1. 引言
CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor, CIS)是一种光电传感器，是摄像头模组的核心元器件，对摄像头光线感知和图像质量的影响起到关键作用[1]。随着工艺制程技术的不断发展，CMOS图像传感器凭借其以更小的尺寸获得更高的分辨率、高灵敏度以及低成本方面的优势，广泛应用于在消费电子、工业视觉、AR/VR等领域[2]。
噪声问题是影响CMOS图像传感器图像质量的关键因素之一[3]，图像传感器中的噪声会使成像质量恶化，同时也决定了图像传感器的信噪比，噪声的改善对于提升CMOS图像传感器图像质量有着非常重要的意义[4]。
在CMOS图像传感器的噪声分析过程中，闪烁噪声(1/f)是随机噪声的一个重要来源[5]。1/f噪声的根源是CMOS晶体管Si-SiO2界面处的晶格缺陷在不断的捕获、释放载流子。缺陷的数量和栅氧的面积以及工艺节点密切相关，随着技术节点的发展，晶体管的尺寸不断缩小。当晶体管小到一定尺寸后，理论上会出现Si-SiO2界面只存在一个缺陷的情况。在这种情形下，CMOS晶体管Si-SiO2界面处捕获载流子或释放载流子，所引起的噪声分布现象就是输出2个离散的值，此时产生RTS噪声[6]。
无论是1/f噪声还是RTS噪声，其来源都是MOS晶体管Si-SiO2界面处的晶格缺陷。改变退火工艺可以优化栅氧膜质，修复晶格缺陷。但是，需要精准的退火温度和退火时间，而退火温度和时间会影响到各种类型的器件性能，因此对基准工艺是一个较大的改动。同时，从噪声来源考虑，仅仅一个缺陷就能引起mV量级的RTS噪声，通过退火工艺单纯减少Si-SiO2界面陷阱数目，对消除RTS噪声并无太大帮助[7]。另一种方法是使导电沟道中的载流子远离Si-SiO2界面，这样也可以减少界面处缺陷对载流子的捕获、释放，进而降低1/f噪声和RTS噪声。将CMOS图像传感器中传统的源极跟随器NMOS晶体管做成埋层沟道NMOS晶体管，可以实现上述方法。仅需增加一道离子注入即可实现埋层沟道，从而让沟道的最高电位远离Si-SiO2界面，缺陷捕获沟道中导电载流子的几率也就大大降低，1/f噪声和RTS噪声得到改善[8]。本文以55 nm CIS工艺作为基准工艺，通过实验，研究了不同源极跟随器离子注入工艺对RTS噪声的影响进而获得最优工艺组合，为实际生产提供参考依据。
2. 实验设计
本文提出五种工艺方案，各方案工艺步骤如表1所示。
Table 1. Process step
表1. 工艺方案
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基准工艺 |
方案一 |
方案二 |
方案三 |
方案四 |
方案五 |
Step 1 |
Si Substrate |
Si Substrate |
Si Substrate |
Si Substrate |
Si Substrate |
Si Substrate |
Step 2 |
PW |
PW |
PW |
PW |
PW |
PW |
Step 3 |
Gate Oxide |
BC |
Gate Oxide |
Gate Oxide |
Gate Oxide |
BC |
Step 4 |
Poly silicon |
Gate Oxide |
Poly silicon |
Poly silicon |
Poly silicon |
Gate Oxide |
Step 5 |
NLDD |
Poly silicon |
F |
NLDD |
NLDD |
Poly silicon |
Step 6 |
Anneal |
NLDD |
NLDD |
F |
Anneal |
F |
Step 7 |
Spacer |
Anneal |
Anneal |
Anneal |
Spacer |
NLDD |
Step 8 |
NP |
Spacer |
Spacer |
Spacer |
NP |
Anneal |
Step 9 |
... |
NP |
NP |
NP |
F |
Spacer |
Step 10 |
... |
... |
... |
... |
... |
NP |
其中，基准工艺主要由8个步骤组成，第一步是形成衬底硅(Si substrate)，随后通过离子注入(Implantation, IMP)形成PW (P型阱)，第三步通过炉管制作出栅氧化层(Gate Oxide)，第四步通过炉管形成栅多晶硅(Poly silicon)，第五步通过离子注入形成N型轻掺杂源漏极(NLDD)，第六步通过退火设备进行高温退火(Anneal)，第七步通过炉管形成栅侧壁阻挡层(Spacer)，第八步通过离子注入形成N型源漏极(NP)，后续的金属互联等工艺过程和本文实验无相关性，因此不做描述。
