高轉(zhuǎn)移效率時(shí)間飛行(TOF)圖像傳感器的像素單元優(yōu)化

吳元慶 ,王 婷 ,李崎嫚 ,劉春梅 ,彭國(guó)良

(1.渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 錦州 121013;2.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院,陜西 西安 710071)

三維圖形技術(shù)中,圖像信息的獲取不會(huì)受到物體本身的形狀和角度影響,使得3D 圖像的獲取有能力解決很多二維圖像技術(shù)不能解決的問題。三維圖形技術(shù)所獲取的圖像信息更符合實(shí)際環(huán)境,也更能滿足人們的日常需求[1]。TOF(Time of Flight,時(shí)間飛行)相機(jī)是一種新興的三維圖像獲取設(shè)備,在眾多領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用潛力[2]。

三維圖像的實(shí)現(xiàn)是基于相機(jī)提供的場(chǎng)景深度信息進(jìn)而給出三維圖像的描述,后期不需要更多的計(jì)算處理,可以有效節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。Robert 等[3]提出固態(tài)時(shí)間飛行距離相機(jī),首次將TOF 技術(shù)應(yīng)用在2D 像素陣列,基于連續(xù)波的TOF 技術(shù),實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)靜態(tài)拍攝的距離相機(jī)。利用近紅外雷達(dá)波作為調(diào)制波,接收到探測(cè)信號(hào)后通過CCD 2D 陣列進(jìn)行反調(diào)制,每個(gè)像素獨(dú)立工作,使得相機(jī)的距離精度達(dá)到厘米級(jí)。Shoji 等[4]提出的TOF 解決方案中,采用電荷漏結(jié)構(gòu)(Charge Draining Structures,CDS)消除背景光,使用更短的脈沖波,保證了像素的驅(qū)動(dòng)能力和高集成度。國(guó)內(nèi)的研究方面,牛洪星等[1]對(duì)TOF 傳感器的建模和運(yùn)動(dòng)仿真展開研究,取得不錯(cuò)的成績(jī)。但這些研究人員更多地關(guān)注于傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和處理電路設(shè)計(jì),而像素單元內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效率更直接影響了圖像傳感器的性能。

為了提高TOF 中的電荷轉(zhuǎn)移速率,本文研究了傳感器像素單元的優(yōu)化策略和方法,基于鉗位光電二極管(Pinned-Photo Diode,PPD)的圖像像素優(yōu)化技術(shù),通過工藝的調(diào)整和結(jié)構(gòu)仿真的優(yōu)化,使得TOF 的電荷轉(zhuǎn)移效率更高,速度更快,性能更好。

1 TOF 圖像傳感器模型

1.1 TOF 技術(shù)

時(shí)間飛行(TOF)相機(jī)的工作原理,是利用紅外調(diào)制光源向被測(cè)物發(fā)射脈沖光束,利用反射光束的相移差實(shí)現(xiàn)距離信息的求解[5]。

為了探測(cè)到發(fā)射光束和反射光束的相移差,光源需要以脈沖或者連續(xù)波的形式進(jìn)行調(diào)制,光源信號(hào)通常為正弦波或方波。

1.2 模型建立

TOF 傳感器的制造工藝,采用標(biāo)準(zhǔn)0.18 μm CMOS 工藝,圖像傳感器的工藝流程如圖1 所示[6]。

圖1 TOF 圖像傳感器工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of TOF image sensor

利用Silvaco 軟件建模仿真后,獲得的圖像傳感器結(jié)構(gòu),如圖2 所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of TOF image sensor

1.3 TOF 工作原理

TOF 的電路原理圖如圖3 所示。由圖3 中可以看到,在反射光波信號(hào)到達(dá)PD 光電二極管前,PD 左側(cè)的RST(復(fù)位管)一直處于工作狀態(tài),用于將背景光信號(hào)消除。

圖3 TOF 的電路原理圖Fig.3 Schematic circuit diagram of TOF

反射波到達(dá)PD 后,RST 停止工作,經(jīng)過充分曝光,PD 內(nèi)部產(chǎn)生光電信號(hào),此時(shí)曝光停止。打開傳輸柵(Transfer Gate,TG),PD 中的信號(hào)電子快速傳輸?shù)礁】展?jié)點(diǎn)(Floating Diffusion,FD)中,FD 電荷量開始發(fā)生變化。

