低壓4TPPD有源像素設(shè)計(jì)與測(cè)試（2023年）

低壓4T-PPD有源像素設(shè)計(jì)與測(cè)試（2023年）

低壓4T--DPPD有源像素的設(shè)計(jì)與測(cè)試

CMOS圖像傳感器（CMOSImageSensor，CIS）主要應(yīng)用于智能手機(jī)、安防監(jiān)控及汽車領(lǐng)域，近年來逐步擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）及人工智能（ArtificialIntelligence，AI）領(lǐng)域。IoT及AI設(shè)備通常使用電池供電，一次充電往往需要使用一周甚至數(shù)周，這對(duì)CIS的功耗提出了挑戰(zhàn)，因此開展超低功耗CIS的討論具有重要意義［1-2］。降低功耗最顯著的手段是降低電源電壓，CIS讀出電路的電源電壓受限于像素陣列的電源電壓。四管鉗位光電二極管（FourTransistorsPinnedPhotodiode，4T-PPD）有源像素是當(dāng)今CIS業(yè)界最廣泛采納的像素構(gòu)造，其傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式電源電壓均大于2.8V［3-4］。2023年CHOIJ團(tuán)隊(duì)對(duì)有源像素的時(shí)序進(jìn)展了改良，使得4T-PPD有源像素可以工作在0.9V，但其讀出噪聲高達(dá)83e-rms，動(dòng)態(tài)范圍僅有50dB，只能滿意低品質(zhì)成像［4］。

4T-PPD有源像素設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于光生電荷的轉(zhuǎn)移。在傳統(tǒng)高壓4T-PPD電荷轉(zhuǎn)移特性的討論中，2023年，F(xiàn)OSSUMER采納熱電子放射理論模擬了電荷從PPD到電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)（FloatingDiffusion，F(xiàn)D）的轉(zhuǎn)移［5］；2023年，HANLiqiang等在這一根底上，參加了FD向PPD的反向電荷注入等非抱負(fù)因素［6］；2023年，CAPOCCIAR等在上述根底上參加了熱電子放射勢(shì)壘高度的估算［7］。然而，這些理論均不能完全適用于低壓4T-PPD，這是由于上述理論都假定光生電荷在PPD內(nèi)部是完全轉(zhuǎn)移的，然而，低壓4T-PPD與高壓的最大區(qū)分是

PPD內(nèi)部電荷的不完全轉(zhuǎn)移，當(dāng)電壓下降時(shí)，PPD內(nèi)部遠(yuǎn)離傳輸管的電子缺乏橫向電場(chǎng)，滯留在感光區(qū)域，造成圖像拖尾，從而會(huì)嚴(yán)峻影響成像品質(zhì)。

本文設(shè)計(jì)了低壓4T-PPD有源像素，基于熱集中、自誘導(dǎo)漂移及邊緣場(chǎng)漂移理論，提出了PPD內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制的理論分析，并基于理論分析提出了五指形像素層取代傳統(tǒng)方形像素層，以解決低壓PPD內(nèi)部電荷不完全轉(zhuǎn)移引起的圖像拖尾。

1PPD內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制的理論分析

圖1（a）為4T-PPD有源像素構(gòu)造圖［8］，4TPPD有源像素在3T有源像素的根底上增加了一個(gè)傳輸管MTG和一個(gè)電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)FD，并在光電二極管的外表注入了一層深度很淺，但濃度較高的P+型隔離層，從而形成了PPD光電二極管。P+隔離層能夠隔離光生電子收集區(qū)N區(qū)與硅外表的接觸，從而大大減小了外表態(tài)引起的暗電流。此外，P+隔離層的參加組成了一種P-N-P型的三明治構(gòu)造，使得N區(qū)上下都形成了耗盡區(qū)，當(dāng)PPD復(fù)位時(shí)，N區(qū)兩側(cè)的耗盡區(qū)共同擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)N區(qū)的完全耗盡，這樣不僅有益于電荷收集還能夠消退剩余電荷。因此4T-PPD有源像素是當(dāng)今CIS業(yè)界最廣泛采納的像素構(gòu)造。圖1（a）中虛線標(biāo)識(shí)方向?yàn)楣馍娮右苿?dòng)方向，虛線方向的電勢(shì)分布如圖1（b）所示。與傳統(tǒng)高壓4T-PPD不同，在低壓4T-PPD中，光生電子除正常從PPD向FD轉(zhuǎn)移外，由于傳輸管開啟柵電壓VTG變低，PPD內(nèi)部遠(yuǎn)離傳輸管的光生電子缺乏橫向電場(chǎng)，會(huì)滯留在感光區(qū)域，