方案一在基准工艺方案的基础上，在PW之后、Gate Oxide之前增加了埋沟(Buried Channel, BC)工艺步骤，具体来说是通过离子注入设备对SF器件进行元素注入，具体注入条件如表2所示；
方案二在基准工艺方案的基础上，在Poly silicon之后，NLDD之前增加了F工艺步骤，具体来说是通过离子注入设备对SF器件进行F元素注入，具体注入条件如表2所示；
方案三和方案四也是增加F，但和方案二的差异之处在于F工艺步骤在整个加工过程中的顺序，方案三的F工艺位于NLDD之后，Anneal之前，方案四的F工艺位于NP之后，方案二、方案三和方案四的共同之处是F离子注入均是在SF器件区域进行，具体注入条件如表2所示；
方案五是将方案一和方案二进行了组合，即同时增加了BC和F两个工艺，且F工艺步骤位于Poly silicon之后、NLDD之前，均是通过离子注入设备对SF器件进行元素注入，具体注入条件如表2所示。
Table 2. The setting up of experiment condition
表2. 实验条件设定
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工艺 |
加工形式 |
元素 |
能量(keV) |
剂量(cm−2) |
方案一 |
BC |
IMP |
Phos |
20 |
2E12 |
4E12 |
6E12 |
8E12 |
1E13 |
方案二 |
F (介于Poly silicon和NLDD之间) |
IMP |
F |
5 |
5E15 |
10 |
15 |
20 |
25 |
方案三 |
F (介于NLDD和Anneal之间) |
IMP |
F |
15 |
5E15 |
方案四 |
F 位于NP之后 |
IMP |
F |
15 |
5E15 |
方案五 |
BC + F |
IMP |
Phos & F |
Phos: 20 F: 15 |
Phos: 6E12 F: 5E15 |
3. 实验结果与分析
表3是方案一的RTS测试结果。定义基准工艺的RTS相对值(a.u.)为1，5种不同BC剂量工艺的RTS值最小为0.51、最大为1.41，可看出随着BC剂量从2E12逐渐增加到1E13，RTS值呈现先减小、后不变、再增大的趋势。BC IMP工艺将磷(Phos)元素注入到了SF器件Gate Oxide下方的PW中，使得原本是P型掺杂的PW中形成了由Phos元素构成的N型埋层沟道，从而让该SF器件沟道的最高电位远离了Si-SiO2界面，Si-SiO2界面缺陷捕获沟道中导电载流子的几率也就大大降低，RTS噪声得到了改善。比较RTS值可以看出当注入剂量为2E12时，埋层沟道尚未达到最佳效果，注入剂量达到4E12后RTS值下降到了0.52，此后虽然注入剂量进一步增加到6E12，RTS值仅极小的幅度下降至0.51，可见4E12的注入剂量已经可以很好的形成埋层沟道，改善RTS噪声。
而随着注入剂量从6E12继续增加至8E12、1E13，RTS值出现了大幅恶化，这主要是因为形成埋层沟道后SF器件的开启电压(Vt)会降低，且随着BC IMP注入剂量的不断增加，Vt值会逐步下降，当SF器件的Vt值过低时，会导致SF器件异常，表现出的现象即是RTS值大幅恶化。
Table 3. The testing results of Option 1
表3. 方案一测试结果
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工艺 |
加工形式 |
元素 |
能量(keV) |
剂量(cm−2) |
RTS (a.u.) |
方案一 |
BC |
IMP |
Phos |
20 |
2E12 |
0.72 |
4E12 |
0.52 |
6E12 |
0.51 |
8E12 |
1.33 |
1E13 |
1.41 |
如下表4所示是方案二的RTS测试结果。5种不同F IMP能量工艺的RTS值最小为0.41、最大为1.05，并且可看出随着F注入能量从5 KeV逐渐增加到25 KeV，RTS值呈现先减小后增大的趋势。F IMP工艺将氟(Florine, F)元素注入到SF器件栅多晶硅(Polysilicon)中，栅多晶硅中注入的F离子在经过之后的退火工艺，扩散到SiO2层和Si形成F-Si键，减少了Si-SiO2界面的悬挂键，从而减少Si-SiO2界面缺陷，降低对SF器件沟道中载流子的捕获、释放，最终改善RTS噪声。比较RTS值可以看出当注入能量为5 KeV时，RTS值仅从基准工艺的1略微下降至0.97，理解这个现象需要先了解离子注入工艺的特性，离子的注入深度随着注入能量增大而加深，5 KeV的注入能量过低，因此注入的F元素仅位于Polysilicon的上表面，距离Si-SiO2界面过远，因此几乎没有F离子到达SiO2层和Si形成F-Si键，不能减少Si-SiO2界面悬挂键和Si-SiO2界面缺陷，也就没有起到改善RTS的效果。