【光电智造】CMOS图像传感器--像素设计基础

这一次，我们来聊聊CIS里最最关键的一个部分：像素！可以说几乎所有CIS的性能指标最终都由像素设计的好坏而决定。这么说吧：读出电路的设计决定了一个图像传感器的性能下限，而像素的设计决定了一个图像传感器的性能上限！

像素的种类可以是非常多的，比如可见光最常用的就是3T，4T，5T像素，如果还要加入更多的功能，比如全局快门（GS，Global Shutter），高动态（HDR，High Dynamic Range）等就要加入更多的晶体管；X光用于做Photon Counting的CTIA-based pixel；用于Event sensor的DVS pixel；用于3D成像的常作dToF(direct time-of-flight）的SPAD像素，常作iToF(indirect time-of-flight）的demodulation pixel；再比如红外的direct injection, CTIA等，bolometer使用测电阻的pixel；另外还有 TDI pixel，CCD的2/3/4-phase pixel 等等等等。大的类别我们就有几十种像素，如果把所有人类设计过的像素都列出来，可能几百上千种，所以我们是不可能把所有这些像素全讲一遍的。这个世界上绝大多数CMOS图像传感器（>95%）都是基于可见光的2D成像，所以我们这里只重点介绍3/4/5T像素。如果大家有机会进入不同的公司工作，或者做全定制设计，再去接触更多好玩的东西。

首先我们来了解一个概念：快门 Shutter。快门决定了像素的进光方式和进光量，这也就决定了成像质量。快门可以分为机械快门(Mechanical Shutter)和电子快门(Electronical Shutter)，而电子快门里又可分为卷帘快门(Rolling Shutter)和全局快门(Global Shutter)。机械快门是由两块shutter blade组成，曝光前，第一块blade把整个sensor遮住，然后通常来说是有上至下将blade移开，开始曝光，随后第二块blade再从上至下移出，将sensor整个挡住，曝光结束。这两个blade的移动速度是非常非常快的，差不多可以达到35km/h，所以一个35mm的全画幅相机，blade可以让sensor在差不多1/400s内开始或结束曝光，所以可以说所有的机械快门都是“近似”全局快门的。那么机械快门如何实现更快的曝光时间呢？这个比较“简单”，就是在第一块blade还没有完全打开的时候，第二块blade就已经开始向下移进行遮挡，当然这个也是有极限的，最快大概就在1/8000s这个样子，想要更快的速度，那就需要电子快门了。如下图，你就可以看到电子快门中卷帘快门和全局快门的区别。对于卷帘快门来说，每一行像素的曝光时间都至少间隔了一行像素的读取时间，比如我们读取一行需要10us，我们有1000行像素，那么第一行像素和最后一行像素曝光开始/结束时间就间隔了差不多10ms，这样在拍摄运动物理时，图像就会有明显的失真了；相应的，全局快门指的就是所有的像素都具有相同的曝光开始和结束时间了。

在开始讲解像素之前，我们解决上一讲提到的如何收集光产生的电子的问题，下图是一个4T像素剖面图。现代sensor基本都是使用pinned-photodiode(PPD)来收集电子的。PPD的结构就是有一个深度大致到1～2um深度的N-type layer，然后从硅表面到10～100nm深度内有一层掺杂浓度较高的pinning层，这一层pinning层和sub一起需要能让整个N掺杂层fully depleted，这个时候PPD内的电势就无法再升高了，即pinned，此时的电压即称为pinning voltage，它的范围一般在0.6～1.2V之间。Pinning voltage的选择，可以影响像素的很多性能，比如full well，dark current等等，所以如何进行pinning voltage的选择对各厂家来说是保密的，所以我也就不多说了。另外，因为pinning层比较浅，所以他的离子注入能量大概在10～20keV左右，而对于PPD层，他的离子注入能量范围就比较宽了，大概在50～500keV左右，而对于某些需要深PPD的像素，其注入能量可能高达几个MeV，而且PPD的离子注入也可能需要多次进行，比如50keV一次，100keV一次，200keV一次，每次掺杂的浓度也不尽相同，而这些掺杂具体该怎么做，对最后的性能影响很大，所以就需要做TCAD仿真了，这个仿真你有实力（有钱&有人）的话，可以自己做；或者在foundry厂的辅助下做。这里再说一下，当你从foundry厂拿回芯片以后，怎么确定pinning voltage做的对不对呢？一般foundry会有自己的test structure去测试这个，当然你也可以自己做一个test structure，而最常用的方法就是做一个基于PPD doping(P+ Pinning&N- PPD)的JFET，然后不断source和drain的电压，看什么时候测不到电流了，就说明整个PPD已经fully depleted，这个时候的电压就是pinning voltage。这种测试方法，其实也是有一定误差的，当然也有其他办法去测，但是我觉得这些讨论相对就比较学术了，这里就也不展开了。工程，就是用最简单的方法找到最优的近似 ，你说呢？

