低壓4T-PPD 有源像素的設(shè)計(jì)與測(cè)試

徐文靜，陳杰，曠章曲，周莉，陳鳴，張成彬

（1 中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

（2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（3 上海韋爾半導(dǎo)體股份有限公司，上海 201210）

0 引言

CMOS 圖像傳感器（CMOS Image Sensor，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)（Internet of Things，IoT）及人工智能（Artificial Intelligence，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的研究具有重要意義［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（Four Transistors Pinned Photodiode，4T-PPD）有源像素是當(dāng)今CIS業(yè)界最廣泛采用的像素結(jié)構(gòu)，其傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式電源電壓均大于2.8 V［3-4］。2016 年CHOI J 團(tuán)隊(duì)對(duì)有源像素的時(shí)序進(jìn)行了改進(jìn)，使得4T-PPD 有源像素可以工作在0.9 V，但其讀出噪聲高達(dá)83e-rms，動(dòng)態(tài)范圍僅有50 dB，只能滿足低品質(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)移特性的研究中，2003 年，F(xiàn)OSSUM E R 采用熱電子發(fā)射理論模擬了電荷從PPD 到電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)（Floating Diffusion，F(xiàn)D）的轉(zhuǎn)移［5］；2016 年，HAN Liqiang 等在這一基礎(chǔ)上，加入了FD 向PPD 的反向電荷注入等非理想因素［6］；2019 年，CAPOCCIA R 等在上述基礎(chǔ)上加入了熱電子發(fā)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，這是因?yàn)樯鲜隼碚摱技俣ü馍姾稍赑PD 內(nèi)部是完全轉(zhuǎn)移的，然而，低壓4T-PPD 與高壓的最大區(qū)別是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)重影響成像品質(zhì)。

本文設(shè)計(jì)了低壓4T-PPD 有源像素，基于熱擴(kuò)散、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。

1 PPD 內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制的理論分析

圖1（a）為4T-PPD 有源像素結(jié)構(gòu)圖［8］，4T PPD 有源像素在3T 有源像素的基礎(chǔ)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，并在光電二極管的表面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)與硅表面的接觸，從而大大減小了表面態(tài)引起的暗電流。此外，P+隔離層的加入組成了一種P-N-P 型的三明治結(jié)構(gòu)，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除殘余電荷。因此4T-PPD 有源像素是當(dāng)今CIS 業(yè)界最廣泛采用的像素結(jié)構(gòu)。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4TPPD 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，形成殘余電荷，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)行理論分析。

圖1 4T-PPD 有源像素結(jié)構(gòu)及光生電子移動(dòng)方向的電勢(shì)分布Fig.1 4T-PPD active pixel structure and the potential distribution of the 4T-PPD photogenerated electrons

PPD 內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移有3 種機(jī)制：熱擴(kuò)散、自誘導(dǎo)漂移、邊緣場(chǎng)漂移［9-11］。熱擴(kuò)散機(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擴(kuò)散。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，電子基于熱擴(kuò)散機(jī)理從A點(diǎn)向C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。由熱擴(kuò)散引起的電流密度為

式中，Dn為電子擴(kuò)散系數(shù)，將式（1）帶入連續(xù)性方程并求解，可得熱擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)τd表達(dá)式為

式中，L為擴(kuò)散長度，μn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)致表面勢(shì)梯度，從而形成表面勢(shì)電場(chǎng)，載流子在表面勢(shì)電場(chǎng)作用下進(jìn)行自誘導(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)致表面勢(shì)從A點(diǎn)至C點(diǎn)逐漸升高，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

式中，Es為自誘導(dǎo)漂移電場(chǎng)，Es的表達(dá)式為

式中，φs為PPD 內(nèi)部表面勢(shì)，φssd為空阱表面勢(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)τs的表達(dá)式為

式中，Dn，s為自誘導(dǎo)漂移等效電子擴(kuò)散系數(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)行邊緣場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)，其沿y方向的邊緣場(chǎng)強(qiáng)大小為［9］

式中，ε′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

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

若VTG=0，則無邊緣場(chǎng)，由式（8）可得：當(dāng)Qn/Qn，sat＜VT/Vpin，Dn，s＜Dn，載流子運(yùn)動(dòng)以熱擴(kuò)散為主；當(dāng)Qn/Qn，sat＞VT/Vpin，Dn，s＞Dn，載流子運(yùn)動(dòng)以自誘導(dǎo)漂移為主。

