CCD縱向抗暈結構設計與優化

摘 要:為了抑制CCD圖像傳感器在強光照射時出現光暈和彌散現象，建立了CCD縱向抗暈結構模型，運用半導體器件數值模擬軟件MEDICI，對建立的縱向抗暈CCD器件結構進行數值計算。結果表明:1PW層雜質濃度越低，電勢越高，則電子勢壘越低，則導入襯底的過量載流子越多，對應的抗暈能力越強。得到了CCD縱向抗暈結構的一種優化結構。關鍵詞:CCD; 光暈; 縱向抗暈; 器件仿真

中圖分類號:TN915.43-34; TP212 文獻標識碼:A 文章編號:1004-373X(2010)16-0172-03

Design and Optimization of CCD Image Sensor with Vertical Anti-blooming Structure

WU Li-fan

(Xi’an University of Post Telecommunications， Xi’an 710121，China)

Abstract:A model of CCD vertical anti-blooming structure is proposed to eliminate blooming and smear of CCD image sensor in bright light. MEDICI is a semiconductor device numerical simulation software which can be used to compute the value of established CCD vertical anti-blooming structure. Results show that anti-blooming has an increased performance， because that the electronic potential barrier is lower and the more excess carriers are imported into the substrate following the declining of the 1PW impurity concentration. An optimum structure is obtained.

Keywords: CCD;blooming; vertical anti-blooming; device simulation

0 引 言

近年來，CCD固體圖像傳感器已被廣泛應用于軍事、天文物理、工業檢測和監控及醫學診斷等領域，CCD攝像器件攝取的目標圖像，光強從月光到日光，且變化的動態范圍大，這就要求CCD既有高靈敏度響應，又要在日照強光下攝取的圖像清晰。但是，CCD攝像器件在強光照射時會出現光暈(blooming)和拖影(smear)現象，而對于固體攝像器件，這些現象會嚴重影響到CCD的成像質量和清晰度，這就要求CCD在強光照時具有抗暈能力。

光暈就是圖像中存在亮點，在顯示屏上出現一個白色區域向周圍擴展，從而出現柱狀或線狀白道的現象，這種現象如圖1所示。就CCD攝像器件而言，當強光照時，積分期結束前，光敏單元的勢阱已是滿阱，即達到飽和狀態，這時強光照而產生的過量電子，因超過信號處理能力就要溢出到鄰近勢阱，這時圖像中出現一個白色區域向周圍擴散。本文對CCD縱向抗暈結構，運用半導體器件二維數值模擬軟件MEDICI進行數值模擬計算，對不同參數的縱向抗暈數值運算模型進行了比較和分析，得到了此結構下工藝參數的初步優化結果。

圖1 有光暈現象的圖片

1 CCD縱向抗暈結構的機理

圖2可以用來說明CCD攝像器件的光暈縱向控制原理[1-5]。如前面所述，當V-CCD的驅動脈沖為高電平VH時，P-N結光電二極管的光生信號電荷被轉移到V-CCD中。這時，光電二極管的電位與TG區的溝道電位ΦTGH相同，在電勢曲線被標為“空”。接著，隨著光電二極管中光生信號電荷的產生，二極管電勢也隨著相應減小。 當光照強時，二極管電勢將到圖中的“滿”狀態。一旦到達“滿”狀態，則二極管電勢曲線就被固定達到飽和水平，因為這時過量的電荷就被導入襯底。通常可以通過調節偏壓Vsub，使得二極管下1PW層電勢總是比TG部分電勢ΦTGM要高，這樣1PW層勢壘就比TG部分勢壘要低(因對于電子，電勢越高則勢壘越低)。這時，垂直溢出漏起作用，由于光強而產生的所有過量電荷，就沿著1PW而被導入N襯底(N襯底像一個漏)，而不是溢出到鄰近的V—CCD，這樣光暈受到抑制[6-10]。

從上述光暈控制說明中可知，光敏二極管所能存貯的最大電荷量QPDmax為:

QPDmax =CPD(ΦTGH-ΦPD)(1)

式中CPD是光敏二極管電容。無光暈的條件為:

ΦPD>ΦTGM(2)

圖2 縱向抗暈的控制過程

2 縱向抗暈CCD模型的建立

由于一個CCD器件是由很多個結構單元組成，而且每個單元的結構完全相同，為此，選取了縱向抗暈CCD器件的一個結構單元進行了仿真。選取結構單元的簡化計算模型如圖3所示，其結構參數如下:器件的單元長度為46.4 μm;器件的厚度為10.1 μm，其中SiO2氧化層厚度為0.1 μm;G1，G2，G3分別為一相CCD的時鐘電極，G1，G2電極的長度都為7 μm，G3電極的長度為15 μm;N型襯底磷摻雜濃度為5×1014 cm-3，1PW層硼摻雜濃度為8×1014 cm-3，結深為3 μm;2PW層硼摻雜濃度為2×1015 cm-3，結深為5 μm;轉移柵TG下硼擴散區摻雜濃度為2×1016，結深為0.5 μm;N型溝道磷注入層表面雜質Nch為3×1016 ，結深為0.5 μm。通過N+擴散區將溝道注入區完全耗盡，P+區為溝阻隔離區。整個單元尺寸為46.4 μm×10.1 μm。

在對CCD器件做模擬時，MEDICI軟件要求用一些非規則三角形圖形構建二維仿真網格，首先構建器件二維網格結構，同時為了得到較高的運算精度和比較準確光滑的仿真曲線，對此網格結構進行了進一步的加密，經加密后，網格分布如圖4所示。