当有了N-doped PPD层之后，就会在其周围形成depletion region，这个depletion region的深度有多少，也是非常重要的。这是为什么呢？如图所示，如果光进入到打depletion region才被吸收，产生的电子就会被立即扫入到PPD层中而储存在那里，空穴也会被扫出到sub里；但是如果光子是在sub里被吸收的，产生的电子就会在sub里随机移动，他的终结方式有三种：1）进入到该像素depletion region，从而被扫入到该像素PPD储存起来；2）进入到旁边像素的depletion region，而被旁边像素当作正常信号储存起来，这样就会降低MTF，图像质量下降，这个现象在越小的像素里越明显，所以你可以看到现在手机里的像素的都会加入DTI(deep trench isolation)，就是为了减小这个串扰；3）再次跟其他的空穴recombine，同时产生一个能量大约等于禁带1.12eV的光子，这个光子有可能直接射出，或者在硅里经过一定的距离后再次产生一对电子-空穴对，这样就有很大概率，这个电子就丢掉了，导致QE降低。但是除非是某些科学级应用，我们的epitaxy厚度只会做到3～5um左右，电子大概率还是会被PPD存储起来的。那么如果光子是在MOS管的P well中被吸收的呢？那么电子就有可能直接进入FD(floating diffusion)中，这就会影响CIS中，特别是全局快门中，一个很重要的指标PLS(Parasitic Light Sensitivity)。根据以上讨论，可以发现，我们希望PPD下的整个epi也都是depletion region，这样产生的电子立马就会进入到正确的pixel中。所以你看，epi的选择也是很重要的。

下面就来解决我们上一讲中提到的问题：为什么要用外延层呢？这里我说几个比较重要的原因。
首先bulk wafer在生产过程中，不可避免的会引入不少杂质，而这些杂质呢，就会成为产生dark current的源头。啥叫dark current？就是在无光照条件下，我们这个反偏的PN结中会产生并存储的电子数量。Dark current产生的原因有很多，我们这里先不展开了，这里说下有个主要原因就是各种杂质，或者表面态会在禁带中，特别是禁带中央，引入额外的能级，这样电子更容易跃迁，即Shockley-Read-Hall(SHR)效应。而使用epi呢，就能较好的控制杂质浓度。这里再补充一个小知识，就是gettering工艺，就是为了将epi中的杂质量减到最小。gettering在image sensor中用的很多，但在其他地方确不常见。不同的工艺厂，gettering方法不尽相同，比如引入oxygen precipitates等，取决于工艺厂的gettering方法，有的厂会让你在版图中某块区域加个特别的层指示gettering位置，而有的厂则不会。Gettering的基本原理就是故意引入一些晶格缺陷或掺杂，当Fe, Cu, W的等金属原子在硅片中游移时，就会被这些gettering sites锁住，这样就不会与正常的硅晶格产生作用，造成杂质能级。
其次bulk wafer的掺杂浓度不易控制，而我们从前面的讨论可以看到，衬底的掺杂浓度影响了depletion region的深度，为了保证芯片性能一致性，我们就希望很好的控制衬底的浓度。一般的应用，我们的衬底浓度水平会在10^15~16 /cm3，衬底电阻率大概是1～10 Ohm*cm，我们叫 Low-Res epi；而某些应用当我们需要depletion region比较深时，我们就会使用掺杂浓度在10^12~13 /cm3的epi，此时电阻率大概是500～5000 Ohm*cm，我们叫 High-Res epi，但是这里要注意，越低的掺杂越不好控制其一致性。
那么为什么外延层的厚度一般是3～5um呢？这个就跟我们前一讲说的absorption length相关了。以我们人眼灵敏度最高的555nm的光来说，其在硅中absorption length大约为1.6um。那么对于3um的epi，85%的光子都能被吸收；对于4um的epi，92%的光子都能被吸收；对于5um的epi，96%的光子都能被吸收。所以你看，在epi厚度大于5um后，意义就不大了。当然对于科学级应用来说，我们希望QE越大越好，比如对于800nm的光，其absorption length大约是12um，所以我们epi能有12um后，就能吸收63%的光子了。再增加厚度还有没有意义呢？其实意义也不大了，因为本身对于长波长的光，absoprtion length就很大，epi厚度要增加非常多才能对QE有一个比较大的提升，这样就会增加成本，另外就是把depletion region深度做到10um以上也是颇有难度的，因此将epi厚度增加到10um以上，对QE帮助不大，但会增加像素间的crosstalk，这样就划不来了。

