CCD纵向抗晕结构设计与优化

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇CCD纵向抗晕结构设计与优化范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要:为了抑制ccd图像传感器在强光照射时出现光晕和弥散现象,建立了CCD纵向抗晕结构模型,运用半导体器件数值模拟软件MEDICI,对建立的纵向抗晕CCD器件结构进行数值计算。结果表明:1PW层杂质浓度越低,电势越高,则电子势垒越低,则导入衬底的过量载流子越多,对应的抗晕能力越强。得到了CCD纵向抗晕结构的一种优化结构。关键词:CCD; 光晕; 纵向抗晕; 器件仿真

中图分类号:TN915.43-34; TP212 文献标识码:A 文章编号: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

近年来,CCD固体图像传感器已被广泛应用于军事、天文物理、工业检测和监控及医学诊断等领域,CCD摄像器件摄取的目标图像,光强从月光到日光,且变化的动态范围大,这就要求CCD既有高灵敏度响应,又要在日照强光下摄取的图像清晰。但是,CCD摄像器件在强光照射时会出现光晕(blooming)和拖影(smear)现象,而对于固体摄像器件,这些现象会严重影响到CCD的成像质量和清晰度,这就要求CCD在强光照时具有抗晕能力。

光晕就是图像中存在亮点,在显示屏上出现一个白色区域向周围扩展,从而出现柱状或线状白道的现象,这种现象如图1所示。就CCD摄像器件而言,当强光照时,积分期结束前,光敏单元的势阱已是满阱,即达到饱和状态,这时强光照而产生的过量电子,因超过信号处理能力就要溢出到邻近势阱,这时图像中出现一个白色区域向周围扩散。本文对CCD纵向抗晕结构,运用半导体器件二维数值模拟软件MEDICI进行数值模拟计算,对不同参数的纵向抗晕数值运算模型进行了比较和分析,得到了此结构下工艺参数的初步优化结果。

图1 有光晕现象的图片

1 CCD纵向抗晕结构的机理

图2可以用来说明CCD摄像器件的光晕纵向控制原理[1-5]。如前面所述,当V-CCD的驱动脉冲为高电平VH时,P-N结光电二极管的光生信号电荷被转移到V-CCD中。这时,光电二极管的电位与TG区的沟道电位ΦTGH相同,在电势曲线被标为“空”。接着,随着光电二极管中光生信号电荷的产生,二极管电势也随着相应减小。 当光照强时,二极管电势将到图中的“满”状态。一旦到达“满”状态,则二极管电势曲线就被固定达到饱和水平,因为这时过量的电荷就被导入衬底。通常可以通过调节偏压Vsub,使得二极管下1PW层电势总是比TG部分电势ΦTGM要高,这样1PW层势垒就比TG部分势垒要低(因对于电子,电势越高则势垒越低)。这时,垂直溢出漏起作用,由于光强而产生的所有过量电荷,就沿着1PW而被导入N衬底(N衬底像一个漏),而不是溢出到邻近的V―CCD,这样光晕受到抑制[6-10]。

从上述光晕控制说明中可知,光敏二极管所能存贮的最大电荷量QPDmax为:

QPDmax =CPD(ΦTGH-ΦPD)(1)

式中CPD是光敏二极管电容。无光晕的条件为:

ΦPD>ΦTGM(2)

图2 纵向抗晕的控制过程

2 纵向抗晕CCD模型的建立

由于一个CCD器件是由很多个结构单元组成,而且每个单元的结构完全相同,为此,选取了纵向抗晕CCD器件的一个结构单元进行了仿真。选取结构单元的简化计算模型如图3所示,其结构参数如下:器件的单元长度为46.4 μm;器件的厚度为10.1 μm,其中SiO2氧化层厚度为0.1 μm;G1,G2,G3分别为一相CCD的时钟电极,G1,G2电极的长度都为7 μm,G3电极的长度为15 μm;N型衬底磷掺杂浓度为5×1014 cm-3,1PW层硼掺杂浓度为8×1014 cm-3,结深为3 μm;2PW层硼掺杂浓度为2×1015 cm-3,结深为5 μm;转移栅TG下硼扩散区掺杂浓度为2×1016,结深为0.5 μm;N型沟道磷注入层表面杂质Nch为3×1016 ,结深为0.5 μm。通过N+扩散区将沟道注入区完全耗尽,P+区为沟阻隔离区。整个单元尺寸为46.4 μm×10.1 μm。

