简译:《CMOS埋层双PN结光探测器及应用》-《芯苑》

很久没有自己写了,最近看了一篇不错的文章,想来对大家也有用就转译过来。四级没过翻译不好请见谅(还是比一键翻译强吧~凑合看看吧),另外本文涉及的各种理论公式都会跳过,想看原文的地址如下:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3707468/

摘要:

CMOS埋层双PN结由两个PN结垂直堆叠形成,他能够提升光学二极管的性能以及波长灵敏度。本文介绍了这种CMOS技术的应用以及工作原理,它包括了几个直接决定器件特性的重要组成部分,比如表面反射率、光子吸收、电子空穴对的形成、光电流和暗电流的形成等,然后还介绍了SPICE模型。后面还介绍了提醒器件性能的设计以及工艺的优化考量等,最后介绍一些BDJ-based图像传感器的应用。

关键字:埋层双PN结,光学探测器,CMOS图像传感器(CIS)。

1、介绍:

在过去的20年,CMOS技术一直被用于开发紫外光、可见光、近红外光等集成光学传感器领域(译者注:理论波长是190nm~1100nm,实际上最多340nm~950nm)。著名的例子自然就是CIS(CMOS Image Sensor)了,它的出现曾经取代了技术成熟的CCD(Charge Coupled Device)固态成像技术。一般来讲,CMOS成像感应器的优势在于低功耗、低成本、高集成度等。本文的CMOS-BDJ技术的推荐可以达到匹配传统PN结光学二极管特性。

本文,我们主要介绍了这种光学探测器和她在CMOS光学传感器系统的主要应用。本文共分为六个章节,从第二章节开始依次介绍结构和工作原理(Section II)、器件的SPICE模型(Section III)、设计和工艺考量(Section IV)、BDJ探测器的实施和应用(Section V)、总结(Section VI)。

2、BDJ光探测器件

2.1 结构和工作原理:

 这种BDJ器件主要由两个堆叠的光二极管组成,采用的是标准的CMOS NWELL工艺(如下图)。垂直结构上有浅P+/NW (J1)和深的NW/PSUB (J2)。PSUB接地,两个输出端分别对应到P+和NWELL接触孔。顶铝用于光阻挡层定义探测器的有效感光面以及防止光穿透到外围区域。这两个PN结(J1 & J2)都是反向偏置的,提供I1和I2给输出端。分析可见,I1只是浅PN结的电流,而I2是两个PN结电流之和。

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 为了得到反偏的PN结,Vwell>Vdiff>Vsub=0V。在光照的情况下,每个PN结的光电流分成两个部分:光电流和暗电流。所以I1=Iph1+Idc1,而I2=Iph1+Idc1+Iph2+Idc2。

这个器件的工作强依赖于各个波长对硅的吸收系数α(λ)。蓝光波长比较短(~380nm)它主要在硅表面被吸收而红光波长较长(~780nm)有比较深的穿透性,所以红光的吸收深度比较深。因此,浅结PN结对蓝光的光电流比较敏感,而红光(或近红外NIR)自然就是对非常深的PN结比较敏感了,两种PN结的光谱响应度如下图a。除此之外,两个PN结输出电流的比值是随着波长的增加而增加的(下图b),因此这个特性可以用于颜色或波长敏感性器件。

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2.2 表面反射

先考虑裸硅的表面,一部分的入射光会被反射。则穿透过去的特定能量的光子剂量可以表达为:Φt(λ)=(1-R(λ))*Φ(λ)。式中R(λ)是反射系数,而Φ(λ)是入射光子流量(incedent photon flow)。

但是实际的CMOS工艺,表面至少的有一层SiO2,表面passivation的反射系数一定与silicon的不一样,这就导致了air/SiO2以及SiO2/Si两个界面的反射,由于他们是很薄的layer,所以这些反射光之间会有干涉现象,进一步导致波长随表面反射系数周期性振荡变化(oscillating variation),如下图示,这样的振荡依赖于SiO2厚度变化。

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同样的效应能够导致探测器光谱响应度的变化,在CMOS成像过程中会造成对比度(Contrast)和锐度(Sharpness)的损失。而且反射掉的光会最终浪费掉,而且降低了光子的量子效应(QE: Quantum Efficiency)。而防止这种反射问题的方法就是选择合适厚度的抗反射层(ARC layer)。

