CMOS感光二極體之載子擴(kuò)散測試

1、CMOS感光二極體之載子擴(kuò)散測試Testing of carriers diffusion for the CMOS photodiodeIC 編號：D35-92b-18t指導(dǎo)教授：陳自強(qiáng) 中正大學(xué)電機(jī)系教授電話：(05)2720411-33207 傳真：05-2720862 E-mail：.tw設(shè)計(jì)者：李威龍 中正大學(xué)通訊所研二生 電話：0918041433傳真：05-2720862 E-mail：.tw一、 摘要(中英文)CMOS影像感測器雖擁有低功率消耗和製作方便等優(yōu)點(diǎn)，但影像品質(zhì)一直無法超越CCD，其中的一個

2、原因是因?yàn)樗哂休^高的串音效應(yīng)，我們通常是在感測器隔離環(huán)來降低串音效應(yīng)。這次的晶片量測重點(diǎn)在於探討，隔離環(huán)配置的密度與串音效應(yīng)的關(guān)係。Abstract： CMOS image sensors have many advantages like low power consumption and easy fabrication , but its image quality is still inferior to CCD, one of the reasons is its higher crosstalk effect, we usually place guard-rings in th

3、e neighborhood of sensors to reduce crosstalk effect. In this project, We discuss the relationship between crosstalk effect and the placement densities of guard-rings. Keywords:CMOS image sensor, CCD, crosstalk effect, guardring. 二、 計(jì)劃緣由與目的 CMOS影像感測器雖擁有低功率只能攻佔(zhàn)影像攝像器的中低市場，這是由於它的影像品質(zhì)一直無法超越CCD的緣故。影響影像品質(zhì)

4、的其中一個原因就是串音效應(yīng)，串音效應(yīng)越嚴(yán)重，影像的失真也越嚴(yán)重。串音效應(yīng)是指鄰近的像素互相干擾的現(xiàn)象，換句話說，某個感測器的響應(yīng)不只與本身像素所接受的入射光有關(guān)，也與鄰近的像素有關(guān)，當(dāng)光子打入感測器後產(chǎn)生載子，載子再經(jīng)由擴(kuò)散至鄰近的感測器，並且被鄰近的感測器所收集吸收，這就形成了串音效應(yīng)。要減少串音效應(yīng)一般來說是在像素周圍使用隔離環(huán)包圍，來阻絕載子的擴(kuò)散，因此研究guard ring的擺設(shè)對串音效應(yīng)的影響，以了解guard ring對載子擴(kuò)散的影響以求得可有效減少串音效應(yīng)與小面積特性的guard ring，對未來的研究中將有助於CMOS光電二極體特性的提昇。三、研究方法與成果3.1設(shè)計(jì)原理與方

5、法本次下線是採用Nwell-psub的photodiode配合P-diffusion 隔離環(huán)作為量測的目標(biāo)，量測晶片的隔離環(huán)佈局方式有三種，如圖1所示。圖1(a)所示為為一3x3的CMOS photodiode矩陣，矩陣中央像素(圖示為黃色之像素)為照光像素，作為感光用，而矩陣周圍的其他8個像素則為感應(yīng)串音電流像素並不照射光線。3.2電路架構(gòu)圖1(a)顯示陣列像素使用一單邊隔離環(huán)，即在像素的一邊使用P-diffusion作為隔離環(huán)，而圖1(b)則是在像素陣列的四邊街使用隔離環(huán)的情況；圖1(c)顯示每一個像素的周圍皆有隔離環(huán)包圍的情況。放置隔離環(huán)的密度以圖1(c)最高，圖1(a)為最低。3.3模

6、擬串音電流的大小與像素間的距離有關(guān)，距離越近串音電流越大，除此之外，有無隔離環(huán)也會影響串音電流的大小，隔離環(huán)會阻止載子的擴(kuò)散，減少串音電流，原因是因?yàn)槠珘合碌母綦x環(huán)會使得隔離環(huán)與photodiode間的空乏區(qū)的能障增加，使得載子需要較大的能量才能通過空乏區(qū)而擴(kuò)散出去，因此使用的隔離環(huán)密度越高，串音效應(yīng)越低。3.4佈局佈局共分為3組不同的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的方式採用如圖2的3X3陣列，陣列的中心像素照光，其餘8顆像素以金屬層遮蔽不照光以感應(yīng)中心像素的擴(kuò)散電流。3.5測試串音效應(yīng)的量測，是各別將3組陣列外圍的8顆像素的感應(yīng)電流平均後除以中心感光像素取得。四、預(yù)計(jì)規(guī)格與實(shí)測結(jié)果我們預(yù)計(jì)放置環(huán)離環(huán)的密度越高，

7、則串音效應(yīng)越低。圖3為量測的結(jié)果，結(jié)果顯示如預(yù)測一般，完全包圍隔離環(huán)的串音效應(yīng)最低，而單邊隔離環(huán)的串音效應(yīng)最高。五、結(jié)論與討論結(jié)果顯示隔離環(huán)的配置密度越高，串音效應(yīng)值越低，因此在未來的佈局設(shè)計(jì)中，採取完全分佈型的隔離環(huán)配置方法是較佳的。六、參考文獻(xiàn)1 R.I.Hornsey, Fabrication Technology and pixel Design, University of Waterloo,19982 Igor Shcherback et al. ,”Photoresponse Analysis and Pixel Shape Optimization for CMOS Activ

8、e Pixel Sensors”,IEEE TRANSACTIONS ON ELETRON DEVICES,VOL.50,NO.1,JANUARY 20033 Igor Shcherback et al. ,”CMOS APS MTF Modeling”, IEEE TRANSACTIONS ON ELETRON DEVICES,VOL.48,NO. 12,DECEMBER 2001七、圖表(a)(b)(c)圖1、佈局方式(a)單邊隔離環(huán) (b)外部包圍隔離 (c)完全分佈隔離環(huán)圖2、3x3像素陣列示意圖圖3、串音效應(yīng)值量測結(jié)果* Chip Features CAD Tools * CKT name : CMOS感光二極體之載子擴(kuò)散測試(設(shè)計(jì)名稱)HSPICETechnology : 0.35um CMOS 2P4M (使用製程) OPUSPackage :無(包裝種類)Chip Size :1.08 x