源极跟随器离子注入工艺对RTS噪声影响分析
Analysis of the Influence of Source Follower Ion Implantation on RTS Noise
DOI: 10.12677/oe.2024.142003, PDF, HTML, XML, 下载: 39  浏览: 60 
作者: 王 玮:上海集成电路研发中心有限公司,上海
关键词: 随机电报信号噪声源极跟随器离子注入工艺工艺优化RTS SF Ion Implantation Process Optimization
摘要: 随机电报信号(Random Telegraph Signal, RTS)噪声是影响CMOS图像传感器图像质量的主要因素之一。伴随着集成电路制造工艺技术的高速发展,源极跟随器(Source Follower, SF)晶体管栅极尺寸不断缩小,使得对RTS噪声影响也愈发增大。文章研究了不同源极跟随器离子注入工艺对RTS噪声的影响,通过工艺优化后,可获得最佳的RTS噪声改善效果。
Abstract: Random Telegraph Signal (RTS) noise is one of the most main factors impacting the image quality of CMOS image sensor. With the rapid development of integrated circuit manufacturing technology, the gate size of the Source Follower (SF) transistors keeps decreasing, and the effect on RTS noise is also increasing. In this paper, the effects of different source follower ion implantation processes on RTS noise were studied, and the best RTS noise improvement results were obtained through process optimization.
文章引用:王玮. 源极跟随器离子注入工艺对RTS噪声影响分析[J]. 光电子, 2024, 14(2): 19-24. https://doi.org/10.12677/oe.2024.142003

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

1. 工艺方案


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

2. 实验条件设定


工艺

加工形式

元素

能量(keV)

剂量(cm2)

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

3. 方案一测试结果


工艺

加工形式

元素

能量(keV)

剂量(cm2)

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。

表5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

4. 方案二测试结果


工艺

加工形式

元素

能量(keV)

剂量(cm2)

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

5. 方案三测试结果


工艺

加工形式

元素

能量(keV)

剂量(cm2)

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

6. 方案四测试结果


工艺

加工形式

元素

能量(keV)

剂量(cm2)

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

7. 方案五测试结果


工艺

加工形式

元素

能量(keV)

剂量(cm2)

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。

参考文献

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