BDTI深度对CMOS图像传感器性能影响的分析.pdf

集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 1Research and Design 研究与设计摘要：阐述具有1m小像素的CMOS图像传感器设计，不同的BDTI深度对背照式CMOS图像传感器性能的影响。实验发现，较深的BDTI可以有效降低像素间的串扰，提升图像传感器在长波长处的量子效率，同时能提升图像传感器在白光下的色彩饱和度。关键词：CMOS图像传感器，BDTI深度，串扰，性能优化。中图分类号：TN402，TN713，TP391.41 文章编号：1674-2583(2023)06-0001-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.001文献引用格式：邵泽旭.BDTI深度对CMOS图像传感器性能影响的分析J.集成电路应用,2023,40(06):1-3.如图1所示为BSI图像传感器的横截面示意图。在BSI图像传感器中的画面非中心区域，光线容易经过微透镜之后，斜入射进入到近邻的像素中，形成光学串扰，如图1中所示，红色光线经过红色滤色器进入到绿色像素。恶化的光学串扰会降低像素的色彩饱和度（Chroma），会降低传感器的成像质量。由于载流子在同类型的单晶硅中可以类似自由移动，在像素之间隔离较弱时会形成电学串扰。而电学串扰除了会降低传感器的色彩饱和度，还会造成不同颜色像素间在饱和后的溢出，形成不期望看到的光晕。因此为了减少相邻像素间的光学以及电学的串扰，需要在像素中增加隔离来提升传感器的成像质量。0 引言相比于传统的电荷耦合器件（CCD），CMOS图像传感器（CIS）在制造成本，成像性能，集成度等诸多方面都具有无可比拟的优势1。在消费电子、安防监控、汽车电子、机器视觉等众多应用领域，CIS均已经占据大部分的份额。对于图像传感器而言，设计的重要目标之一就是获得更好的信噪比以达到更好的成像效果。1 研究背景基于项目的CIS逐渐从前照式（FSI）开发出了背照式（BSI）新结构类型。对于FSI图像传感器而言，光线先经过微透镜，然后经过颜色阵列，再之后进入到介质层和电路连接层，最后进入光电转换部分。对于BSI图像传感器，光线在经过微透镜阵列和颜色阵列之后就直接进入到了单晶硅形成的光电转换部分。BSI图像传感器中，光线经过的层次更少，其中各个介质层和其界面以及电路连接层中的金属对光线的吸收和反射也会更少，光子到达光电转换部分的概率也更高。因此BSI图像传感器的量子效率相对FSI会有较大幅度的提升，尤其是在消费电子等小尺寸像素的应用领域，BSI图像传感器占据绝对的优势。BDTI深度对CMOS图像传感器性能影响的分析邵泽旭（思特威电子科技有限公司，上海 200233）Abstract This study investigates the effect of different BDTI depths on the performance of BSI CMOS image sensors with 1m small pixel.Experiments have found that a deeper BDTI can effectively reduce the crosstalk between pixels,improve the quantum efficiency of the image sensor at long wavelengths,and at the same time improve the color saturation of the image sensor under white light.Index Terms CMOS image sensor,BDTI depth,crosstalk,performance optimization.Analysis on Influence of BDTI Depth on the Performance of CMOS Image SensorSHAO Zexu（SmartSens Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China.)作者简介：邵泽旭，思特威电子科技有限公司；研究方向：集成电路设计。收稿日期：2023-04-20；修回日期：2023-05-22。