形成剩余電荷，造成圖像拖尾，現(xiàn)對(duì)PPD內(nèi)部光生電子從距離傳輸管最遠(yuǎn)端處A點(diǎn)到傳輸管處C點(diǎn)的轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)展理論分析。

圖14T-PPD有源像素構(gòu)造及光生電子移動(dòng)方向的電勢(shì)分布Fig.14T-PPDactivepixelstructureandthepotentialdistributionofthe4T-PPDphotogeneratedelectrons

PPD內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移有3種機(jī)制：熱集中、自誘導(dǎo)漂移、邊緣場(chǎng)漂移［9-11］。熱集中機(jī)理為當(dāng)沒有外加電場(chǎng)時(shí)，載流子由濃度高處向濃度低處集中。如圖1（b）所示，由于C點(diǎn)光生電子不斷向FD點(diǎn)移動(dòng)，從而形成了由A點(diǎn)向C點(diǎn)的電子濃度梯度，電子基于熱集中機(jī)理從A點(diǎn)向C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。由熱集中引起的電流密度為

Jd=DnQn(y,t)y

（1）

式中，Dn為電子集中系數(shù)，將式（1）帶入連續(xù)性方程并求解，可得熱集中時(shí)間常數(shù)d表達(dá)式為

d=4L22DnL22.5Dn

（2）

Dn=nVT

（3）

式中，L為集中長(zhǎng)度，n為電子遷移率，VT為熱電壓。

自誘導(dǎo)漂移機(jī)理為當(dāng)沒有外加電場(chǎng)時(shí)，載流子濃度梯度導(dǎo)致外表勢(shì)梯度，從而形成外表勢(shì)電場(chǎng)，載流子在外表勢(shì)電場(chǎng)作用下進(jìn)展自誘導(dǎo)漂移運(yùn)動(dòng)。如圖1（b）所示，由于C點(diǎn)光生電子不斷向FD點(diǎn)移動(dòng)，從而形成了由A點(diǎn)向C點(diǎn)的電子濃度梯度，導(dǎo)致外表勢(shì)從A點(diǎn)至C點(diǎn)漸漸上升，則電子從A點(diǎn)向C點(diǎn)做自誘導(dǎo)漂移運(yùn)動(dòng)，由自誘導(dǎo)漂移引起的電流密度為

Js=QnnEs

（4）

式中，Es為自誘導(dǎo)漂移電場(chǎng)，Es的表達(dá)式為

Es(y)=?sy=?sQnQny

（5）

?s=?sdd+QnCppd

（6）

式中，?s為PPD內(nèi)部外表勢(shì)，?ssd為空阱外表勢(shì)，Cppd為PPD耗盡區(qū)電容。將式（3）、（5）、（6）帶入式（4），并與式（1）類比，可得自誘導(dǎo)漂移時(shí)間常數(shù)s的表達(dá)式為

s=4L22Dn,sL22.5Dn,s

（7）

Dn,s=QnCppdVTDn=Qn,satCppd1VTQnQn,satDnVpinVTQnQn,satDn

（8）

式中，Dn，s為自誘導(dǎo)漂移等效電子集中系數(shù)，Qn，sat為滿阱電荷量，Vpin為PPD的鉗位電壓。

邊緣場(chǎng)漂移機(jī)理為當(dāng)傳輸管MTG柵電壓VTG為高電平，會(huì)形成從傳輸管到PPD內(nèi)部的邊緣場(chǎng)，光生電子在邊緣場(chǎng)的作用下從A點(diǎn)向C點(diǎn)進(jìn)展邊緣場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)，其沿y方向的邊緣場(chǎng)強(qiáng)大小為［9］

E(y)=23xoxLfVTGLf6.5xoxLfVTGLf

（9）

式中，為SiO2的相對(duì)介電常數(shù)，xox為傳輸管SiO2的厚度，Lf=Lppd-y，Lppd為A點(diǎn)到C點(diǎn)的距離。沿y方向的邊緣場(chǎng)漂移時(shí)間常數(shù)為

f=LfnE(y)

