基于标准CMOS工艺的有源像素单元结构的研究_周鑫

收稿日期:2003-11-13基金项目:国家自然科学基金资助项目(90307009)作者简介:周鑫(1978-),男,四川成都人,硕士生,主要从事集成传感器的研究。

文章编号:1004-2474(2005)04-0434-04基于标准CMOS 工艺的有源像素单元结构的研究周　鑫,朱大中,郭　维(浙江大学信息与电子工程学系,微电子技术与系统设计研究所,浙江杭州310027)摘　要:基于标准N 阱互补金属氧化物半导体集成电路(CM O S )工艺,设计了P +/N -w ell /P -sub 光电管结构和传统的N +/P -sub 光电管结构的有源像素单元。

像素单元面积为100 m ×100 m ,感光面积百分比分别为77.6%和89%,采用了上华0.6 m 两层金属两层多晶硅CM O S 工艺研制。

测试分析结果表明P +/N -well/P -sub 结构在暗电流大小,光照响应信号大小,感光灵敏度和感光动态范围上均优于传统的N +/P-sub 结构。

通过改变复位信号频率,将P +/N -w ell /P -sub 结构像素的感光动态范围提高到139.8dB ,改善了有源像素的感光性能。

关键词:互补金属氧化物半导体集成电路(CM O S );有源像素传感器;光电传感器中图分类号:T N 432 文献标识码:AResearch of Active Pixel Structure Based on Standard CMOS TechnologyZHOU Xin ,ZHU Da -zhong ,GUO Wei(Dept.of Information Science and E lectronics Eng ineering,Zh ejiang University,Hangz hou 310027,C hina) Abstract :I n this paper ,the r esearch of activ e pix el sensor s w it h differ ent photo diodes str uct ur es is car ried out.T he pho todio des structures include P +/N -w ell/P-sub and tr aditio nal N +/P-sub.T he size of each pixel is 100 m ×100 m ,and t he fill factor o f the tw o str uctures ar e 77.6%and 89%separ ately .T he chip is fabr icated in CSM C w it h 0.6 m do uble metal double po ly CM OS pr ocess .M easurement results show that P +/N -well /P -sub structur e has low dark cur rent ,larg e phot o-response,high sensitivity and lar ge dy namic r ange.W hen the r eset sig nal fr equency is adjusted acco r ding to illum inatio n intensity ,the to tal dynamic ra ng e o f the P +/N -well/P -sub senso r can be increased to 139.8dB .With P +/N -w ell /P -sub str uctur e photo diodes ,per for mance of pix el is im-pr ov ed . Key words :CM OS ;activ e pixel senso r ;pho toelectr ic senso r 随着数字图像技术应用范围的不断扩大,基于硅平面工艺的电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体集成电路(CM OS)图像传感器在近年来高速发展。

CM OS 图像传感器以其低功耗,低成本,可与超大规模集成电路兼容集成的特点而得到广泛的应用[1]。

当前的CMOS 图像传感器主要采用有源像素结构(APS)[2],即在像素单元内部有对光电信号进行处理的预处理电路将光电信号放大,以利于后端的采样、降噪以及模数转换等处理。

CM OS 图像传感器的感光部分大都采用硅光电二极管阵列,通过在P 型衬底或外延层上注入N +掺杂从而形成PN 结。

光电二极管的PN 结深度决定了传感器敏感的光谱范围[3],PN 结的反向漏电流大小决定了像素的暗电流大小。

在传统的N +/P-sub 光电管结构CM OS 图像传感器中,光电管的结深较浅,一般为0.2～0.3 m ,对可见光谱中波长较短部分光敏感,敏感的光谱范围较窄。

像素中光电管的面积影响到光电流的大小,为了增大光电流,在设计中尽可能提高光电管面积在整个像素面积中的比例,即感光面积百分比[2]。

随着工艺线宽的不断减小,像素尺寸也不断缩小。

如何在缩小像素尺寸的同时保证较高的有效感光面积,就成为像素设计中一个重要的考虑方面。

本文基于上华0.6 m 标准CM OS 工艺,设计了采用P +/N -w ell/P-sub 结构光电管的像素单元。

该结构有两个不同结深的PN 结并联,提高了感光单元敏感的光谱范围和有效感光面积。

与传统N +/P-sub 结构像素单元相比,提高了感光灵敏度,改善了像素的性能。

第27卷第4期压　电　与　声　光Vo l .27N o .42005年8月PI EZOEL ECT R ICS &A COU ST OO PT ICSA ug.20051　不同光电二极管结构的有源像素单元设计 在光照下,硅片中的原子外层电子会因吸收了光子能量而激发。

当光子能量hv ≥E g 时,光子可在硅片中激发出电子空穴对。

h 为普朗克常数,v 为入射光的频率,E g 为硅的禁带宽度。

入射光子在硅片中的吸收可由式(1)来表示[4],即I ( ,x )=I 0( )exp[- ( )x ](1)式中　I ( ,x )是波长为 的入射光在硅片中深度x 处的光强度; ( )为与光波长 相关的光在媒质中的吸收系数。