对于dark current，我想再补充一点儿以此让大家明白这个指标的重要性。相信熟悉电路的大家都知道，一般对于nA级别以下的漏电流来说，我们一般就不怎么关心了，因为可控的ON电流大多情况下也到uA级别了。而对于我们的像素来说，如果他的漏电流能到fA级别，我们的像素都废掉了。1fA啥意思？1fA～6000e-/s，我们整个PPD可能也只能存10ke-，如果曝光1秒钟，这还没光照呢，我们整个PPD就快满了，那还感个啥光呢。。。另外我们知道对于流过二极管的电流，他会产生shot noise，这对于dark current也是一样的，因为原理是差不多的，很大一部分都是由于热导致的，所以如果我们有100e-的dark current流过了，这里就会有10e-的dark current shot noise，那么我们想要的single-photon imaging就不可能了。像一些科学级应用，比如说天文台吧，我们常常需要曝光高达几分钟，甚至几小时，那怎么办呢？最常用也最有效的方法就是降温。通常来说，dark current每降低5～10度会降低一倍。假如我们的像素在20C时dark current有30e-/s，那么如果我们能将温度降到 -30C，dark current的doubling temperature有5C的话，那么他就能降到0.03e-/s，这样即使曝光时间长达1小时，也只有100e-的暗电流流过了。当然真实情况不会像我说的这么理想，在温度降到一定程度，降低dark current 的有效程度就越来越低了，另外温度越低，降温也越困难，需要的功耗也越大，而且其他的电学性能也会受到影响，所以一般最低也就做到 -40～-50C。为了降低dark current，我们在layout上也要注意，首先就是在STI附近，要用P+层将其包起来（所谓的passivation），不让他和PPD接触，我们都知道SiO2和Si接触，就会产生表面态，而这也是产生dark current的源头之一；另外，在画PPD的active层时，不要出现90度角，尽量用45度角，因为使用45度角生产出来的PPD的边界也就越圆滑，STI造成的machnical stress也就越低，这样dark current自然也就越低。
再讲一个关于像素比较general的一个知识，就是像素中我们是不做silicide的！大家都知道，我们做silicide的主要目的就是降低金属和硅的接触电阻以及增强可靠性。但是silicide最大的问题就是他是金属和硅的化合物，他是不透光的！如果我们是个前照的sensor，那整个PPD就被silicide给遮住了，那还整个啥啊；如果是背照呢？也是有一定问题的。因为silicide还是有可能会引入金属杂质，silicide和硅接触的地方也会产生表面态，这些都是增加dark current的源头；另外对于前照我们都不用silicide了，使用背照的时候我们也没必要画蛇添足来增加成本。那么不加silicide有没有什么潜在问题呢？有的。大家应该知道金属直接跟硅接触的话，不一定是Ohmic contact，而有可能是Schottky contact，所以对于FD和MOS管需要与金属直接接触的地方，我们一定要保证掺杂浓度还是足够高的，以保证形成欧姆接触，所以这些地方的掺杂也是比较重要的。不加silicide当然会增加一些接触电阻，但其实这个是关系不大的，想想MOS管的沟道电阻一般都在kOhm级别，所以这里增加一些接触电阻关系不大的。