图1 BSI图像传感器的横截面2 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计目前CMOS图像传感器中像素间的隔离方式主要有三种。第一种是采用P型元素注入隔离。第二种采用背侧深沟槽隔离（backside deep trench isolation,BDTI）。第三种为全深沟槽隔离（full deep trench isolation,FDTI）。P型隔离是在相邻像素间采用含P型元素的离子注入，使像素间形成P型反型层。在像素中由于光电效应产生的电子难以穿越，从而可以有效降低电学串扰，但是对于光学串扰的作用则微乎其微。对于BDTI隔离而言，是在图像传感器的入光面一侧，在像素之间制造出深槽，深槽中填入了无机氧化物等材料。使光线在相邻像素的界面处可以发生反射，从而降低光学串扰。同时，由于BDTI本身是一种物理隔离，可以很好地起到降低电学串扰的作用。第三种隔离方式是在像素之间制造出FDTI深槽，深槽贯穿整个单晶硅层2。FDTI工艺可以在CMOS前道也可以在BSI工艺阶段进行制造。通常来说，FDTI对于光学和电学的隔离效果较BDTI的更好。但这种制造技术相对比较困难，需要进行较大深宽比的沟槽刻蚀。制造过程在像素中产生的界面面积最大，容易产生晶格损伤，不利于暗电流和白点等高温性能的提升。目前BDTI隔离是小像素BSI图像传感器中采用最为广泛的隔离技术。除了上述对像素间的电学及光学串扰影响之外，由于深槽隔离能够为像素间提供反射的界面，可以改变光线在像素中的光程，因此深槽隔离还可能会影响像素本身的量子效率。本文针对小像素的BDTI隔离技术，研究了背侧深槽隔离结构的深度对1um像素的图像传感器各项关键性能技术指标的影响，总结了BDTI的优化思路和方向。2 实验方案本实验采用90nm制造工艺，制备了具有不同深度的BDTI的CMOS图像传感器。其中图像传感器的像素大小为1m，单晶硅层的厚度为3m，BDTI的深度分别为1.3m，1.5m，1.7m，1.9m，2.1m。不同深度的BDTI通过不同的干法刻蚀时间得到。对不同BDTI深度的图像传感器进行了相关的光学及电学测试。同时，采用TCAD对1.3m和2.1m深度BDTI的图像传感器进行了离轴光学有限时域差分（FDTD）仿真来进行进一步的理论验证。3 实验结果如表1所示，列出了为不同BDTI深度的图像传感器的量子效率。可以看到随着BDTI深度增加，图像传感器对460nm的光子的量子效率几乎没有变化。在520nm波段，量子随着BDTI的深度略有提升。BDTI深度从1.3m增加到2.1m时，量子效率从76.3%略微增加到了78.5%。在位于红光区域的630nm波长处，BDTI深度从1.3m增加到2.1m时，量子效率有了大幅提升，从58.4%增加到62.8%。这主要是由于随着BDTI深度的增加，光子在进入像素后，经过BDTI反射后在像素内的光程增加，光子吸收的距离变长导致量子效率提升。而单晶硅对短波长的光子的吸收效率较高，在较短的光程中就可以将光线吸收完全，不需要经过更长的光程。因此BDTI的深度加深对于短波长光子的量子效率提升并不明显。从表1可以看到，随着BDTI深度从1.3m增加到2.1m时，在A光下，Chroma从50.0%上升到54.2%；在D50光下，Chroma从54.1%上升到57.3%。如图2所示，为具有1.3m和2.1m深度BDTI的像素离轴光学FDTD仿真图。从图中可以看到光线在进入像素中后，在遇到BDTI时，光线的路径会发生反射，光线会被限域在像素内部，光线的光程也会增大，对量子效率的提升会有帮助。而当BDTI深度加深时，这一反射效应会增加，使得QE提升更加明显，这与上述的实验现象一致。从仿真图中可以看到，当BDTI较浅时，红色光线从BDTI下部进入到近邻像素的概率升高，会导致光学串扰的比例也随之升高。A光下的长波长红色光的分量更多，而长波长的穿透力更强，因此更深的BDTI深度更有利于低色温下的图像传感器的Chroma的提升。仿真和实验结果互相验证，说明了更深的BDTI深度对于抑制光学串扰的有效性。除了光学性能的测试，本研究分析了BDTI深度对图像传感器电学性能的影响。表2列出了不同BDTI深度图像传感器的部分电学性能。随BDTI深度增加，图像传感器的满阱变化较小。由于BDTI位于表1 不同BDTI深度的图像传感器的量子效率及色彩饱和度 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 3Research and Design 研究与设计像素的边缘区域，与N型掺杂区域并不重叠，对像素中心的势阱影响较小，因此随BDTI深度增加，满阱变化并不明显。