CCD縱向抗暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

摘 要:為了抑制CCD圖像傳感器在強(qiáng)光照射時(shí)出現(xiàn)光暈和彌散現(xiàn)象，建立了CCD縱向抗暈結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用半導(dǎo)體器件數(shù)值模擬軟件MEDICI，對(duì)建立的縱向抗暈CCD器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明:1PW層雜質(zhì)濃度越低，電勢(shì)越高，則電子勢(shì)壘越低，則導(dǎo)入襯底的過(guò)量載流子越多，對(duì)應(yīng)的抗暈?zāi)芰υ綇?qiáng)。得到了CCD縱向抗暈結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞:CCD; 光暈; 縱向抗暈; 器件仿真

中圖分類號(hào):TN915.43-34; TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-373X(2010)16-0172-03

Design and Optimization of CCD Image Sensor with Vertical Anti-blooming Structure

WU Li-fan

(Xi’an University of Post Telecommunications， Xi’an 710121，China)

Abstract:A model of CCD vertical anti-blooming structure is proposed to eliminate blooming and smear of CCD image sensor in bright light. MEDICI is a semiconductor device numerical simulation software which can be used to compute the value of established CCD vertical anti-blooming structure. Results show that anti-blooming has an increased performance， because that the electronic potential barrier is lower and the more excess carriers are imported into the substrate following the declining of the 1PW impurity concentration. An optimum structure is obtained.

Keywords: CCD;blooming; vertical anti-blooming; device simulation

0 引 言

近年來(lái)，CCD固體圖像傳感器已被廣泛應(yīng)用于軍事、天文物理、工業(yè)檢測(cè)和監(jiān)控及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域，CCD攝像器件攝取的目標(biāo)圖像，光強(qiáng)從月光到日光，且變化的動(dòng)態(tài)范圍大，這就要求CCD既有高靈敏度響應(yīng)，又要在日照強(qiáng)光下攝取的圖像清晰。但是，CCD攝像器件在強(qiáng)光照射時(shí)會(huì)出現(xiàn)光暈(blooming)和拖影(smear)現(xiàn)象，而對(duì)于固體攝像器件，這些現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響到CCD的成像質(zhì)量和清晰度，這就要求CCD在強(qiáng)光照時(shí)具有抗暈?zāi)芰Α?/p>

光暈就是圖像中存在亮點(diǎn)，在顯示屏上出現(xiàn)一個(gè)白色區(qū)域向周圍擴(kuò)展，從而出現(xiàn)柱狀或線狀白道的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象如圖1所示。就CCD攝像器件而言，當(dāng)強(qiáng)光照時(shí)，積分期結(jié)束前，光敏單元的勢(shì)阱已是滿阱，即達(dá)到飽和狀態(tài)，這時(shí)強(qiáng)光照而產(chǎn)生的過(guò)量電子，因超過(guò)信號(hào)處理能力就要溢出到鄰近勢(shì)阱，這時(shí)圖像中出現(xiàn)一個(gè)白色區(qū)域向周圍擴(kuò)散。本文對(duì)CCD縱向抗暈結(jié)構(gòu)，運(yùn)用半導(dǎo)體器件二維數(shù)值模擬軟件MEDICI進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)不同參數(shù)的縱向抗暈數(shù)值運(yùn)算模型進(jìn)行了比較和分析，得到了此結(jié)構(gòu)下工藝參數(shù)的初步優(yōu)化結(jié)果。

圖1 有光暈現(xiàn)象的圖片

1 CCD縱向抗暈結(jié)構(gòu)的機(jī)理

圖2可以用來(lái)說(shuō)明CCD攝像器件的光暈縱向控制原理[1-5]。如前面所述，當(dāng)V-CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖為高電平VH時(shí)，P-N結(jié)光電二極管的光生信號(hào)電荷被轉(zhuǎn)移到V-CCD中。這時(shí)，光電二極管的電位與TG區(qū)的溝道電位ΦTGH相同，在電勢(shì)曲線被標(biāo)為“空”。接著，隨著光電二極管中光生信號(hào)電荷的產(chǎn)生，二極管電勢(shì)也隨著相應(yīng)減小。 當(dāng)光照強(qiáng)時(shí)，二極管電勢(shì)將到圖中的“滿”狀態(tài)。一旦到達(dá)“滿”狀態(tài)，則二極管電勢(shì)曲線就被固定達(dá)到飽和水平，因?yàn)檫@時(shí)過(guò)量的電荷就被導(dǎo)入襯底。通常可以通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓Vsub，使得二極管下1PW層電勢(shì)總是比TG部分電勢(shì)ΦTGM要高，這樣1PW層勢(shì)壘就比TG部分勢(shì)壘要低(因?qū)τ陔娮樱妱?shì)越高則勢(shì)壘越低)。這時(shí)，垂直溢出漏起作用，由于光強(qiáng)而產(chǎn)生的所有過(guò)量電荷，就沿著1PW而被導(dǎo)入N襯底(N襯底像一個(gè)漏)，而不是溢出到鄰近的V—CCD，這樣光暈受到抑制[6-10]。