以上这些是对所有的像素设计来说，都比较通用的一些概念。下面我们对3T, 4T, 5T像素分别作出说明:
3T像素的剖面图与电路图如下：

观察3T像素电路图，我们可以发现，3T像素是无法实现全局快门的，因为我们是无法关闭PPD的，一旦RST管关断，像素便开始积累光子（如下时序图）。读取每行像素时，我们先读取FD上的信号电平S，然后给一个RST脉冲，将像素复位，然后立马读取复位电平R，用 R-S 我们即可知道之前我们积累了多少光子。这里首先有个问题，我们能不能只读S，而不读R呢？可以，但很不好。这个主要原因就是：像素间的SF的阈值会有variation，我们用 R-S 的主要目的就是要消掉这个variation。那么我们能不能先把所有像素的R信号读出来并作记录，然后以后所有的图像都只读S，然后再去用之前得到的R减S呢？可以，但不是很好。因为温度一旦变了，Vth就变了，那这种off-chip calibration就不奏效了，但是读取一行像素的时间都在us级别，这么短的时间，温度几乎是不会改变的。

3T像素还有一个问题，就是我们只能先读S，再读R，所以他只是DS(double sampling)，而不是CDS(correlated DS)，最终读取的信号R-S中就含有因像素复位引入的kTC噪声，我们通常称这个为reset noise。如果vdd电压较低，复位电平可以等于vdd，我们就称为hard reset，此时噪声即为sqrt(kT/C)；而如果vdd电压比较高，复位电平就只能到达Vrst-Vth，我们称为soft reset，此时的噪声为sqrt(kT/2C)，因为此时相当于电子只能朝一个方向任意流动，所以噪声会减小，但soft reset有个比较大的问题就是他的最终稳定的电压值是与复位之前FD上的电压值和复位时间长短相关了，这里就可能产生image lag的问题，所以后来人们又发明了hard-soft reset，当然还有更复杂的active reset。但这些方法，包括3T像素本身，现在都用的不多了，我们就不再做详细介绍了，大家有个了解就行了。
这里可能有人质疑了，我们其实可以做CDS啊？可以先把R信号用ADC读取出来，然后积分，再将S信号用ADC读取出来，片外再用R-S啊。这样是可以，但是很明显数据量加倍了，然后还有一个问题就是CDS的R，S间隔时间太长（积分时间～ms级），CDS的有效性就会大打折扣了。因为我们使用CDS不光只是因为他可以消除reset noise，还因为这么做可以减小SF管的flicker noise，如果CDS的间隔太长，就不那么有效了。另外间隔时间太长后，SF的Vth也可能因为温度产生变化。

4T像素的电路图如下

4T像素相对于3T像素最大的优势就是在于他能够做CDS（如下时序图）。在读取每一行像素时，我们先将FD进行复位，然后读取复位电平R，再给入TG脉冲，随后读取信号电平S，即可用 R-S 得到CDS之后的信号。因此，如今的4T像素在RS下是可以做到读出噪声<1e-的！

此外4T像素还能够实现全局快门（如下时序图）。我们可先将所有像素的R电平用ADC读出，接着同时翻转所有像素的TX，再将所有像素的S电平用ADC读出。我们可以看到，这并不是一个很完美的全局快门。首先数据量还是加倍了，另外CDS的间隔时间也较长，FD上的dark current的积累时间大约是总积分时间的一半，所以除非将温度降到很低，这样的全局快门的读出噪声还是会比较高的。我们还可以看到4T全局快门的像素积分时间也是无法小于读取像素两次所需时间的，导致这样的全局快门应用有限。