（10）

將式（3）、（9）帶入式（10），可得f及邊緣場(chǎng)漂移等效電子集中系數(shù)Dn，f的表達(dá)式為

f=L2f2.5Dn,f

（11）

Dn,f=2.6xoxLfVTGVTDn

（12）

若VTG=0，則無邊緣場(chǎng)，由式（8）可得：當(dāng)Qn/Qn，satVT/Vpin，Dn，sDn，載流子運(yùn)動(dòng)以熱集中為主；當(dāng)Qn/Qn，satVT/Vpin，Dn，sDn，載流子運(yùn)動(dòng)以自誘導(dǎo)漂移為主。

若VTG0，有邊緣場(chǎng)時(shí)，當(dāng)Qn/Qn，satVT/Vpin，載流子從A運(yùn)動(dòng)到B

以熱集中為主，從B運(yùn)動(dòng)到C以邊緣場(chǎng)漂移為主，因此在B點(diǎn)處，熱集中時(shí)間常數(shù)與邊緣場(chǎng)漂移時(shí)間常數(shù)相等，即d=f，據(jù)式（2）、（11）、（12）可得

L2AB(LppdLAB)3=12.6xoxVTVTG

（13）

若VTG0，有邊緣場(chǎng)時(shí)，當(dāng)Qn/Qn，satVT/Vpin，載流子從A運(yùn)動(dòng)到B以自誘導(dǎo)漂移為主，從B運(yùn)動(dòng)到C以邊緣場(chǎng)漂移為主，因此在B點(diǎn)處，自誘導(dǎo)漂移時(shí)間常數(shù)與邊緣場(chǎng)漂移時(shí)間常數(shù)相等，s=f，據(jù)式（7）、（8）、（11）、（12）可得

L2AB(LppdLAB)3=12.6xoxVpinVTGQnQn,sat

（14）

由于載流子從B運(yùn)動(dòng)到C以邊緣場(chǎng)漂移為主，時(shí)間很短，因此PPD內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間主要取決于載流子從A運(yùn)動(dòng)到B的時(shí)間。在低壓4T-PPD中，令xox=3.515nm、Vpin=0.65V，依據(jù)式（13）、（14）可得LAB與Qn/Qn，sat的關(guān)系如圖2所示。由圖2可得：當(dāng)Qn/Qn，sat4%時(shí)，AB段以熱集中為主；當(dāng)Qn/Qn，sat4%時(shí)，AB段以自誘導(dǎo)漂移為主，且Qn/Qn，sat越大，LAB越長(zhǎng)，即光生電荷越多，則在PPD內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間越長(zhǎng)。由圖2（a）可知，當(dāng)VTG增大，邊緣場(chǎng)掩蓋

范圍增大，則LAB變短；由圖2（b）可知，當(dāng)像素感光區(qū)尺寸Lppd減小，則LAB隨之變短，且LAB隨Lppd變化明顯。

圖2非邊緣場(chǎng)主導(dǎo)區(qū)長(zhǎng)度LAB和PPD內(nèi)光生電荷量與滿阱電荷量之比Qn/Qn，sat的關(guān)系Fig.2RelationshipbetweenthelengthLABofthedistancewithoutfringingfieldandthephotogeneratedchargetothefull-wellchargeQn/Qn，sat

2五指形低壓PPD的設(shè)計(jì)

由上述理論分析可知，為了加速低壓PPD內(nèi)光生電荷的轉(zhuǎn)移，需重點(diǎn)減小非邊緣場(chǎng)主導(dǎo)區(qū)LAB的長(zhǎng)度。由圖2（a）可得，LAB隨VTG增大而減小，為了適應(yīng)IoT及AI等領(lǐng)域?qū)Τ凸腃IS的需求，本設(shè)計(jì)VTG采納低壓1.5V。由圖2（b）可得，LAB隨Lppd減小而明顯減小，因此本設(shè)計(jì)采納2.8m小尺寸像素。傳統(tǒng)2.8m方形像素的PPD幅員如圖3（a）所示，其中紅色為有源區(qū)層，粉色為光電二極管N型（PhotodiodeN，PDN）注入層，藍(lán)色為多晶硅柵層。當(dāng)電壓下降時(shí)，遠(yuǎn)離傳輸管的光生電子缺乏邊緣場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)，會(huì)滯留在像素中，造成圖像的拖尾，從而會(huì)嚴(yán)峻影響成像品質(zhì)。

