CMOS工藝APS陣列的近紅外響應及參數分析

王慶祥，孟麗婭，劉澤東，王 成

（重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶400044）

·紅外材料與器件·

CMOS工藝APS陣列的近紅外響應及參數分析

王慶祥，孟麗婭，劉澤東，王 成

（重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶400044）

采用DevEdit3D構建了5×5的像元結構模型，在基于Lnuminous 1μm的近紅外的照射下，利用Silvaco TCAD仿真了像元中心距、阱深、襯底摻雜濃度等工藝參數對其電荷收集量和像元串擾程度的影響。仿真測得電荷收集量隨像元中心距和阱深的增大而增大，隨襯底摻雜濃度的增大而減小；像元間串擾程度與像元中心距的大小以及阱深的深度成反比，與襯底摻雜濃度的大小成正比。最后對以上影響的成因進行了理論分析。

Silvaco TCAD；像元中心距；阱深；襯底摻雜濃度

1 引 言

近來伴隨著工藝水平的進步，標準CMOS工藝成為集成電路設計的主流，同時CMOS有源像素圖像傳感器作為后起之秀，以其工藝標準化、成本低廉、可操作性強等特點而倍受人們的青睞。圖像傳感器的響應光源有多種，其中基于紅外響應的有源像素圖像傳感器被廣泛應用在安全監測、醫療衛生、生命探測等領域。在這些領域中，對于圖像傳感器的性能穩定性、分辨率都有較高的要求，因此，CMOS圖像傳感器的紅外響應程度成為人們關注的焦點。而對于CMOS圖像傳感器典型結構而言，在現有標準CMOS工藝下，像元中心距，摻雜濃度等參數都會對圖像傳感器的成像性能產生影響［1］。為分析以上因素對于傳感器性能的具體影響，本文應用Silvaco TCAD系列工具完成了光電二極管陣列的建模，分析了像元中心距、阱深、襯底摻雜濃度對傳感器電荷收集量以及像元串擾程度的影響［2］。

2 像元陣列建模

本文首先利用Silvaco TCAD中的結構和網格編輯器DevEdit3D構建了5×5光電二極管結構陣列。DevEdit不僅可以用于新建一個器件，還可以用于重新網格化或編輯現有器件。基于DevEdit構建的Silvaco標準結構可以方便的集成到Silvaco二維或三維仿真器當中。所構建的光電二極管作為結構文件導入到Atlas軟件模塊當中，使用Atlas中集成的光照仿真程序Luminous對結構進行光照。為提高仿真效率，建模采用鏡像原則，圖1為3×3的鏡像結構示意圖［3］。

圖1 像元陣列立體結構圖Fig.1 the stereogram of the APS array

3 近紅外下的參數仿真

本文采用Luminous中波長為1μm的近紅外線進行仿真。Luminous是一個高級器件仿真器，專為非平面半導體器件中的光吸收和光電生成仿真而設計。它利用集合射線追蹤技術而求得用于一般光源的精確解。Luminous也支持光學轉換矩陣分析法，用于分層器件中的相干效應。光束傳播法也可以用來仿真相干效應和衍射。Luminous可仿真單色或多光譜光源，為光電子學提供獨特的參數提取功能。一般器件結構的直流、交流、瞬態和光譜響應也可于任意光源之下被仿真。近紅外光子能量約為1.99×10－19J，大于硅的禁帶寬度［4］。這種長度的紅外線在硅表面的吸收系數較小，可以射入襯底硅中，激發深層的載流子。

3.1 像元中心距和襯底摻雜濃度對像元之間串擾的影響

串擾是指兩條信號線之間的耦合、信號線之間的互感和互容引起線上的噪聲。在像元結構中，串擾是指各個像元信號之間的干擾噪聲。對于圖像傳感器而言，像元中心距的大小以及襯底摻雜濃度的高低都會對像元之間的串擾程度產生影響［5］。為了檢測以上參數的影響，我們在前面5×5陣列的基礎上，將像元中心距分別取為5μm、10μm和20μm，襯底摻雜濃度分別為1×1014、1×1015和1× 1016cm－3，用以比較串擾的大小。通過中心臨近像元光電流與中心像元光電流的比值來衡量串擾的大小。仿真結果，如圖2所示［3］。

仿真測得，當襯底摻雜濃度為1×1016cm－3，像元中心距為5μm時，串擾最大；當襯底摻雜濃度為1×1014cm－3，像元中心距為20μm時，串擾最小，如圖3所示。可見串擾的大小與像元中心距的大小成反比，而與襯底摻雜濃度的高低成正比［6］。像元中心距越小，也就意味著同樣面積下的像元數目越多，分辨率也就越高。然而隨著中心距的減小，像元之間信號的串擾又會增大，使得噪聲加大，信噪比降低，影響器件的性能。