随着注入能量从5 KeV增加到10 KeV，RTS值从0.97大幅下降至0.64，这是因为随着注入能量增加，F离子注入深度不再位于Polysilicon表面，而是往下向Gate Oxide靠近，更多的F离子到达SiO2层和Si形成F-Si键，改善了RTS噪声。注入能量从10 KeV继续增加至15 KeV，RTS值从0.64继续下降至0.41，但是注入能量进一步增大到20 KeV、25 KeV，RTS值反而又大幅恶化到了0.96、1.05，15 KeV的注入能量相比于10 KeV的注入能量，可以让更多的F离子到达SiO2层和Si形成F-Si键，改善RTS噪声。但当注入能量超过15 KeV时，注入的F离子深度比Polysilicon和Gate Oxide界面(即Si-SiO2界面)还要深，换句话说，注入的F离子随着注入能量的进一步增加而远离了Si-SiO2界面，越来越少的F离子在SiO2层和Si形成F-Si键，RTS的改善效果逐渐变差。
如表5和表6所示，比较方案三、方案四和方案二的15 KeV能量工艺，F离子注入的能量、剂量完全相同，差异之处仅在于F工艺步骤在整个加工过程中的顺序，可以看出RTS改善效果显示方案二和方案三相近，整体效果优于方案四，这是因为方案二和方案三均是在Anneal之前进行的F离子注入，而方案四则是在Anneal之后。Anneal是一种高温退火工艺，其会导致注入的离子向四周扩散，也就是说经过Anneal后，离子注入的深度位置会较Anneal前发生变化，因此对于在Anneal前进行F注入的方案二和方案三，15 KeV的能量注入在经过Anneal后使其F离子深度位于Si-SiO2界面的最佳位置，但Anneal之后才增加F的方案四其F离子注入后未能经过扩散，因此F离子深度对于Si-SiO2界面来说不再是最合适的，其RTS的改善效果也就差于方案二和方案三了。
Table 4. The testing results of Option 2
表4. 方案二测试结果
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工艺 |
加工形式 |
元素 |
能量(keV) |
剂量(cm−2) |
RTS (a.u.) |
方案二 |
F (介于Poly silicon和NLDD之间) |
IMP |
F |
5 |
5E15 |
0.97 |
10 |
0.64 |
15 |
0.41 |
20 |
0.96 |
25 |
1.05 |
Table 5. The testing results of Option 3
表5. 方案三测试结果
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工艺 |
加工形式 |
元素 |
能量(keV) |
剂量(cm−2) |
RTS (a.u.) |
方案三 |
F (介于NLDD和Anneal之间) |
IMP |
F |
15 |
5E15 |
0.42 |
Table 6. The testing results of Option 4
表6. 方案四测试结果
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工艺 |
加工形式 |
元素 |
能量(keV) |
剂量(cm−2) |
RTS (a.u.) |
方案四 |
F (位于NP之后) |
IMP |
F |
15 |
5E15 |
0.72 |
如下表7所示是方案五的RTS测试结果。其BC工艺Phos离子注入剂量是方案一中RTS改善效果最好的6E12，F工艺F元素的注入能量也选择的是方案二中RTS改善效果最好的15 KeV。可以看出，方案五的RTS值是本文所有实验中的最优值0.24，既小于条件2的最优值0.51，也小于条件3的最优值0.41。因此，通过BC工艺离子注入让SF器件形成埋层沟道，可同时叠加将F离子注入到SF器件的栅多晶硅中，共同改善RTS噪声。
Table 7. The testing results of Option 5
表7. 方案五测试结果
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工艺 |
加工形式 |
元素 |
能量(keV) |
剂量(cm−2) |
RTS a.u.) |
方案五 |
BC + F |
IMP |
Phos & F |
Phos: 20 F: 15 |
Phos: 6E12 F: 5E15 |
0.24 |
4. 结论
本文研究了不同工艺对RTS噪声的影响，通过BC离子注入工艺和F离子注入工艺，均可以有效改善RTS噪声，提高图像质量。同时，本文提出同时使用BC离子注入工艺和F离子注入工艺后，可获得最佳的RTS噪声改善效果，为生产出低噪声的图像传感器给出了指导方向。