SONY-CIS工艺|通过局部连接实现高全阱容量和低噪声特性

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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~