SONY-CIS工艺|通过局部连接实现高全阱容量和低噪声特性

mqh0386

引言

我们在之前论文中介绍了ONSEMI、SONY、OV、SAMUNG等各大Sensor厂商的CIS产品以及Sensor架构等，今天我们将借Sony发布的工艺改进的技术论文，介绍工艺的提升对于Pixel性能的影响。

该论文向我们展示了具有高全阱容量（FWC）和低随机噪声（RN）的2层晶体管像素堆叠CMOS图像传感器（CIS）的开发。通过在3D顺序集成工艺中在不同的硅（Si）层上制造PD和像素晶体管并引入单个垂直栅极（SVG）来增加光电二极管（PD）体积，从而实现了高FWC。引入了连接多个浮动扩散区（FD）和像素FinFET的掩埋亚局部连接（BSC），以提高转换增益和随机噪声（RN）。我们展示了一个pixel size为0.6?m像素，2层堆叠，RN为0.99，FWC为8000e-，动态范围为78.1dB。

1. Introduction

确保像素收缩的高动态范围（Dynamic Range）对于图像捕获非常重要。像素收缩使得难以确保高FWC，这是由于像素晶体管的尺寸减小而不能确保PD区域和低噪声。双层晶体管像素堆叠CMOS图像传感器（“双层像素”）已被提出作为一种很有前途的技术，用于捕获低噪声和高D范围的图像，并在CMOS图像传感器中实现像素收缩。

两层像素的示意图如下图所示：



Sensor 2-Layer
横截面示意图如下所示：



PD横截面示意图
2层像素包括Si层，在该Si层上布置有PD和传输栅极。第二层包含t个像素晶体管，例如放大器晶体管、选择栅极、复位栅极和深接触，以连接PD和像素晶体管。此外，形成全沟槽隔离（FTI）以分离像素。在之前的研究中，我们开发了一种三维（3D）顺序集成过程来实现2层像素。

本文通过引入单个垂直传输门（SVG）、埋入式亚本地连接（BSC）和像素FinFET，提出了一种具有0.6?m像素的2层像素。

2 FWC提升

PD和传输门（TRG）的主要性能要求是高FWC，没有滞后和开花。在该器件中，通过在形成PD的第一Si层中引入全沟槽隔离（FTI）来完全分离PD，从而产生没有开花的结构。仅针对无滞后和FWC执行TRG优化，并且与不应用FTI的情况相比，提高了TRG设计的自由度。2层像素结构放大了TRG布局区域，如下图a-b所示：



PD布局
SVG的引入扩大了可用于TRG放置的区域，因为它会导致PD配置的变化，从而消除了对浅PD的需要，从而实现高FWC和无滞后，如上图（b-c）所示。通过优化SVG的几何形状和位置，可以实现8000e-的FWC。

3 随机噪声提升

减小FD电容对于提高RN和转换增益是重要的。引入BSC以减少扩散层电容，引入像素FinFET以缩小FD共享单元。在传统的2层像素中，SC用于连接多个浮动扩散。SC是在第一层和第二层之间形成的结构，其与第一层的Si表面接触并具有欧姆导电性。

BSC是接触面积从Si表面变化到Si侧壁的结构，如下图b所示：



Si结构
与SC相比，BSC可以与TGs分离，并且可以降低TGs的电容。通过优化BSC的布局和深度，FD电容减少了46%，如下图所示：



FD
BSC表现出欧姆导电性，电阻特性如下图：



电阻特性
为了将FD共享单元从2x4缩小到2x2，我们采用了像素FinFET。引入BSC和改变FD共享单元使转换增益增加了2.26倍，RN减少了67%，如图所示（a）和（b）：

Fig.a	Fig.b

4 结论

我们制造了一个0.6μm像素的2层像素，如下图所示：



pixel
下图显示了像素大小和Drange之间的关系：



DR对比
其中将先前研究中报道的PD CIS的FWC和RN与本研究中获得的进行了比较。表一总结了性能参数以及与先前研究的比较。



工作对比
5 结束语

今天为大家介绍了Sony发布的工艺改进的技术论文，介绍工艺的提升对于Pixel性能的影响。希望对大家对于sensor工艺有着更深入了解与提升。

好了今天就到这里，希望今天可以给您带来对于传感器的更深的认知，喜欢的同学可以进行朋友圈分享以及点击文章在看。另外，对论文感兴趣的同学可以follow我的Github论文仓库，也可以加入知识星球以及交流群，获取一手行业资料~

marjrh

针对Sony发布的关于CMOS图像传感器（CIS）新工艺的技术论文，该工艺通过局部连接实现了高全阱容量（FWC）和低噪声特性。此工艺改进主要体现在采用两层晶体管像素堆叠技术，通过不同硅层上的PD和像素晶体管制造，增加了光电二极管体积，进而提高了全阱容量。此外，通过引入单个垂直栅极（SVG）和多浮动扩散区（FD）的连接，优化了像素结构，降低了随机噪声。这一技术革新有望为图像传感器领域带来更高的灵敏度和更低的噪声表现，为未来的移动设备和影像系统提供更卓越的图像质量。

zy_wawj

关于SONY的CIS工艺及其影响，在半导体和图像传感器领域中是一大创新进步。论文所述的局部连接技术实现了高全阱容量和低噪声特性，这在提升图像质量和性能上起到了关键作用。该工艺通过两层晶体管像素堆叠技术，优化了光电二极管（PD）的体积和布局，从而提高了全阱容量。同时，通过连接多个浮动扩散区（FD），提高了图像传感器的性能稳定性和抗干扰能力。这些改进都使得Sony的CIS工艺在同行业中处于领先地位，对图像传感器领域的发展产生了深远影响。期待这一技术能在未来的产品中得到广泛应用，推动行业进步。