圖2 襯底摻雜濃度、像元中心距對串擾的影響Fig.2 the change of crosstalk with pitch and substrate doping

圖3 串擾最大與最小時的電荷分布Fig.3 the normalized charge distribution with themaximum and minimum crosstalk

3.2 像元中心距和襯底摻雜濃度對像元電荷收集量的影響

電荷收集量的多少直接決定了輸出信號的大小。為檢測像元中心距、襯底摻雜濃度對電荷收集量的影響。本文仿真了不同的摻雜濃度和像元中心距下電荷收集量的區別，所得曲線如圖4所示［3］。

圖4 電荷收集量與像元中心距、襯底摻雜濃度的關系Fig.4 the change of total collected chargeswith pitch and substrate doping

從曲線可知，電荷收集量隨像元中心距和襯底摻雜濃度的增大而減少［7］。分析其原因主要在于以下兩個方面：

（1）隨著像元中心距的增大，電荷收集的范圍增大，載流子到達收集管的距離變長，使得電子空穴復合的概率增大，從而使得電荷收集總量減小。

（2）襯底摻雜濃度的大小直接決定載流子的壽命，以N阱光電二極管為例，襯底的摻雜材料為P型，隨著摻雜濃度的增大會提供更多空穴，從而導致電子更容易被復合，使得電荷的收集量減少。

3.3 阱深對電荷收集量以及像元串擾的影響

光電二極管作為APS結構的基本單元，其阱深的大小直接影響電荷收集量的多少［8］。本文在前面5×5像元陣列的基礎上，選擇1×1016cm－3的襯底摻雜濃度，像元中心距為5μm，比較了不同阱深下的電荷收集量以及串擾情況，仿真結果如圖5和圖6所示［3］。

圖5 阱深對電荷收集量的影響Fig.5 the normalized collected charges vs N-well depth

圖6 阱深對相鄰像元串擾的影響Fig.6 crosstalk vs N-well depth

從曲線中可以看出，阱深的大小與電荷收集量的多少成正比，與像元串擾的大小成反比。究其原因主要在于以下兩個方面：

（1）對電荷收集量的影響：隨著阱深的增大，使得收集管與襯底的接觸面積加大，射線所激發的電荷更容易被收集，減少了與空穴的復合率。

（2）對像元串擾的影響：電荷收集管的阱深越深，則電荷的收集率越高，電荷可以在更短的時間內被收集，減少了其到達相鄰像元的概率，從而減小了串擾。

4 結 論

針對COMS工藝APS陣列，為分析襯底摻雜濃度、像元中心距、阱深等參數對其近紅外響應的影響。采用DevEdit 3D構建了5×5的模型結構，在1μm近紅外條件下，通過Silvaco TCAD仿真了像元串擾及電荷收集量隨襯底摻雜濃度、像元中心距、阱深等參數的變化。仿真結果顯示電荷收集量隨襯底摻雜濃度的增大而減小，隨像元中心距以及阱深的增加而增大；像元間串擾隨襯底摻雜濃度的增大而增大，隨像元中心距以及阱深的增大而減小。以上結論有助于CMOS近紅外像元陣列的設計以及工藝的改進。

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Parameters analysis and near-infrared response of CMOS APS array

WANG Qing-xiang，MENG Li-ya，LIU Ze-dong，WANG Cheng
（Key Lab.on Opto-electronic Technique and Systems，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

The 5×5 CMOSarray is designed with Devedit3D.Based on the near-infrared（1μm）from Lnuminous，the effect of center distance，substrate doping and N-well depth on the crosstalk and collected charges is simulated with Silvaco TCAD.The simulation shows that the collected charges increase with the increase of center distance and N-well depth，and it decreaseswith the increase of substrate doping.The crosstalk is inversely proportional to center distance and the well depth，and it is proportional to the substrate doping concentration.Finally the causes of the above effects are theoretically analyzed.

Silvaco TCAD；center distance；N-well depth；substrate doping

TN215

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0172-03

國家自然科學基金項目（No.61071043）；重慶市自然科學基金項目（CSTC，2010BB0075）資助。

王慶祥（1988－），男，碩士研究生，從事固體圖像傳感器方面的研究工作。E-mail：wqx881208＠163.com

2013-06-27；

2013-07-21