若VTG＞0，有邊緣場(chǎng)時(shí)，當(dāng)Qn/Qn，sat＜VT/Vpin，載流子從A運(yùn)動(dòng)到B以熱擴(kuò)散為主，從B運(yùn)動(dòng)到C以邊緣場(chǎng)漂移為主，因此在B點(diǎn)處，熱擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)與邊緣場(chǎng)漂移時(shí)間常數(shù)相等，即τd=τf，據(jù)式（2）、（11）、（12）可得

若VTG＞0，有邊緣場(chǎng)時(shí)，當(dāng)Qn/Qn，sat＞VT/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，τs=τf，據(jù)式（7）、（8）、（11）、（12）可得

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=3.515 nm、Vpin=0.65 V，根據(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，sat＜4%時(shí)，AB段以熱擴(kuò)散為主；當(dāng)Qn/Qn，sat＞4%時(shí)，AB段以自誘導(dǎo)漂移為主，且Qn/Qn，sat越大，LAB越長，即光生電荷越多，則在PPD 內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間越長。由圖2（a）可知，當(dāng)VTG增大，邊緣場(chǎng)覆蓋范圍增大，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.2 Relationship between the length LAB of the distance without fringing field and the photogenerated charge to the full-well charge Qn/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采用低壓1.5 V。由圖2（b）可得，LAB隨Lppd減小而明顯減小，因此本設(shè)計(jì)采用2.8 μm 小尺寸像素。傳統(tǒng)2.8 μm 方形像素的PPD 版圖如圖3（a）所示，其中紅色為有源區(qū)層，粉色為光電二極管N 型（Photodiode N，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)重影響成像品質(zhì)。

圖3 兩版PPD 版圖Fig.3 Layouts of two shaped PPDs

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，不改變工藝步驟并滿足條件易于實(shí)現(xiàn)，可以改變光電二極管區(qū)PDN 層的形狀，以便減小非邊緣場(chǎng)區(qū)的長度。文獻(xiàn)［12-16］的PDN 層采用了三角形、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層改進(jìn)為五指形狀的PDN 層，如圖3（b）所示，由于尖端處的場(chǎng)強(qiáng)較弱，因此五指形狀不僅可以減小非邊緣場(chǎng)區(qū)的長度，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。具體裁剪方法為：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)附近的PDN 層裁掉；其次，4 條箭頭線將90°五等分，且每條箭頭線的長度基本相同，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)間基本相當(dāng)。五指的角度基本為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0.61 μm2，占總面積4.27 μm2的14%。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

本文CIS 芯片采用0.11 μm 標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝流片，有效像素陣列為1 288×728，像素類型為低壓4T PPD 有源像素，像素尺寸為2.8 μm×2.8 μm，整體版圖面積為4 755 μm×2 870 μm。芯片版圖及封裝后的照片如圖4 所示。

圖4 芯片版圖及封裝后照片F(xiàn)ig.4 Chip photograph and layout

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 版圖如圖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=1.5 V，低光照段，改進(jìn)的五指形像素線性度更好，原因在于五指形像素不僅減小了非邊緣場(chǎng)區(qū)的長度，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，減少了殘余電荷；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）為兩版芯片殘余電荷曲線測(cè)試結(jié)果對(duì)比，殘余電荷測(cè)試時(shí)的光通量與光電響應(yīng)曲線保持一致，可見，傳統(tǒng)方形像素的殘余電荷隨光強(qiáng)的增強(qiáng)逐漸增多，而改進(jìn)五指形像素的殘余電荷基本不隨光強(qiáng)變化，在最大曝光處，五指形像素的殘余電荷與傳統(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5.01 mV/s 與5.06 mV/s，暗電流基本相同。兩版芯片在不同入射光波長下的量子效率（Quantum Efficiency，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%，原因在于五指形像素減小了殘余電荷，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)曲線及殘余電荷測(cè)試Fig.5 Measured photoelectric response curves and lag curves of two shaped PPDs

圖6 兩版芯片暗電流及量子效率的測(cè)試Fig.6 Measured dark currents and QE curves of two shaped PPDs

為了進(jìn)一步減小殘余電荷，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)果表明，低光照段光電響應(yīng)曲線靈敏度隨傳輸管開啟時(shí)間的增加而變好，原因在于增大傳輸管的開啟時(shí)間可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光生電荷的完全轉(zhuǎn)移。

