3.95m, ymax=-3.33m（該區(qū)域以外的信號電荷量可以忽略不計(jì)）。仿真結(jié)果如圖 6 所示，當(dāng)器件0 的主像素受到不同波長光照后，從像素 ppd2 都受到了較為嚴(yán)重的電荷串?dāng)_影響。不同的 是，器件受短波藍(lán)光輻照后串?dāng)_更為嚴(yán)重，串?dāng)_百分比高達(dá) 32.73%。這是因?yàn)榧t光激發(fā)區(qū) 域更深且這些電子受到傳統(tǒng)正面 sti 結(jié)構(gòu)的阻擋，對從像素的串?dāng)_比藍(lán)光影響更?。欢鴮τ?短波段的光生電子而言，其激發(fā)區(qū)域較淺，激發(fā)后的電子即在背面附近發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動，使短 波段構(gòu)成了串?dāng)_的主要源頭。圖 6 不同波長下鄰近像素受串?dāng)_影響程度fig.6 the crosstalk which happened in adjacent pixel at different wavelength4.3 基于 bti 隔離的防串?dāng)_效果雖然器件 0 中采用了傳統(tǒng)的正面 sti 隔離技術(shù)，但可以看出正面 sti 技術(shù)對背照式像素- 11 -200中的串?dāng)_抑制作用微乎其微?；诖?，本節(jié)提出了在器件層背面形成背面溝槽隔離的 bti技術(shù)。為了衡量 bti 結(jié)構(gòu)對串?dāng)_抑制的效果，此處根據(jù)主從像素交接處的縱向結(jié)構(gòu)，設(shè)置bti 背面槽深為 2m 來考察效果。因?yàn)?2m 介于完全隔離（即槽深為 4m）和完全不隔離（即槽深為 0）之間，用這種結(jié)構(gòu)能更合理衡量 bti 的防串?dāng)_效果。圖 7 給出了采用 2m 槽深的 bti 串?dāng)_抑制效果對比。通過對比可以看出，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)在全波段下對像素之間的 串?dāng)_產(chǎn)生了有效抑制。其中紅光的串?dāng)_下降了 8.18%，而藍(lán)光的串?dāng)_下降達(dá)到了 13.25%， 可見 bti 結(jié)構(gòu)對短波串?dāng)_起到了非常明顯的抑制效果。串?dāng)_/%13.25%8.18%450nm 750nm波長/ nm205210圖 7 2 m bti 槽深的串?dāng)_抑制效果fig.7 crosstalk reduction effect of 2m bti structure model另一方面，bti 結(jié)構(gòu)的使用不僅達(dá)到了短波串?dāng)_抑制的效果，同時還改善了相應(yīng)波長的 量子效率。圖 8 顯示了采用 bti 結(jié)構(gòu)后，像素在不同波段下 qe 的提升?？梢钥闯?，量子效 率在各個波長下均有顯著提高，尤其在短波下改善最為明顯，高達(dá) 13.43%，這部分量子效 率的提升源自串?dāng)_電荷受背面 bti 高勢壘反彈的重新收集。這證明 bti 結(jié)構(gòu)的使用也有助 于改善背照式像素的短波響應(yīng)。無bti/%13.43%215/nm圖 8 bti 結(jié)構(gòu)對量子效率的改善fig.8 the improvement of quantum efficiency after adopting bti structure4.4 bti 隔離的最佳實(shí)施方式通過上文可知，2m 的 bti 槽深抑制串?dāng)_效果較為明顯。為了明確 bti 槽深為多少才220225230能對全波段的電學(xué)串?dāng)_均起到最為顯著的抑制效果，對比考察了槽深為 1m/2m/3m/4m的 bti 結(jié)構(gòu)對整個波長的防串?dāng)_效果。其中當(dāng)槽深為 4m 時，其物理深度幾乎可以實(shí)現(xiàn)與 正面 sti 及 p 阱隔離的縱向銜接。圖 9 是四種槽深分別在高光強(qiáng)下曝光 300ps 后的瞬態(tài)串?dāng)_ 圖，可看出槽深為 3m 與 4m 時，其串?dāng)_抑制效果明顯好于前兩種結(jié)構(gòu)。為定量分析，通 過積分不同槽深模型下 ppd2 中串?dāng)_電荷量得到表 2，由表可知，串?dāng)_程度隨槽深的增加而 較少，當(dāng)槽深達(dá)到 3m 以上時，相鄰像素的串?dāng)_百分比可由當(dāng)初的 32.73%降至 10%以下。