從上述光暈控制說(shuō)明中可知，光敏二極管所能存貯的最大電荷量QPDmax為:

QPDmax =CPD(ΦTGH-ΦPD)(1)

式中CPD是光敏二極管電容。無(wú)光暈的條件為:

ΦPD>ΦTGM(2)

圖2 縱向抗暈的控制過(guò)程

2 縱向抗暈CCD模型的建立

由于一個(gè)CCD器件是由很多個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成，而且每個(gè)單元的結(jié)構(gòu)完全相同，為此，選取了縱向抗暈CCD器件的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了仿真。選取結(jié)構(gòu)單元的簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖3所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:器件的單元長(zhǎng)度為46.4 μm;器件的厚度為10.1 μm，其中SiO2氧化層厚度為0.1 μm;G1，G2，G3分別為一相CCD的時(shí)鐘電極，G1，G2電極的長(zhǎng)度都為7 μm，G3電極的長(zhǎng)度為15 μm;N型襯底磷摻雜濃度為5×1014 cm-3，1PW層硼摻雜濃度為8×1014 cm-3，結(jié)深為3 μm;2PW層硼摻雜濃度為2×1015 cm-3，結(jié)深為5 μm;轉(zhuǎn)移柵TG下硼擴(kuò)散區(qū)摻雜濃度為2×1016，結(jié)深為0.5 μm;N型溝道磷注入層表面雜質(zhì)Nch為3×1016 ，結(jié)深為0.5 μm。通過(guò)N+擴(kuò)散區(qū)將溝道注入?yún)^(qū)完全耗盡，P+區(qū)為溝阻隔離區(qū)。整個(gè)單元尺寸為46.4 μm×10.1 μm。

在對(duì)CCD器件做模擬時(shí)，MEDICI軟件要求用一些非規(guī)則三角形圖形構(gòu)建二維仿真網(wǎng)格，首先構(gòu)建器件二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了得到較高的運(yùn)算精度和比較準(zhǔn)確光滑的仿真曲線，對(duì)此網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的加密，經(jīng)加密后，網(wǎng)格分布如圖4所示。

利用器件模擬軟件MEDICI軟件，對(duì)建立的縱向抗暈CCD器件模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)計(jì)算機(jī)求解二維泊松方程及電荷連續(xù)方程，選用MEDICI軟件中的載流子遷移率模型中的低場(chǎng)遷移率模型(FLDMOB)、表面遷移率模型(SRFMOB)、俄歇復(fù)合模型(AUGER)、肖特基—里德—霍爾(SRH)等;數(shù)值方法用Newton Method，可以獲得縱向抗暈結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)濃度分布、工作時(shí)各種偏壓下的電勢(shì)分布等曲線。通過(guò)MEDICI軟件利用高斯分布求解，可得器件模擬單元表面雜質(zhì)濃度分布二維曲線，如圖4所示。

圖3 縱向抗暈CCD的模擬計(jì)算簡(jiǎn)化模型

圖4 縱向抗暈CCD模擬單元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 數(shù)據(jù)分析與討論

縱向抗暈的基本原理是強(qiáng)光照射時(shí)，把超出光電二極管最大電荷容量的過(guò)量光生載流子通過(guò)襯底反偏電壓導(dǎo)入襯底的縱向溢出漏，從而抑制光暈和拖影現(xiàn)象。構(gòu)建CCD模型仿真時(shí)，1PW層雜質(zhì)濃度要小于TG轉(zhuǎn)移柵下P層雜質(zhì)濃度，這樣可以保證仿真過(guò)程中1PW層勢(shì)壘總是要低于TG轉(zhuǎn)移柵下勢(shì)壘，結(jié)果是使過(guò)量的光生載流子不溢出到旁邊的轉(zhuǎn)移溝道，而只被縱向?qū)胍r底溢出漏。CCD在縱向抗暈過(guò)程中受襯底反偏電壓和1PW層硼摻雜濃度的影響，下面就這些影響因素進(jìn)行仿真和討論。