利用器件模擬軟件MEDICI軟件，對建立的縱向抗暈CCD器件模擬結構進行數值計算，通過計算機求解二維泊松方程及電荷連續方程，選用MEDICI軟件中的載流子遷移率模型中的低場遷移率模型(FLDMOB)、表面遷移率模型(SRFMOB)、俄歇復合模型(AUGER)、肖特基—里德—霍爾(SRH)等;數值方法用Newton Method，可以獲得縱向抗暈結構的雜質濃度分布、工作時各種偏壓下的電勢分布等曲線。通過MEDICI軟件利用高斯分布求解，可得器件模擬單元表面雜質濃度分布二維曲線，如圖4所示。

圖3 縱向抗暈CCD的模擬計算簡化模型

圖4 縱向抗暈CCD模擬單元網絡結構

3 數據分析與討論

縱向抗暈的基本原理是強光照射時，把超出光電二極管最大電荷容量的過量光生載流子通過襯底反偏電壓導入襯底的縱向溢出漏，從而抑制光暈和拖影現象。構建CCD模型仿真時，1PW層雜質濃度要小于TG轉移柵下P層雜質濃度，這樣可以保證仿真過程中1PW層勢壘總是要低于TG轉移柵下勢壘，結果是使過量的光生載流子不溢出到旁邊的轉移溝道，而只被縱向導入襯底溢出漏。CCD在縱向抗暈過程中受襯底反偏電壓和1PW層硼摻雜濃度的影響，下面就這些影響因素進行仿真和討論。

CCD縱向抗暈過程中，通過調節1PW層硼摻雜濃度和襯底反向偏置電壓使得1PW層勢壘總是低于TG轉移柵下勢壘高度，以保證過量光生載流子被縱向導入襯底溢出漏，而不是溢出到旁邊轉移溝道，這是由于電子總是首先向勢壘低的地方運動。由此可見，1PW層硼摻雜濃度直接影響到CCD縱向抗暈能力。選取Nch溝道摻雜濃度為3×1016 cm-3，節深為0.5 μm，在G3下注如入電子電荷量Q=1.598×10-14 coul/μm，對襯底施加相同的反向偏置電壓Vsub=15 V，1PW層節深為3 μm條件下，取1PW硼摻雜濃度分別在6×1014 cm-3，8×1014 cm-3，1×1015 cm-3時進行瞬態模擬。圖5給出了1PW硼摻雜濃度分別在6×1014 cm-3，8×1014 cm-3、1×1015 cm-3情況下的對比圖。從圖5中可以清楚看到在其他條件相同的情況下，1PW層雜質濃度越低，電勢越高，則電子勢壘越低，則導入襯底的過量載流子越多，對應的抗暈能力越強。同時，G3下的最大容納電荷容量也隨著1PW層雜質濃度增加而增大。由比較分析可得，1PW層濃度取8×1014 cm-3抗暈能力較好。

圖5 1PW層不同雜志 質濃度的縱向抗暈電勢曲線

4 結 語

本文建立了模擬縱向抗暈CCD器件的數值運算模型，利用半導體器件二維數值仿真軟件MEDICI，對CCD縱向抗暈的各個影響參數進行了二維數值模擬研究。通過模擬和分析可以得出: 1PW層雜質濃度越低，電勢越高，則電子勢壘越低，則導入襯底的過量載流子越多，對應的抗暈能力越強。對不同參數的縱向抗暈數值運算模型進行了比較和分析，得到了此結構下工藝參數的初步優化結果，即1PW層雜質濃度為8×1014 cm-3，襯底反偏電壓Vsub=15 V時抗暈效果較好。

參考文獻

[1]ODA E， ISHIHARE Y， TERANISHI N. Blooming suppression mechanism for an interline CCD image sensor with a vertical overflow drain[M]. IEDM: Tech.Dig.，1983:501-504.

[2]陳榕庭.CMOS圖像傳感器封裝與測試[M]. 北京:電子工業出版社，2006.

[3]劉爽，王浩，龍再川，等.一種高速CCD數據采集系統的設計[J].現代電子技術，2008，31(14):1-3.

[4]STEVENS E G. Photoresponse nonlinearity of solid-state image sensors with antiblooming protection [J].IEEE Trans. on Electron Devices，1991，38(2): 299-302.

[5]韓采芹，柳忠彬.科學級幀轉移型CCD相機拖影問題的處理[J].科學技術與工程，2009，9(15):4336-4338.

[6]申立琴，馬彩文，田新鋒，等.基于網絡技術的CCD圖像采集系統研究[J].現代電子技術，2009，32(2):151-153.

[7]STEVENS E G， LEE Y R， BURKEY B C. The effects of smear on antiblooming protection and dynamic range of inteline CCD image sensor[J].IEEE Trans. on Electron Devices，1992， 39(11): 2508-2514.

[8]ODA E. A 768×490 pixel CCD image sensor[M]. ISSCC: Tech. Dig. Papers， 1983:264-265.

[9][日]米本和也.CCD/CMOS圖像傳感器基礎與應用[M].北京:科學出版社，2006.

[10]王慶有.圖像傳感器應用技術[M].北京:電子工業出版社，2003.

[11]代榮，龍燕，李劍峰，等.基本CCD成像系統的硬件電路設計[J].現代電子技術，2007，30(22):185-187.