在对CCD器件做模拟时,MEDICI软件要求用一些非规则三角形图形构建二维仿真网格,首先构建器件二维网格结构,同时为了得到较高的运算精度和比较准确光滑的仿真曲线,对此网格结构进行了进一步的加密,经加密后,网格分布如图4所示。

利用器件模拟软件MEDICI软件,对建立的纵向抗晕CCD器件模拟结构进行数值计算,通过计算机求解二维泊松方程及电荷连续方程,选用MEDICI软件中的载流子迁移率模型中的低场迁移率模型(FLDMOB)、表面迁移率模型(SRFMOB)、俄歇复合模型(AUGER)、肖特基―里德―霍尔(SRH)等;数值方法用Newton Method,可以获得纵向抗晕结构的杂质浓度分布、工作时各种偏压下的电势分布等曲线。通过MEDICI软件利用高斯分布求解,可得器件模拟单元表面杂质浓度分布二维曲线,如图4所示。

图3 纵向抗晕CCD的模拟计算简化模型

图4 纵向抗晕CCD模拟单元网络结构

3 数据分析与讨论

纵向抗晕的基本原理是强光照射时,把超出光电┒极管最大电荷容量的过量光生载流子通过衬底反偏电压导入衬底的纵向溢出漏,从而抑制光晕和拖影现象。构建CCD模型仿真时,1PW层杂质浓度要小于TG转移栅下P层杂质浓度,这样可以保证仿真过程中1PW层势垒总是要低于TG转移栅下势垒,结果是使过量的光生载流子不溢出到旁边的转移沟道,而只被纵向导入衬底溢出漏。CCD在纵向抗晕过程中受衬底反偏电压和1PW层硼掺杂浓度的影响,下面就这些影响因素进行仿真和讨论。

CCD纵向抗晕过程中,通过调节1PW层硼掺杂浓度和衬底反向偏置电压使得1PW层势垒总是低于TG转移栅下势垒高度,以保证过量光生载流子被纵向导入衬底溢出漏,而不是溢出到旁边转移沟道,这是由于电子总是首先向势垒低的地方运动。由此可见,1PW层硼掺杂浓度直接影响到CCD纵向抗晕能力。选取Nch沟道掺杂浓度为3×1016 cm-3,节深为0.5 μm,在G3下注如入电子电荷量Q=1.598×10-14 coul/μm,对衬底施加相同的反向偏置电压Vsub=15 V,1PW层节深为3 μm条件下,取1PW硼掺杂浓度分别在6×1014 cm-3,8×1014 cm-3,1×1015 cm-3时进行瞬态模拟。图5给出了1PW硼掺杂浓度分别在6×1014 cm-3,8×1014 cm-3、1×1015 cm-3情况下的对比图。从图5中可以清楚看到在其他条件相同的情况下,1PW层杂质浓度越低,电势越高,则电子势垒越低,则导入衬底的过量载流子越多,对应的抗晕能力越强。同时,G3下的最大容纳电荷容量也随着1PW层杂质浓度增加而增大。由比较分析可得,1PW层浓度取8×1014 cm-3抗晕能力较好。

图5 1PW层不同杂志 质浓度的纵向抗晕电势曲线

4 结 语

本文建立了模拟纵向抗晕CCD器件的数值运算模型,利用半导体器件二维数值仿真软件MEDICI,对CCD纵向抗晕的各个影响参数进行了二维数值模拟研究。通过模拟和分析可以得出: 1PW层杂质浓度越低,电势越高,则电子势垒越低,则导入衬底的过量载流子越多,对应的抗晕能力越强。对不同参数的纵向抗晕数值运算模型进行了比较和分析,得到了此结构下工艺参数的初步优化结果,即1PW层杂质浓度为8×1014 cm-3,衬底反偏电压Vsub=15 V时抗晕效果较好。

参考文献

[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]陈榕庭.CMOS图像传感器封装与测试[M]. 北京:电子工业出版社,2006.

[3]刘爽,王浩,龙再川,等.一种高速CCD数据采集系统的设计[J].现代电子技术,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]韩采芹,柳忠彬.科学级帧转移型CCD相机拖影问题的处理[J].科学技术与工程,2009,9(15):4336-4338.

[6]申立琴,马彩文,田新锋,等.基于网络技术的CCD图像采集系统研究[J].现代电子技术,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图像传感器基础与应用[M].北京:科学出版社,2006.

[10]王庆有.图像传感器应用技术[M].北京:电子工业出版社,2003.

[11]代荣,龙燕,李剑峰,等.基本CCD成像系统的硬件电路设计[J].现代电子技术,2007,30(22):185-187.