CCD縱向抗暈過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)1PW層硼摻雜濃度和襯底反向偏置電壓使得1PW層勢(shì)壘總是低于TG轉(zhuǎn)移柵下勢(shì)壘高度，以保證過(guò)量光生載流子被縱向?qū)胍r底溢出漏，而不是溢出到旁邊轉(zhuǎn)移溝道，這是由于電子總是首先向勢(shì)壘低的地方運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，1PW層硼摻雜濃度直接影響到CCD縱向抗暈?zāi)芰Α＿x取Nch溝道摻雜濃度為3×1016 cm-3，節(jié)深為0.5 μm，在G3下注如入電子電荷量Q=1.598×10-14 coul/μm，對(duì)襯底施加相同的反向偏置電壓Vsub=15 V，1PW層節(jié)深為3 μm條件下，取1PW硼摻雜濃度分別在6×1014 cm-3，8×1014 cm-3，1×1015 cm-3時(shí)進(jìn)行瞬態(tài)模擬。圖5給出了1PW硼摻雜濃度分別在6×1014 cm-3，8×1014 cm-3、1×1015 cm-3情況下的對(duì)比圖。從圖5中可以清楚看到在其他條件相同的情況下，1PW層雜質(zhì)濃度越低，電勢(shì)越高，則電子勢(shì)壘越低，則導(dǎo)入襯底的過(guò)量載流子越多，對(duì)應(yīng)的抗暈?zāi)芰υ綇?qiáng)。同時(shí)，G3下的最大容納電荷容量也隨著1PW層雜質(zhì)濃度增加而增大。由比較分析可得，1PW層濃度取8×1014 cm-3抗暈?zāi)芰^好。

圖5 1PW層不同雜志 質(zhì)濃度的縱向抗暈電勢(shì)曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了模擬縱向抗暈CCD器件的數(shù)值運(yùn)算模型，利用半導(dǎo)體器件二維數(shù)值仿真軟件MEDICI，對(duì)CCD縱向抗暈的各個(gè)影響參數(shù)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究。通過(guò)模擬和分析可以得出: 1PW層雜質(zhì)濃度越低，電勢(shì)越高，則電子勢(shì)壘越低，則導(dǎo)入襯底的過(guò)量載流子越多，對(duì)應(yīng)的抗暈?zāi)芰υ綇?qiáng)。對(duì)不同參數(shù)的縱向抗暈數(shù)值運(yùn)算模型進(jìn)行了比較和分析，得到了此結(jié)構(gòu)下工藝參數(shù)的初步優(yōu)化結(jié)果，即1PW層雜質(zhì)濃度為8×1014 cm-3，襯底反偏電壓Vsub=15 V時(shí)抗暈效果較好。

參考文獻(xiàn)

[1]ODA E， ISHIHARE Y， TERANISHI N. Blooming suppression mechanism for an interline CCD image sensor with a vertical overflow drain[M]. IEDM: Tech.Dig.，1983:501-504.

[2]陳榕庭.CMOS圖像傳感器封裝與測(cè)試[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[3]劉爽，王浩，龍?jiān)俅ǎ?一種高速CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(14):1-3.

[4]STEVENS E G. Photoresponse nonlinearity of solid-state image sensors with antiblooming protection [J].IEEE Trans. on Electron Devices，1991，38(2): 299-302.

[5]韓采芹，柳忠彬.科學(xué)級(jí)幀轉(zhuǎn)移型CCD相機(jī)拖影問(wèn)題的處理[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(15):4336-4338.

[6]申立琴，馬彩文，田新鋒，等.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的CCD圖像采集系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(2):151-153.

[7]STEVENS E G， LEE Y R， BURKEY B C. The effects of smear on antiblooming protection and dynamic range of inteline CCD image sensor[J].IEEE Trans. on Electron Devices，1992， 39(11): 2508-2514.

[8]ODA E. A 768×490 pixel CCD image sensor[M]. ISSCC: Tech. Dig. Papers， 1983:264-265.

[9][日]米本和也.CCD/CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2006.

[10]王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[11]代榮，龍燕，李劍峰，等.基本CCD成像系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(22):185-187.