当然，我们也可以采取类似3T的读取方式以减小数据量（如下图所示），因为加入了TX，还是可以实现全局快门的，但这样便没有了CDS的优势了。

4T像素中，PD中引入了一层P+掺杂，即Pinned photodiode，通过P+的引入抑制了PD表面由于Si/SiO2晶格不匹配的缺陷而产生的暗电流，减小了FPN。同时通过将N层接正，可以将PD完全耗尽，增加耗尽层宽度，提高PD的满阱容量。加入了传输门用以控制电荷由PD到FD的运输，提高传输门上的电压可以将PD中电荷完全转移至FD，但过高的电压会增加晶体管的制造难度。FD区域为N+区域，与复位管的漏极（Drain）、源跟随管的栅极（Gate）连接。
——插入一段4T的介绍——原文链接：https://blog.csdn.net/WANGCHONGCH/article/details/118273652

下面给出了4T像素的时序图。

时刻t1，复位、行选、传输门晶体管打开，将PD、FD中电子完全耗尽，由复位管流向Vdd。
时刻t2，传输门晶体管关闭，光生载流子在PD内积累，。
时刻t3，复位、行选晶体管打开，源跟随管将FD上的电压信号放大，信号再经由行选晶体管进入列输出总线。
时刻t4，复位管关闭、行选、传输门晶体管打开，PD中积累的电子转移至FD中，相应的电压信号被源跟随管放大，经由行选晶体管进入列输出总线。
待整个信号读写完毕，即可进入下一个读取周期，进行复位操作。

下面给出了4T像素电荷转移过程中的电势图。

（a）PPD复位，对应于时刻t1，PD、FD中电荷向高电势转移，最后经由复位管至Vdd。
（b）PPD曝光，对应于时刻t2，电荷在PD中积累，PD电势下降，同时FD中由于，会存在电荷积累，使电势降低。
（c）FD复位，对应于时刻t3，将FD中积累的电荷清空，同时记录由源跟随管放大的信号VFD1。
（d）电荷转移，对应于时刻t4，电荷由PD转移至FD，再由源跟随管放大FD上的信号变化。
注：FD实际应该有一个最高势垒，而不是无限深势阱。

为了解决4T像素只能有较长积分时间的问题，便引入了5T像素，其电路图如下：

它和4T像素唯一的不同便是在PPD上增加了一个transfer gate，可命名为TXF。如下图时序，在读取像素信号的同时，我们可以翻转所有像素的TXF信号，这样像素的积分时间长短便可任意改变了。这里再多说一句，对于卷帘快门来说，像素的积分时间能不能做到远小于所有像素的读出时间呢？也是可以的！这里就留给大家思考一下该怎么做

此外，我再说一下，设计一个好的4T像素的关键点在哪些地方：
1)PPD的pinning voltage选择及版图：有关QE, FW(Full Well) 及 dark current
2)TX的版图设计: 有关 dark current 及 Image lag
3)FD的掺杂及版图：有关 dark current，noise，conversion gain 及 PRNU
4)SF器件选择及版图：有关noise，linearity 及 FPN
我这里只是指出一些需要注意的点，但具体如何做选择及设计，由于涉及的公司机密较多，因此不便给出，望大家见谅！另外，写这个系列的主要目的是想向初学者做一些CIS的基本知识介绍，吸引大家对这个行业感兴趣，加入我们image sensor society这个大家庭:lol 而不是期望大家看完之后就能做出顶尖的设计
最后，我想给一个4T像素版图的简单例子：
大家可以结合前面所讲的，想想为什么4T像素的layout是长这样的？当然，这个例子做的并不完美，也还是有些问题的，这里只是让大家有一个大致的概念。

希望这次讲的能让大家多少有些收获吧! 说实话，讲像素设计蛮难的，就这么5000来字，写到现在我斟酌了已经7，8个小时了，想要让讲解尽量完备，而又不透漏一些设计上的机密，确实很难取舍。相信这里讲的有大家所熟知的，可能也有一些不那么熟知的，总之能让大家有收获就好