工艺集成作者

感光结、转移栅与 FD:电荷怎样变成读出信号?

一个像素输出的电压,背后有光生电荷收集、储存、转移和转换等不同环节。把所有 n 型区域都叫作“感光区”,会混淆光电二极管与读出节点;把表面 p 型钉扎层当成更大的储荷区,也会误解它的作用。

感光结负责收集,FD 负责转换

第 54 步建立 N 型光电二极管相关区域,与周围掺杂共同形成结与电势边界。随后流程经过栅形成等步骤,到第 93 步建立源漏和浮动扩散相关区域。工作时,光电二极管收集的电荷通过转移栅控制送往 FD;FD 的电容让这份电荷表现为电压变化,供后续读出电路处理。 [P1]

这两个区域即使有相同导电类型,也承担不同职责。前者的电势与体积影响收集和储荷,后者的电容参与电荷—电压转换。制造顺序先后并不是曝光与读出的操作时序。

Process checkpoint · 工艺坐标

40nmPDStep 54
工艺截面示意图 · 40nm BSI CMOS Image Sensor · 步骤 54

理解 N Photocathode Ion Implantation 的工艺作用

从感光结开始,区分 FD 读出结与表面钉扎区的不同职责。

与「感光结、转移栅与 FD:电荷怎样变成读出信号?」相关的流程位置:40nm BSI CMOS Image Sensor · PD · Step 54

像素感光与读出:光电二极管、扩散区和钉扎层
查看这一步的工艺作用账户访问范围在步骤页确认
看PD、FD与钉扎区的不同作用

为什么感光区表面还要 p 型钉扎?

第 99 步在感光区表面建立 p 型区域。它改变近表面的电势边界,使表面状态与主要储荷区域的关系受到控制,有助于抑制表面相关暗信号。这里的核心不是扩大感光体积,而是管理感光结靠近表面的一侧。转移能否充分完成,还取决于与转移栅之间的电势衔接。

两个已复核制造状态

两张课程截面分别定位光电二极管相关注入,以及经过中间栅工序后的源漏与 FD 相关注入。它们用于辨认结构区域,不显示工作电势。第 99 步随后形成表面钉扎,本版不将它作为第三张课程截面展示。[S54][S93][S99]

光电二极管相关注入区域;尚不显示后续栅工序。
光电二极管相关注入区域;尚不显示后续栅工序。
中间栅工序之后形成的源漏与 FD 相关区域。
中间栅工序之后形成的源漏与 FD 相关区域。

已复核 40nm 课程截面;当前图源几何已重新验证。

追踪器件工作职责

独立概念图区分 PD 收集与存储、TG 控制转移及 FD 电荷—电压转换。箭头表示职责交接,不是计算出的载流子轨迹。表面钉扎区与 FD 分开表示。结构轮廓不能证明暗电流、完整转移或转换增益。[P1]

PD 储荷、TG 控制转移、FD 电荷转电压;钉扎区单独标出。
PD 储荷、TG 控制转移、FD 电荷转电压;钉扎区单独标出。

独立原理示意;非课程截面、实测结果或工艺规格。

参考来源

[P1] 论文2014

A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors

E. Fossum, Donald B. Hondongwa · IEEE Journal of the Electron Devices Society

DOI: 10.1109/JEDS.2014.2306412

订阅 SemiFlows 周刊

每周一封,讲一个工艺步骤背后的物理与化学。留下邮箱,确认一次即可,随时退订。

订阅周刊

想直接使用 AI 助手与完整流程?注册账号即自动收到周刊。 免费注册

常见问题

光电二极管与浮置扩散区的作用相同吗?
不同。光电二极管收集和储存信号电荷,浮置扩散区的电容把转移来的电荷转换为电压变化。
转移栅控制什么?
它控制储荷区与读出节点之间的电势边界。充分转移取决于该边界及周围电势分布。
表面钉扎区只是增加储荷体积吗?
不是。表面钉扎区帮助控制近表面边界及表面相关暗信号,与主要储荷区和 FD 的职责不同。
感光结、转移栅与 FD:电荷怎样变成读出信号? | SemiFlows Blog