圖3兩版PPD幅員Fig.3LayoutsoftwoshapedPPDs

由圖2（b）可知，LAB隨Lppd減小而明顯減小，因此為了加快低壓PPD內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移，不轉(zhuǎn)變工藝步驟并滿意條件易于實(shí)現(xiàn)，可以轉(zhuǎn)變光電二極管區(qū)PDN層的外形，以便減小非邊緣場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度。文獻(xiàn)［12-16］的PDN層采納了三角形、W形、梯形、L形，然而這些設(shè)計(jì)裁剪面積較大，只適用于大尺寸像素。對(duì)于小尺寸像素，不能將PDN層裁掉太多，否則會(huì)影響滿阱容量，從而減小動(dòng)態(tài)范圍。因此，像素設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)方形的PDN層改良為五指外形的PDN層，如圖3（b）所示，由于尖端處的場(chǎng)強(qiáng)較弱，因此五指外形不僅可以減小非邊緣場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度，而且可形成從指尖到手掌的電場(chǎng)梯度，從而進(jìn)一步加速了光生電子的轉(zhuǎn)移。詳細(xì)裁剪方法為：傳輸管的中心位置在C點(diǎn)，A點(diǎn)為距離C點(diǎn)最遠(yuǎn)的區(qū)域，因此首先將A點(diǎn)四周的PDN層裁掉；其次，4條箭頭線將90五等分，且每條箭頭線的長(zhǎng)度根本一樣，該設(shè)計(jì)是為了保證每個(gè)區(qū)域的光生電荷運(yùn)動(dòng)到傳輸管處的時(shí)間根本相當(dāng)。五指的角度根本為110，是基于文獻(xiàn)［13］的測(cè)試結(jié)果。最終裁掉的PDN層面積為0.61m2，占總面積4.27m2的14%。

3測(cè)試結(jié)果與分析

本文CIS芯片采納0.11m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流片，有效像素陣列為1

288728，像素類型為低壓4TPPD有源像素，像素尺寸為2.8m2.8m，整體幅員面積為4755m2870m。芯片幅員及封裝后的照片如圖4所示。

圖4芯片幅員及封裝后照片F(xiàn)ig.4Chipphotographandlayout

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的五指形像素特性，本次流片像素有兩個(gè)版本，像素PPD幅員如圖3所示。兩版芯片的光電響應(yīng)曲線測(cè)試結(jié)果如圖5（a）所示，其中VTG=VRST=VSEL=VDD=1.5V，低光照段，改良的五指形像素線性度更好，緣由在于五指形像素不僅減小了非邊緣場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度，而且形成了從指尖到手掌的電場(chǎng)梯度，從而加速光電子轉(zhuǎn)移，削減了剩余電荷；高光照段，由于五指形像素的PDN層裁掉了14%，因此滿阱容量會(huì)有略微下降，但由于CIS只工作于光電響應(yīng)曲線的線性區(qū)域，因此滿阱容量的略微下降并不會(huì)對(duì)CIS造成影響。圖5（b）為兩版芯片剩余電荷曲線測(cè)試結(jié)果比照，剩余電荷測(cè)試時(shí)的光通量與光電響應(yīng)曲線保持全都，可見，傳統(tǒng)方形像素的剩余電荷隨光強(qiáng)的增加漸漸增多，而改良五指形像素的剩余電荷根本不隨光強(qiáng)變化，在最大曝光處，五指形像素的剩余電荷與傳統(tǒng)方形像素相比下降了80%。兩版芯片在60℃下的暗電流測(cè)試結(jié)果如圖6（a）所示，五指形像素及傳統(tǒng)方形像素的暗電流分別為5.01mV/s與5.06mV/s，暗電流根本一樣。

兩版芯片在不同入射光波長(zhǎng)下的量子效率（QuantumEfficiency，QE）測(cè)試結(jié)果如圖6（b）所示，其中五指形像素的峰值QE為38%，而傳統(tǒng)方形像素的峰值QE僅為29%，緣由在于五指形像素減小了剩余電荷，讀出了更多的電子，因此測(cè)試時(shí)QE表現(xiàn)更佳。

圖5兩版芯片光電響應(yīng)曲線及剩余電荷測(cè)試Fig.5MeasuredphotoelectricresponsecurvesandlagcurvesoftwoshapedPPDs

圖6兩版芯片暗電流及量子效率的測(cè)試Fig.6MeasureddarkcurrentsandQEcurvesoftwoshapedPPDs

為了進(jìn)一步減小剩余電荷，增大光生電荷讀出階段傳輸管的開啟時(shí)間。圖7為五指形像素在不同傳輸管開啟時(shí)間下的光電響應(yīng)曲線靈敏度測(cè)試結(jié)果，該測(cè)試結(jié)果說明，低光照段光電響應(yīng)曲線靈敏度隨傳輸管開啟時(shí)間的增加而