随着隔离深度的增加，电学溢出（Blooming）数值在逐步减小，从64%逐渐减小到10%；但BDTI深度在1.7m之后，Blooming并没有进一步优化。分析其中的主要原因在于，在没有BDTI时，像素间的隔离主要是靠P型反型层隔离实现，像素中的电子在足够多时，电子会在隔离最弱的位置发生扩散和漂移，电荷进入到相邻像素中，产生电学串扰。当纵向P型隔离最弱的位置与BDTI发生交叠时，由于BDTI是纯物理隔离，电子几乎无法直接穿越BDTI，因此电学隔离效果远好于P型的掺杂隔离，能有效优化隔离效果。BDTI从1.3m增加到1.7m时，电学串扰效果大幅提升，从64.3%优化约10%。说明BDTI的深度已经与P型隔离最弱的位置发生了交叠。而随着隔离的进一步加深，Blooming并没有持续大幅度优化，说明存在其他的P型隔离相对虚弱的位置，这些位置位于浅表，位于BDTI触及不到的位置，且这一部分对电学串扰的影响远小于较深处的P型隔离。由于这种电学串扰导致拍摄物体的真实形状和颜色无法被准确呈现，一些需要机器视觉对物体进行识别的场景中则会发生识别错误。表2中列出了不同BDTI深度图像传感器的暗电流和白点数据。从图中可以看到，随着BDTI深度的加深，暗电流DC出现一定程度的增大，同时白点也在不断增加。当BDTI深度增加到2.1m时，DC从3.2e-s-1增加到4.2e-s-1，恶化约31%；WP从37ppm增加到了67ppm，恶化约81%。随着BDTI深度的增加，深槽与单晶硅接触部分的内表面面积不断增加。本实验中，深槽是由干法刻蚀工艺形成。在干法刻蚀工艺中，等离子体与单晶硅的表面会发生相互作用形成较多诸如悬挂键等的缺陷，这些缺陷会成为暗电流的来源。同时表面积的增加也增大金属离子污染物的附着位点面积及概率，使图像传感器的暗电流及白点增加。虽然在BDTI的沟槽刻蚀之后，会采用一些具有负固定电荷的high-k材料，例如Al2O3或HfO2，在沟槽的近表面位置形成P型反型层来降低BDTI对传感器性能的影响3，但是额外增多的表面积仍然会成为轻微恶化暗电流及增多白点的来源。本研究中图像传感器的BDTI中的high-k制程，需要进一步优化来提升更深BDTI的图像传感器的高温性能。4 结语本文以1m像素BSI图像传感器为研究对象，研究了BDTI深度对图像传感器光学及电学性能的影响。BDT深度加深后，图像传感器的光学和电学串扰得到了有效的抑制，性能不断提升。随着BDTI的深度的加深，由于光程的增加，像素的630nm波长量子效率提升约7.5%。同时由于BDTI的限域效应，光学串扰不断优化，Chroma有了较大的改善，A光下Chroma从50%提升到54%，D50光下Chroma从54%提升到57%。FDTD光学仿真结果也验证了BDTI加深对光学串扰及QE的优化原理。此外，由于BDTI的有效的物理隔离作用，电学串扰从64.3%优化10%左右。由于BDTI制造工艺中引入的悬挂键等缺陷，使BDTI的加深也带来了一定程度上暗电流和wp性能的恶化，本实验中的BDTI的制造工艺也有待进一步优化来提升高温性能。参考文献1 Gouveia L C P,Choubey B.Advances on CMOS image sensorsJ.Sensor review,2016,36(3):231-239.2 Kim H C,Park J,Joe I,et al.5.6 A 1/2.65 in 44Mpixel CMOS image sensor with 0.7 m pixels fabricated in advanced full-depth deep-trench isolation technologyC.2020 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC),IEEE,2020:104-106.3 Kim H,Chavan V D,Aziz J,et al.Effect of ALD Processes on Physical and Electrical Properties of HfO 2 Dielectrics for the Surface Passivation of a CMOS Image Sensor ApplicationJ.IEEE Access,2022,10:68724-68730.图2 1.3m和2.1m深度BDTI的像素离轴光学FDTD仿真图表2 不同BDTI深度的图像传感器的性能