柵源極追隨器(Source Follower,SF)將FD 的電荷變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),產(chǎn)生FD 電勢(shì)[7]。由于FD中存在噪聲信號(hào),因此需要對(duì)其進(jìn)行復(fù)位消除[8]。

SF 中讀取的信號(hào),經(jīng)過放大后,輸入至雙相關(guān)采樣電路進(jìn)行存儲(chǔ)和信號(hào)處理。處理后的信號(hào),通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為14 位數(shù)字信號(hào),經(jīng)過并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù)處理,獲得一位的out 串行數(shù)據(jù)。

復(fù)位過程中,同時(shí)打開TG 和RST 的MOS 柵,復(fù)位段的電極接VDD,PPD 的電子向高電勢(shì)方向移動(dòng)。復(fù)位完成后,電子濃度降低到1015/cm3以下時(shí),認(rèn)為PPD 全耗盡。

2 仿真結(jié)果與優(yōu)化

2.1 仿真結(jié)果

2.1.1 圖像傳感器復(fù)位情況

圖4 為PD 電子復(fù)位的電子數(shù)量時(shí)序圖。從圖4 可以看到,PD 中的電子僅僅需要1.5 ns 左右就完成了復(fù)位,而且N 型區(qū)的電子數(shù)量由13200 個(gè)電子復(fù)位后只剩2～3 個(gè)電子,實(shí)現(xiàn)了徹底的全耗盡。

圖4 PPD 的復(fù)位過程的電子數(shù)量時(shí)序Fig.4 Electronic quantity timing of PPD reset process

2.1.2 圖像傳感器曝光

由于TOF 的調(diào)制和解調(diào)的脈沖頻率很高,使得每次曝光的時(shí)間很短,因此需要TOF 圖像傳感器具有較高的量子效率。而圖像傳感器的量子效率由光電二極管的N 區(qū)注入工藝直接決定[9]。

在復(fù)位完成之后,對(duì)圖像傳感器進(jìn)行短時(shí)間曝光。曝光參數(shù)如下: 入射角度為垂直PPD 入射,紅外光波長(zhǎng)一般為850～910 nm,曝光強(qiáng)度為0.1 W/cm2,曝光時(shí)間為10～50 ns。

量子效率μp是評(píng)價(jià)光電二極管工作特性的重要參數(shù),其計(jì)算公式為:

式中:A為曝光面積;texp為曝光時(shí)間;λ為光波長(zhǎng);E為光強(qiáng)密度。由式(1)可以對(duì)光子數(shù)計(jì)算,量子效率可以表示為在鉗位二極管中產(chǎn)生的光電子數(shù)與光子數(shù)的比值。

表1 為不同的參數(shù)情況下的量子效率。分別做三組實(shí)驗(yàn),曝光強(qiáng)度分別為0.1,0.001 和1×10-6W/cm2,選擇曝光時(shí)間分別為10,30 和50 ns,比較量子效率的情況。本文選擇曝光面積為4.7 μm2,曝光波長(zhǎng)為905 nm。

從表1 的曝光結(jié)果可以看到,對(duì)于第1 組或第2組的曝光情況,在曝光強(qiáng)度為0.1 W/cm2和0.001 W/cm2時(shí),量子效率的規(guī)律為: 曝光時(shí)間越長(zhǎng),傳感器的量子效率越高。對(duì)于第3 組中光強(qiáng)密度為1×10-6W/cm2的情況,其量子效率與前兩組相反,量子效率隨著曝光時(shí)間的增大而減小,分析其原因,主要是由于光電子信息被回流電子覆蓋所導(dǎo)致。

表1 不同參數(shù)下獲取的量子效率Tab.1 Quantum efficiency of different parameters

縱觀3 組情況,在相同的曝光時(shí)間下,光強(qiáng)密度越小,量子效率越高。在光強(qiáng)為1×10-6W/cm2,曝光時(shí)間為10 ns 時(shí),量子效率達(dá)到1330.4%。

2.2 TOF 關(guān)斷優(yōu)化

在圖像傳感器的像素內(nèi)部,最重要的元件是光電二極管PD(Photo Diode)。在PD 中,TG 的好壞直接決定了像素是否能夠工作或達(dá)到期望的工作效果[10]。

對(duì)于TOF 來說,不僅要關(guān)注勢(shì)壘的快速轉(zhuǎn)移,也要關(guān)注電子轉(zhuǎn)移完成及TG 關(guān)斷后,是否完全隔離PPD 和FD,這直接影響了像素能否正常工作[11]。