圖7 不同傳輸管開啟時(shí)間下五指形像素光電響應(yīng)曲線靈敏度測(cè)試Fig.7 Measured sensitivity curves of five-finger shaped PPD with different transfer time

圖8 為五指形像素轉(zhuǎn)換增益測(cè)試，其轉(zhuǎn)換增益為126.4 μV/e-，由圖5（a）可得五指形像素光電響應(yīng)的飽和電壓為623 mV，將該值除以轉(zhuǎn)換增益，可得滿阱容量為4 928e-。暗態(tài)隨機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果為196 μV，將該值除以轉(zhuǎn)換增益，可得暗態(tài)隨機(jī)噪聲為1.55e-rms。滿阱容量與隨機(jī)噪聲之比即為動(dòng)態(tài)范圍，可得動(dòng)態(tài)范圍為67.3 dB。

圖8 五指形像素轉(zhuǎn)換增益測(cè)試Fig.8 Measured conversion gain of the five-finger shaped PPD

圖9 為五指形像素芯片在強(qiáng)弱光下拍攝的照片，拍攝時(shí)像素及模擬電壓均為1.5 V，數(shù)字電壓為1.2 V，可見本文芯片采用低壓1.5 V 五指形4T-PPD 有源像素可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像，且在強(qiáng)光和暗光下的拍攝照片均無拖尾。

圖9 五指形像素芯片在強(qiáng)弱光下拍攝的照片F(xiàn)ig.9 Captured images from the five-finger shaped chip in high and low light

五指形低壓4T-PPD 有源像素性能與參考文獻(xiàn)對(duì)比如表1 所示，其中文獻(xiàn)［17］采用同樣工作在1.5 V 電源電壓下的3T 有源像素，但其動(dòng)態(tài)范圍與高品質(zhì)成像需求的60 dB 以上相比仍有差距，且讀出噪聲依然非常大。文獻(xiàn)［18］像素為傳統(tǒng)低壓像素設(shè)計(jì)時(shí)采用的數(shù)字像素，該像素雖然可工作在0.5 V 電源電壓下，但其動(dòng)態(tài)范圍只有42 dB，讀出噪聲高達(dá)416e-rms。文獻(xiàn)［4］中采用的4T-PPD 有源像素可工作在傳統(tǒng)高壓3.3 V模式及低壓0.9 V 模式，當(dāng)工作于0.9 V 低壓模式時(shí)，其圖1（a）中的VTG一直為高電平，傳輸管保持常開，PPD 和FD 聯(lián)通，從而將4T 像素轉(zhuǎn)變?yōu)?T 像素使用，由于PPD 和FD 聯(lián)通，因而擴(kuò)大了滿阱容量，但由于其轉(zhuǎn)變?yōu)?T 像素使用，讀出噪聲高達(dá)83e-rms，動(dòng)態(tài)范圍僅有50 dB，只能滿足低品質(zhì)成像；當(dāng)工作在傳統(tǒng)高壓3.3 V 模式時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍為69 dB，讀出噪聲為5.5e-rms，本文設(shè)計(jì)的1.5 V 五指形4T-PPD 有源像素在動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)上可與之相比擬，讀出噪聲指標(biāo)更優(yōu)。

表1 本文五指形低壓4T-PPD 有源像素性能與參考文獻(xiàn)對(duì)比Table 1 Comparison of the proposed five-finger shaped PPD with other references

4 結(jié)論

為了解決應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)及人工智能等領(lǐng)域的CIS 功耗受限于傳統(tǒng)高壓4T-PPD 有源像素的問題，本文設(shè)計(jì)了低壓4T-PPD 有源像素。首先，基于熱擴(kuò)散、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。其次，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。CIS 采用0.11 μm 1P3M 標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝流片，測(cè)試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的五指形4T-PPD 有源像素在低壓1.5 V 下，與傳統(tǒng)方形像素相比殘余電荷下降了80%，滿阱容量為4 928e-，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)67.3 dB，隨機(jī)噪聲僅為1.55e-rms，性能指標(biāo)可與傳統(tǒng)高壓4T-PPD 有源像素相比擬。研究成果可被應(yīng)用于超低功耗CIS 的設(shè)計(jì)制作。