表示光在媒质中传播1/ 距离时,能量减弱到原来能量的1/e ,1/ 为该波长的光在材料中的透射深度。

=4!k / (2)式中　k 为媒质的消光系数。

光在媒质中的吸收系数和透射深度分别随着入射光波长的增加而减小或增加,即与长波长的光相比,短波长的入射光在硅片中激发的电子空穴对更接近硅片的表面[5]。

当硅片中存在PN 结时,由于PN 结势垒区有较强的内建电场,使得势垒区中激发产生的空穴和从N 区扩散进入势垒区的空穴向P 区漂移;同时,势垒区中激发产生的电子和从P 区扩散进入势垒区的电子向N 区漂移。

入射光在硅片中产生的光电流由扩散电流和漂移电流共同组成。

这样,硅片中深度为x 处的PN 结对在该深度附近产生的光生载流子有较高的收集效率,即硅片中光电管的结深决定了其敏感光谱的范围和相应光电流的大小。

本设计中的有源图1　3管有源像素结构F ig.1　3T ransisto rs activ e pix el str uct ur e像素在电路结构上采用了当前广泛使用的3管单元有源像素结构,如图1所示。

在每一个读取周期之初,复位信号脉冲控制复位管(M RE)导通对光电二极管(PD )充电复位。

M RE 关断后,光电流对PD 等效电容放电,使得光电管上的电平下降,放电速度反映了光电流的大小。

PD 上的信号经过源极跟随管(M SF )和行选通管(M RS )输出进入后端的相关二次采样电路去除固定模式噪声,然后经输出缓冲电路输出。

整个系统在数字时序电路的控制下工作。

本设计的有源像素基于上华0.6 m 两层金属两层多晶硅N 阱标准CM OS 工艺,保证了研究的像素结构能够与各种数字CMOS 工艺兼容。

该工艺中使用P 型衬底(电阻率为15～25∀・cm )的硅片。

在像素单元的设计中,单个像素的大小为100 m ×100 m,该尺寸的像素可应用于对目标进行对准、跟踪和识别的光电传感器,如象限传感器等领域。

设计的像素的基本纵向结构如图2所示。

图2　N +/P -sub 与P +/N -well/P -sub 结构的光电二极管纵向结构示意图Fig.2　T he cr oss-sectio n str uctur es of N +/P -sub andP +/N -w ell /P -sub pho todio de在标准CM OS 工艺中,广泛使用的PD 的形式如图2(a)所示。

在该结构中,轻掺杂的P 型衬底与注入的N +型掺杂形成二极管(N +/P -sub ),N +型掺杂区在N 沟道MOS 器件源漏注入时同时形成。

在CM OS 工艺中,源漏注入形成的结深较浅,N +型掺杂注入的结深约0.25 m 。

由于P 型衬底掺杂浓度较低,N +注入的掺杂浓度较高,N +/P -sub 结的耗尽层向P 型衬底扩展,对可见光光谱范围中的较短波长的入射光有较好的响应。

P 型衬底通过P +型注入掺杂与地电平相连,N +型掺杂区与正电平相连接,保证工作过程中PN 结反向偏置。

图2(b)中的PD 结构为两个二极管并联的结构(P +/N -well /P -sub)。

P +型掺杂区与N 阱形成一个PN 结,N 阱与　第4期周　鑫等:基于标准CM O S 工艺的有源像素单元结构的研究435　P型衬底形成一个PN结。

N阱通过N+型掺杂注入区与正电平电极相连,P+型掺杂区与P型衬底相连并连接到地电平,保证两个并联的PN结反偏。

在工作状态下,N阱连接到高电平,即图1(a)中MRE的源极,P+型掺杂区与P型衬底均为地电平,从而使寄生的PNP管(P衬底区-N阱-N+型掺杂区)的发射极-基极和集电极-基极PN结均处于反偏,寄生PNP管处于反向截止状态,防止了寄生晶体管对PD工作状态的影响。

该结构中的两个PN结的结深不同,P+型掺杂区和N阱间PN结的结深为0.3 m,N阱与P型衬底间PN结的结深为1.5 m,可同时对两个不同波长范围的光的吸收。

两个不同深度的PN结的存在使得该结构的光电管的等效感光面积扩大,提高了像素的感光灵敏度。

图1(b)中,N+/P-sub二极管结构的感光面积百分比为89.0%,P+/N-w ell/P-sub结构为77.6%。

传统的N+/P-sub光电管结构简单,感光面积百分比高;P+/N-w ell/P-sub结构由于要防止出现寄生晶体管效应并要保证两个PN结均反偏,在像素内部的P+区需增加连接到地电平的连线,使其感光面积百分比低于传统结构,但该结构的双PN 结结构有效提高了其等效感光面积,弥补了感光面积百分比较低的不足。