TG 的勢(shì)壘分布對(duì)PD 的工作特性影響很大,是整個(gè)器件構(gòu)造的關(guān)鍵點(diǎn)。CPX (Clamp P-Zone X,P 鉗位區(qū))的主要作用是控制TG 的閾值電壓,影響傳輸柵的開啟關(guān)閉特性。P-Well 是對(duì)FD 浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)和PD隔離的第一道保障,也同時(shí)防止寄生的閂鎖效應(yīng)。根據(jù)離子注入情況,P-Well 還會(huì)影響到傳輸柵下的勢(shì)壘,一般P-Well 是通過多次注入實(shí)現(xiàn)的。

防穿通注入的根本目的在于,實(shí)現(xiàn)對(duì)PD 的N 型埋層和FD 浮空擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的底部隔離,防止FD 中存儲(chǔ)電荷的損耗。不同的代工廠采用不同的APT 工藝進(jìn)行器件隔離,具體形式與工藝情況有關(guān)。

對(duì)TG 傳輸柵下的勢(shì)壘分布進(jìn)行調(diào)整,使得PPD中的電荷能夠迅速、完全地轉(zhuǎn)移至FD 中[12]。對(duì)于TOF 工藝的優(yōu)化,主要是注入方案的調(diào)整,不使用APT 防穿通注入工藝,直接使用閾值調(diào)整CPX 注入和PWELL 的注入,從而在PPD 與FD 邊界處,實(shí)現(xiàn)良好的勢(shì)壘分布。

對(duì)于優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真,分別考慮TG 導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的電子勢(shì)能分布,仿真結(jié)果如圖5 和圖6所示。

圖5 TG 導(dǎo)通時(shí)PPD 和FD 中的電子勢(shì)能分布Fig.5 Electron potential energy distribution in PPD and FD at TG conduction

圖6 TG 關(guān)斷時(shí)PPD 和FD 中的電子勢(shì)能分布Fig.6 Electron potential energy distribution in PPD and FD at TG off

圖5 和圖6 為工藝優(yōu)化后三維電勢(shì)的勢(shì)壘分布。圖5 描述了TG 開啟后的勢(shì)壘分布,勢(shì)壘分布滿足開啟需求。圖6 中,在保證PPD 中的電荷完全的轉(zhuǎn)移到FD 中后,TG 關(guān)斷可以很好地實(shí)現(xiàn)PPD 和FD 的隔離。

2.3 TOF 圖像傳感器電荷轉(zhuǎn)移效率優(yōu)化

電荷轉(zhuǎn)移速度是TOF 圖像傳感器的重要參數(shù),如何在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向[13]。

橫向電場(chǎng)電荷調(diào)制器(Lateral Electric Field Charge Modulator,LEFM) 結(jié)構(gòu)通過增加?xùn)诺臄?shù)量,可以使得電荷轉(zhuǎn)移速度達(dá)到很快,但是該方法的非標(biāo)電壓會(huì)導(dǎo)致時(shí)序混亂而增加了電路復(fù)雜程度,且大幅增加了傳感器功耗,器件的性能受到了極大的限制[14]。為了在標(biāo)準(zhǔn)3.3V 電壓情況下,依然使得電荷傳輸速度達(dá)到最高,需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

分析電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間的機(jī)理,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)PPD 中的感光區(qū),一般為矩形結(jié)構(gòu),電荷在N 埋層中基本屬于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),擴(kuò)散時(shí)間t可以表示為:

式中:Ldif為擴(kuò)散長(zhǎng)度;Dn為擴(kuò)散系數(shù)。

同時(shí),由于N 埋層與襯底之間存在寄生PN 結(jié),其寄生電場(chǎng)E會(huì)使得電子受到作用而產(chǎn)生漂移,漂移時(shí)間公式為:

式中:Ldri為漂移運(yùn)動(dòng)距離;μn為電子遷移率。

從而,總的電子轉(zhuǎn)移時(shí)間為漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)作用的時(shí)間之和,表示為:

由式(4)可知,優(yōu)化PPD 形狀,增大電場(chǎng)E可以有效降低漂移時(shí)間,電子運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間縮小,進(jìn)而提高電荷轉(zhuǎn)移速度。

當(dāng)PPD 完全耗盡時(shí),其電勢(shì)Vd的表達(dá)式為:

式中:Xn為耗盡區(qū)寬度;ND為襯底電子濃度;NA為N埋層中空穴濃度。

對(duì)于縱向電場(chǎng),其與耗盡區(qū)寬度的關(guān)系可以表示為:

由式(6)可知,通過改變N 埋層的寬度,能夠有效提高耗盡區(qū)寬度Xn和N 埋層中的電場(chǎng)E,從而提高電荷轉(zhuǎn)移速率。

對(duì)于固定的k值,通過對(duì)式(5～6)求解,可以得到:

根據(jù)耗盡層寬度與Y軸位置的函數(shù)關(guān)系,構(gòu)建關(guān)系曲線,可以得到增大邊緣電場(chǎng)后的器件結(jié)構(gòu),結(jié)合工藝設(shè)計(jì)后,模型如圖7 所示。

圖7 優(yōu)化后的器件俯視圖Fig.7 Top view of optimized device

為了驗(yàn)證本文縱向電場(chǎng)優(yōu)化的效果,利用Silvaco對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行仿真,并與相同面積下的原矩形結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化前與優(yōu)化后的轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)比結(jié)果,如圖8 所示。

圖8 器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)比Fig.8 Comparison of transfer time before and after device structure optimization

從圖8 中可以看到,在相同的TG 長(zhǎng)度下,優(yōu)化后的模型轉(zhuǎn)移時(shí)間均小于矩形結(jié)構(gòu),只有在TG 長(zhǎng)度為0.8 μm 時(shí)兩者相近,其他情況下,兩者均差距明顯,轉(zhuǎn)移時(shí)間節(jié)省10～20 倍,證明該模型能夠有效提高電荷轉(zhuǎn)移速率。

器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化前與優(yōu)化后的轉(zhuǎn)移效率對(duì)比結(jié)果,如圖9 所示。從圖9 中可以看到,在轉(zhuǎn)移效率方面,改進(jìn)后模型依然優(yōu)于矩形結(jié)構(gòu),除了在TG 長(zhǎng)度較低的0.8 μm 時(shí),兩者相距不明顯外,其他TG 長(zhǎng)度下,兩者的轉(zhuǎn)移效率均存在較大的差異,效率相差5～20 倍。

圖9 器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)移效率對(duì)比Fig.9 Comparison of conversion efficiency before and after device structure optimization

對(duì)器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后N 阱中殘余電荷情況進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖10 所示。從圖10 中可以看到,N 阱中殘余電荷濃度方面,優(yōu)化后模型只有在TG 長(zhǎng)度低于1.5 μm 時(shí)會(huì)略低于矩形結(jié)構(gòu),在TG 長(zhǎng)度大于1.5 μm后,殘余電荷濃度遠(yuǎn)超過矩形結(jié)構(gòu)。因此在圖像傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中,需要對(duì)TG 的長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化,以保證器件在具有高的轉(zhuǎn)移效率情況下,具有盡量低的殘余電荷濃度。

圖10 器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后N 阱殘余電荷對(duì)比Fig.10 Comparison of residual charge in N-Well before and after device structure optimization

從總體結(jié)果上看,經(jīng)過縱向電場(chǎng)改進(jìn)后的TOF 圖像傳感器具有更好的電荷轉(zhuǎn)移速度和電荷轉(zhuǎn)移效率,但需要根據(jù)TG 長(zhǎng)度來有效控制殘余電荷濃度。

3 結(jié)論

針對(duì)TOF 的基本需求,本文利用Silvaco 軟件對(duì)傳感器進(jìn)行了建模,進(jìn)行了電學(xué)和光學(xué)仿真,模擬了TOF 圖像傳感器在實(shí)際工作中的狀態(tài)。利用工藝優(yōu)化對(duì)傳感器的關(guān)斷進(jìn)行改進(jìn),通過對(duì)工藝中防穿通注入的優(yōu)化,能夠很好地實(shí)現(xiàn)PPD 和FD 的隔離。研究了TOF 中PPD 的電荷快速轉(zhuǎn)移優(yōu)化,改進(jìn)后的模型可以快速實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移,平均轉(zhuǎn)移時(shí)間節(jié)省近10 倍,大大提高了電荷轉(zhuǎn)移效率。與單純改變傳感器結(jié)構(gòu)和處理電路的處理方式相比,本文改進(jìn)后模型的電荷轉(zhuǎn)移效率更高,器件的性能更好。為TOF 圖像傳感器的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供了一個(gè)改進(jìn)思路。