2.3光吸收以及电子空穴对的产生

当一个光子以hυ的能量入射到硅中(h是普朗克常量,υ是光的频率),当这个光子的能量大于硅的禁带宽度(Eg=1.15eV)的时候,她就能产生电子空穴对。(译者注:因为λ=c/υ,c是光速,υ是频率,所以最后得出截止硅对光谱响应的截止波长是λ=hc/Eg=1100nm)。理论上,一个光子会产生一个电子空穴对,特定波长的光子在特定的结深下产生的电子空穴对的表达式:g(xj, λ)=Φt(λ)*α(λ)*exp(-α(λ)*xj)。式中吸收系数α(λ)取决于入射光的波长,对于给定的波长,他的最大产生率是正比于吸收深度xj的(xj=1/α(λ))。所以根据表达式很容易算出,蓝光的吸收深度是0.2um,而红光的吸收深度是5um。如下两张图分别显示了蓝光和红光的感光区域(图1)以及实际的对应波长的电子空穴对产生率(图2)。

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所以,吸收系数是非常重要的参数,它强相关与波长和温度。以下公式省略,仅留下波长与吸收系数的关系图,把吸收系数倒数一下就是对应的吸收深度,也就是我们要的PN结深度。

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另外,掺杂浓度也会影响吸收系数,高掺杂会导致吸收系数明显增加(吸收深度减小),主要是由于高掺杂浓度的禁带宽度变窄导致。这种现象只有在浓度高于1018atoms/cm3才会很明显(N+或P+)。

2.4 光电流(Photocurrents)

在反偏情况下,每个PN结的耗尽区都会变宽,而且电场都是加在了耗尽区域,能够吸收光子碰撞产生的电子空穴对。这里分两个部分,一部分是耗尽区里面的,受电场驱动的电流叫做漂移电流,一部分在耗尽区外面但是靠近耗尽区,它们虽然没有电场驱动,但是他们也会移动到耗尽区被电场吸走,除非没有到耗尽区就被各自又中和掉了,而这第二部分的电流称之为扩散电流(译者注:扩散电流主要来自长波响应电流)。

而在PN结耗尽区的那部分电流由于受到电场的加速,所以它很快也很有效,所以几乎不用考虑太多,主要取决于耗尽区宽度。所以希望耗尽区宽度宽一点面积大一点等等。(译者注:耗尽区宽是好事,因为电容小速度快,但是面积大电容大,速度就慢了。会影响带宽bandwidth。)

而对于扩散电流,这是比较慢的,它要靠电子空穴对自己通过扩散的方式实现,而在扩散途中还要经历复合(recombination),所以只有那些电子空穴对到达耗尽区之前还没有被复合掉的才可以贡献光电流。所以扩散长度也就是少数载流子寿命就很重要了哦。

下图是Iph1和Iph2的光电流对光谱响应度的例子,给定光能量是1uW/cm2。采用的是AMS 0.35um CMOS 20*20um的BDJ探测器。虽然给定了反向偏置电压(决定耗尽区宽度),但是实际上好像偏置电压对光电流影响并不大。(为啥?)

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 还有个温度相关的介绍我就不说了,只是设计上需要有个温度感应来做补偿即可,这里推荐用NW电阻类似用电阻的温度特性来达到感测温度的目的。

2.5 响应时间(response time)

很多应用下,探测器入射光的响应时间是个基准需要被仔细考虑和分析。

前面描述过,PN结的光电流分两个部分,漂移电流和扩散电流。前者速度较快,而扩散电流贡献的光电流响应时间主要取决于扩散制程。(后面的理论和公式忽略)

对于1um CMOS工艺和波长783nm而言,深PN结J2的上升时间和下降时间都是8ns,而浅PN结J1的响应时间由于很高的掺杂浓度所以只有0.1ns,这个结果远好于传统的CMOS 光二极管,主要由于BDJ探测器有两个耗尽区而不是一个,从而有效地降低了慢扩散的贡献。除了响应时间之外,BDJ探测器由于更有效的收集电荷所以还能够提升量子效应(QE: Quantum Effieciency)。

2.6 暗电流(Dark Current)

暗电流(Idc)是指在没有光照的情况下,反偏PN结的漏电流。这个漏电流取决于PN结的特性并且会叠加给光电流。对于量测光的强度则需要设置一个极限值,而且它也会产生Noise。暗电流的值决定了光电二极管的关键标准:光学探测区间以及底噪声(固有噪声,或最小噪声, noise floor)。

暗电流的值一般取决于温度、制造工艺、掺杂profile、反偏电压、结构设计等。可以假设它是热造成的载流子,但是它可以由于晶格缺陷、位错、沾污等原因造成暗电流严重增加。所以对于CIS来讲,经常会有pixel-to-pixel的暗电流很大差异。这种暗电流的不均匀性增加了FPN (Fixed Pattern Noise)和DSNU (Dark Signal Non-Uniformity)。

从工艺的角度来讲,有很多因素会导致暗电流,主要的有扩散工艺、热激发载流子(SRH model)、带间隧穿(BTBT)、Trap-Assisted Tunneling (TAT)以及碰撞电离等。这些都取决于器件的技术以及尺寸、温度、偏置电压等。高温下可能扩散电流是主因,而热激发主要由于耗尽层宽度决定。在高掺杂和高反偏下,隧穿和碰撞电离又变成主要因素了。

