45纳米和堆叠技术在低暗电流和低噪声的0.9微米像素CMOS图像传感器处理的应用
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45纳米和堆叠技术在低暗电流和低噪声的0.9微米像素CMOS图像传感器处理的应用
摘要-
0.9微米像素CMOS图像传感器（CIS），具有亮光效果和黑光效果的合理平衡，是充分利用45纳米先进制造技术和堆叠结构的结晶。因为设计规则越来越严格，工艺过程变化，45纳米级先进制造技术对于亚微米像素非常理想。堆叠CIS工艺的灵活性提高了像素性能。本文
展示了在60°C 下的3.2 e / s的低暗电流效果、0.90 e rms的超低读噪声、4,100 e高饱和度容量（FWC），0.9微米像素的供电电压为2.8 V.
一，引言
对于高分辨率成像以及量子图像传感器，必须要有缩放功能。BSI技术极大地提高了S/N。堆叠式CMOS图像传感器使得图像传感器的制造过程更加灵活。45纳米先进制造技术和堆叠式图像传感器的有机结合可以提高光信号，降低噪声和由于临界尺寸波动和掩模重叠误差引起的过程变化，这对于亚微米像素生成更为严重。
二、 45纳米堆叠CMOS图像传感器
测试芯片架构是一个8百万像素（3296（H）x2512（V））原始数据输出的图像传感器。图像传感器如下图所示。
图一、45纳米的堆叠式图像传感器
像素的架构采用2x2共享4T无行选择和像素大小为0.90微米。考虑到整体像素性能，所有像素排放在CIS晶圆上。
图二、像素电路和器件分布
图像传感器晶片与逻辑晶片进行有机地堆叠，通过BSI工艺包括薄型化，防反射涂层，滤色片和微透镜阵列过程，最终过多成一个图像传感器。
亚微米像素工艺的图像传感器开发过程中光刻能力是其中的关键过程。关键层用193nm ArF浸渍，用来提高0.9um的填充因子，45纳米对于65纳米这方面提高了20%。随着设计越来越小，为了最大程度在小面积中减少随机噪声和电报噪声采用了特殊的门电路技术。通过缩小门电路的氧化层可以有效地减少随机噪声。除了上面的这些因素，相关的制程技术也全面进行了优化，比如最小化蚀刻损伤、器件通道等。通过以上努力，有一个关键性能指标，在模拟增益为18 dB的情况下，读取噪声降至0.90 e rms。
图三、在18dB的模拟增益下，1.1微米和0.9微米的读取噪声分布的统计
三、像素设计
降低暗电流是在亚微米设计中或制程中的一个重要挑战。不像逻辑晶体管，图像传感器基本上遵循恒定电压缩放法则，因为像素尺寸缩小，因此需要掺杂浓度越来越高，已知的传输门边缘是暗电流和白点像素主要来源。
图四、每代像素与光电二极管的注入量
减少浮动扩散节点偏置，可以让电场放松，可以有效减少暗电流； 但这会减弱较低的溢出电位。我们需要开发了一种新的像素结构，来改善这种不良现象。
在Shallow光电二极管和深埋光电二极管之间加入一层N-type，这样可以扩展浮动扩散区域。
图五、像素的设计和布局
这一层足以改善图像滞后，到较大的图像滞后裕度，钉扎电压（Vpin）可以在保持相同的全井容量的同时减少。较低的Vpin也有助于减少暗电流。
图六、 传输器件的 3D TCAD 仿真结果
关键工艺条件如离子优化植入和退火步骤减少，可以有效地减少缺陷。
四、实验结果
在60°C的单个像素暗电流的直方图如下图。在60℃的暗电流峰对应于0.9m像素的3.2 e / s，尽管光电二极管的剂量更高，黑色0.9微米像素的电流分布接近于1.1微米像素。
图七、0.9微米和1.1微米两种器件在60度下的直方图
下图展示了0.9微米像素的光响应曲线。 绿色通道信号饱和后，相邻通道红色和蓝色信号并没有扭曲。通过这个测试我们可以总结出blooming是0％。
图八、0.9um图像传感器的光响应
在亚微米的小像素制程中，我们必须要减少光学串扰。所有我们开发出了堆叠技术和串扰抑制技术。由背面硅表面和微透镜顶部之间的距离定义的光叠高度减少了10％。深沟槽隔离技术是被开发用以黑态表现不变的情况下有效地抑制光学串扰。新的滤色镜材料用于提高SNR10指数。获得0.9微米像素的量子效率光谱如下图。
图九、光谱响应曲线
可以看到串扰已经被很好地抑制住了，45nm堆叠中以0.9微米像素拍摄的彩色图像传感器拍摄的照片如下。
图十、实际拍摄
五、结论
采用45纳米先进制造技术，堆叠技术的0.9微米像素图像传感器，在平衡亮光和暗光充分发挥高性能。下表给出了一个总结，像素性能。在60°C的暗电流为3.2 e / s，超低噪声为0.90 e rms，高FWC为4100 e，无blooming,像素电源电压为2.8 V。
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