4T有源像素圖像拖影消除的工藝模擬與器件仿真.pdf

1、CMOS圖像傳感器是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展非常迅速的一個(gè)重要分支。隨著CMOS工藝的不斷進(jìn)步,CMOS圖像傳感器的性能不斷增強(qiáng),具備了與CCD圖像傳感器競爭的實(shí)力,被廣泛應(yīng)用到數(shù)碼電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)監(jiān)控等社會生活和工業(yè)生產(chǎn)的方方面面,市場前景廣闊。
　　 作為當(dāng)前CMOS圖像傳感器的主流像素結(jié)構(gòu)-四管有源像素(又稱鉗位二極管像素),很好的抑制了像素的表面暗電流和復(fù)位噪聲,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的相關(guān)雙采樣,對于設(shè)計(jì)高性能、低噪聲CMOS

2、圖像傳感器具有重要意義。然而,由于CMOS圖像傳感器的工作電壓在2.5V～3.3V之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CCD圖像傳感器,加之實(shí)際像素制造過程中一些非理想效應(yīng)如摻雜分布不均勻、晶體缺陷或污染等問題造成的陷阱能級以及電勢偏差(下陷或勢壘),因此光生信號電荷從鉗位二極管區(qū)(PPD)向存儲節(jié)點(diǎn)區(qū)(FD)傳輸?shù)倪^程中容易發(fā)生不完全電荷傳輸,滯留在PD區(qū)的殘余電荷就會產(chǎn)生圖像拖影。因此,在當(dāng)前的CMOS工藝條件下,如何設(shè)計(jì)像素結(jié)構(gòu)來消除CMOS圖像傳感器

3、中的圖像拖影就顯得非常重要。
　　 本文利用工藝／器件仿真工具ISE-TCAD,研究了四管CMOS圖像傳感器像素中的圖像拖影,對其中的信號電荷傳輸過程進(jìn)行了建模,并從工藝角度對圖像拖影進(jìn)行了優(yōu)化。首先,通過對四管CMOS圖像傳感器像素噪聲的分析與研究,借助于鉗位光電二極管、傳輸管與存儲節(jié)點(diǎn)間的勢阱結(jié)構(gòu)變化,給出了一種測試鉗位二極管夾斷電壓(Pinch-off voltage)的方法,實(shí)驗(yàn)測得的夾斷電壓值對于如何設(shè)計(jì)PPD結(jié)構(gòu)以提

4、高電荷傳輸效率具有重要意義。接著論文從工藝仿真角度出發(fā),從包括傳輸柵(TG)溝道閾值電壓注入調(diào)整,鉗位光電二極管(PPD)N型雜質(zhì)的注入劑量和注入角度調(diào)整,以及確保信號電荷轉(zhuǎn)移的傳輸門電壓幾個(gè)方面分別對圖像拖影進(jìn)行了仿真優(yōu)化,并最終設(shè)計(jì)了一個(gè)較優(yōu)的pinned像素電荷傳輸單元(PPD、TG和FD),得到了該傳輸單元的最優(yōu)工藝狀態(tài)及工作條件:傳輸柵溝道注入劑量7.0e+12 cm-2,光電二極管N型雜質(zhì)注入劑量3.0e+12 cm-2,注