下图为0.35um BDJ探测器暗电流的仿真和测量值。对于J1,暗电流主要随反偏电压增加而增加,所以可以看出是扩散和低压热激发(<1.5V)以及高压下的BTBT都是主要因素。对于J2,即使在3.5V下,扩散和热激发依然是主要因素。

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再如下图(a: J1, b: J2),在不同温度下测试的暗电流,也同样的结论。J1的PN结由于掺杂很高所以是BTBT为主。所以为了避免BTBT带来的暗电流突然上升,J1的反偏电压必须比较低。

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3、SPICE Model (略)

4、设计和工艺的考量

4.1 降低暗电流

首先是降低Si/SiO2的界面态,他主要贡献shot noise和1/f noise。它还是短波(蓝光)的响应电流杀手,主要是由于表面复合。为什么选择P+/NWELL/PSUB而不选择N+/PWELL/NSUB的原因就是高掺杂的空穴在Silicon表面可以抵消界面态影响。

另外一个方法是降低周长与面积的比例,尤其是小面积器件,暗电流主要来自表面耗尽区贡献。因此,为了降低侧边外围影响,与方形比起来,更优化的方案是采用圆形或六边形,其中圆形也减小了BTBT效应(电场问题)和结电容。下图为圆形设计。

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对于制程而言,主要需要从应力、蚀刻损伤等考虑。比如,用Deuterium退火(氘: [dāo],又名重氢,是氢的同位素,多一个中子)退火代替传统的气体退火,其次是氢退火。然而STI和薄栅氧以及Silicidation都有可能带来高的暗电流。为了降低Non-Silicided暗电流,DDD(Double Diffused Drain)被用于APS (Active Pixel Sensor)。

针对降低暗电流,也可以采用低反偏电压以及冷却装置(Peltier devices),然而为了补偿温度效应,需要在chip里面增加热敏电阻(thermistors),可以用NW电阻做。

4.2 提升量子效应(QE)以及信噪比(SNR)

第二节已经提过,光谱响应度依赖于结深,因此,选择technology必须选择合适的结深。另外,除了结深,还有一个因素就是两个堆叠PN节的耗尽区宽度(W1/W2)。当然耗尽区宽度是与反偏电压变化的,但是耗尽区宽度随电压改变(Modulation)只有在掺杂浓度低于1015atoms/cm3的时候才比较敏感,但实际上一般的CMOS很难达到如此低浓度。

最有效的方式是从制程角度,通过特定的Implant来调整J1和J2的掺杂profile来达到提升QE的目的,还可以减小节电容。而且,光学二极管的响应度还可以通过采用多晶硅和硅玻璃(SiO2)的滤光层来控制,还有就是界面陷阱降低等。然而这些都是比较复杂的而且需要特别开发制程。

已然知道的浅节重掺杂的QE是比较低的,可能的解法就是BTJ(BiCMOS Triple Junction) Photodiode,这里只用它的Middle和Deeper Junctions。这种结构即使在比较差的Silicon下,也能获得比传统PN节高的QE。还有就是采用SiON来提升光的穿透率以及Non-Silicided Deep Junction (NW/PSUB)技术。

和其他光传感器一样,BDJ也有好几种noise:shot noise, G-R noise, 1/f noise。Shot noise和G-R noise都随PN节电流增加而增加,而只有1/f噪声是直流电流的二次方。当电流增加时,Shot和G-R为主要因素,但是SNR还是会变大因为光信号电流比暗电流增加的快。但是在低光照的时候,1/f噪声为主,而1/f noise正比于载流子寿命,并且取决于掺杂浓度(sqrt[N], 突变节)。所以,频率的两边总是在shot noise和flicker noise之间浮动,随着寿命增加而降低。低掺杂有助于1/f噪声。然而,一般的CMOS的浅节高浓度很难避免。

实践,不同的应用领域需要搭配不同的探测器尺寸,高精度的成像设备则需要小的pixel尺寸。传统的CMOS技术,P+都在NW里面,由于NW的spacing rule限制,如果pitch到几个微米的时候,则填充因子(FF: Fill Factor)则会很快变差,但是可以通过在不同深度下埋一层薄的相反掺杂层来选择特定波段的光子电流,深的埋层不能包住浅的埋层。这种结构能够避免外围spacing的尺寸限制来降低pixel size。

5、应用(略)

6、总结(略)

 

译者注:最后,大家需要记住的几个公式如下:

光子能量: hυ>Eg=1.15eV,

光的波长:λ=c/υ=hc/Eg,

响应度:R=η*q/hυ

量子效率QE: η=(1-Rf)*e-α*d*(1-e-α*w),Rf为反射率,α为特定波长的吸收系数,d为穿透深度,w为PN节耗尽区宽度。