(a)bti 深度 1um(b) bti 深度 2um(a)bti depth is 1um(b) bti depth is 2um(c)bti 深度 3um(d) bti 深度 4um(c)bti depth is 3um(d) bti depth is 4um圖 9 不同 bti 深度下的防串?dāng)_瞬態(tài)fig.9 the transient crosstalk after adopting different bti depth表 2 不同槽深下 ppd2 信號串?dāng)_百分比table 2 the crosstalk percentage in ppd2 at different groove depthbti 槽深波長（nm）1m2m3m4m45026.70%19.48%8.76%0.19%50026.41%19.28%8.67%0.18%55025.15%18.42%8.35%0.18%60022.90%16.89%7.67%0.17%65020.58%15.25%6.95%0.16%70019.41%14.43%6.54%0.15%75018.24%13.57%6.19%0.14%80017.48%13.01%5.91%0.13%235圖 10 隨 bti 槽深每增加 1 微米對串?dāng)_抑制的改良幅度fig.10 the contribution of every 1 um to the improvement of the crosstalks reduction240245250255260265270圖 10 描述了槽深每增加 1m 對串?dāng)_抑制的改善幅度。通過此表可以看出，當(dāng)槽深以 1m步長遞進(jìn)的過程中，當(dāng)且僅當(dāng)槽深從 2m 增至 3m 的過程中，增加的 1m 對串?dāng)_改良幅度 最大，達(dá)到 10.72%。這說明，在器件內(nèi)擴(kuò)散的所有電荷中，絕大部分發(fā)生串?dāng)_的電荷產(chǎn)生 于器件層背面 2m 到 3m 的深度處。因此在設(shè)計(jì) bti 槽深時，應(yīng)至少把溝槽深度設(shè)定為 3m， 才能達(dá)到顯著的防串?dāng)_效果。在設(shè)計(jì)一些對電荷較為敏感、會對電荷進(jìn)行累加 cis 時（如時 間延遲積分型圖像傳感器），應(yīng)該采用更深的溝槽對主從像素進(jìn)行完全隔離。通過表 2 可知， 采用 4m 槽深后，鄰近像素串?dāng)_抑制效果可達(dá) 99.8%以上，可以對相鄰像素在全波段下的 電學(xué)串?dāng)_起到最為有效地隔離效果。5 結(jié)論本文為研究了背照式像素中嚴(yán)重的串?dāng)_問題，基于 tcad 軟件建立了小尺寸背照式像 素串?dāng)_模型，仿真結(jié)果顯示，短波串?dāng)_構(gòu)成了背照式像素中最為嚴(yán)重的電學(xué)串?dāng)_。本文提出 了一種背面溝槽隔離防串?dāng)_結(jié)構(gòu)，同時研究了 bti 結(jié)構(gòu)對短波下的電學(xué)串?dāng)_抑制效果，并 針對襯底厚度為 6m 的像素器件結(jié)構(gòu)給出該結(jié)構(gòu)的最佳實(shí)施方案。研究結(jié)構(gòu)表明，經(jīng)優(yōu)化 后的像素結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)全波段下電學(xué)串?dāng)_的有效抑制，同時量子效率得到相應(yīng)改善。參考文獻(xiàn) (references)1 m. bigas, e. cabruja. j. forest, et al. review of cmos image sensorsj, microelectronics journal, 2006,37(5).433-451.2 ray fontaine, a review of the 1.4um pixel generationa, ray fontaine,.2011 international image sensorsworkshopc, japan,.hokkaido, 2011.3 h.wakabayashi, k. yamaguchi, et al. a 1/2.3-inch 10.3mpixel 50 frame/s back-illuminated cmos imagesensora. h.wakabayashi, 2010 ieee 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