CMOS图像传感器像素区离子注入角度与图像延迟关系的研究
CMOS图像传感器的研究进展_李继军.
. net光学制造1内蒙古工业大学理学院, 内蒙古呼和浩特 0100512北京师范大学遥感与 GIS 研究中心遥感科学国家重点实验室, 北京 10087! " 5Li Jijun 1Du Yungang 1Zhang Lihua 1, 2Liu Quanlong 1Chen Jianrui 11School of Science, Inner Mongolia University of Technology , Hohhot, Inner Mongolia 010051, China,2State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Research Center of Remote Sensing &GIS,Beijing Normal University ,Beijing 100875, China#$$$$$$$$$$$%&’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ (摘要 20世纪 90年代以来, 随着超大规模集成 (VLSI 技术的发展, CMOS 图像传感器显示出强劲的发展势头。
简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理, 详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性能特点, 讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题,并给出了相应的解决途径,综述了 CMOS 图像传感器的国内外研究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。
关键词光电子学; 传感器; CMOS 图像传感器; CCD ; 关键技术问题 AbstractSince the 1990s, with the development of very large scale integration (VLSI,CMOS image sensors have been developed rapidly. The structure and working principle of CMOS image sensors are introduced. The performances between CMOS image sensor and CCD are compared in detail. The key technical problems of CMOS image sensors are discussed, and the related solving ways are given. The development situation of CMOS image sensors at home and abroad is reviewed, and the development trends of CMOS image sensors are prospected.Key words optoelectronics; sensor; CMOS image sensor; CCD; key technical problem 中图分类号 O436doi :10.3788/LOP20094604.00451引言CMOS 图像传感器的研究始于 20世纪 60年代末, 受当时工艺技术的限制, 发展和应用有限。
CMOS图像传感器的研究.ppt
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发展历史
自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器 便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设， 也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感 器与电荷耦合器件 （CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像 传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发 展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。 由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可 以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的 热点。 70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory(JPL)制造成功，80年代 末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型 图像传感器件，1995年像元 数为（128×128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功， 1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年， 实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元 尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯 坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。
市场份额
2011年CMOS传感器出货量约为21亿个，比2010年的16亿个增长31%，占总体面型 图像传感器的92%。剩下的8%市场属于CCD传感器，其2011年出货量下降2%，从 2010年的1.845亿个减少到1.803亿个。2010年，CMOS的市场份额是90%，CCD占 10%。 CCD传感器的衰退之势难以挽回，CMOS将在未来几年保持优势地位。到 2015年，CMOS出货量将达到36亿个，份额达97%；而CCD出货量将下降到只有 9520万个，占3%份额。
CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术研究
CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术研究第一章绪论CMOS图像传感器是一种基于CMOS工艺制造的图像传感器，具有低功耗、高集成度、成像速度快等优势。
同时，视觉信号处理技术是CMOS图像传感器技术中的关键环节，对CMOS图像传感器的成像质量和性能影响非常大。
因此，对CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术进行研究和优化具有重要的意义。
本文将对CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术进行探讨，从图像信号增强、去噪、边缘检测、分割、识别等方面进行论述，旨在为相关科研工作者和技术人员提供一定的参考和借鉴。
第二章图像信号增强技术图像信号增强技术是指对图像信号进行滤波或其他处理，以提高图像质量和清晰度的技术。
在CMOS图像传感器中，图像信号增强技术可以用来提高图像的对比度、清晰度和细节等方面。
常用的图像增强方法包括直方图均衡化、灰度变换、滤波等。
直方图均衡化是一种常用的图像增强方法，其基本思想是通过对图像的亮度分布进行统计分析，得出图像的灰度直方图，然后通过调整灰度值分布来增强图像对比度和清晰度。
在CMOS图像传感器中，直方图均衡化可以用于提高光照均匀的场景下的图像质量，如室内照明不均匀、夜间低光量等场景。
灰度变换是另一种常用的图像增强方法，其基本思想是将原图像的灰度级经过某种变换后得到一个新的灰度级。
通过确定变换函数的形式和参数，可以调整图像亮度和对比度等参数，以达到增强图像的目的。
在CMOS图像传感器中，灰度变换可以用于对不同亮度场景下的图像进行在线调整，以提高图片的质量和可读性。
滤波是另一种常用的图像增强方法，其基本思想是对图像信号进行卷积操作，以去除噪声和增强图像特征。
常用的滤波方法包括高通滤波、低通滤波、中值滤波等。
在CMOS图像传感器中，滤波可以用于去除CMOS图像传感器输出信号中的噪声和干扰，提高图像的质量和可靠性。
第三章图像去噪技术图像噪声是指图像中包含的非目标信号，它会降低图像的质量和清晰度。
CMOS图像传感器的研究重点是像素光电转换
CMOS图像传感器的研究重点是像素光电转换，暗电流，噪声和像素操作方面的改善，还有功耗减小，新读出结构，高速传感器，灵巧传感器，巨大格式和非常高性能的图像传感器，以及采用非晶硅材料摄像研究。
CMOS图像传感器要获得可以与CCD相比较的高质量的图像CMOS图像传感器中噪声如FPN，衬底噪声等的有效处理尤为重要，这需要高效的像素信号读出处理电路。
如何提高图像传感器的动态范围已成为研究的热点CMOS图像传感器本质上是数字、模拟混合超大规模集成电路系统，是信息获取与处理领域中图像处理技术的重要组成部分，在消费电子、工业生产、科学研究、空间探索、生物医学、汽车、个人移动产品等各个领域有着广泛的应用。
虽然CMOS图像传感器己经取得了可喜的进步，但主要在低成本、低功耗应用方面与CCD相竞争。
要获得可以和CCD相比较的高质量的图像，CMOs 图像传感中噪声如FPN、衬底噪声等的有效处理尤为重要，这需要高效的像素信号读出处理电路无源像素PPS(PassivePixelSensors)是最早出现的摄像器件，灵敏度低、噪声高。
有源像素APS(ActivePixelSensors)，如PG(PhotoGate),PD(Photodiode)像素结构，结合相关双采样CDS(CorrelatedDouble Sampling)、双△采样DDS(DoubleDeltaSampling)等技术可有效抑制噪声干扰，改善传感器性能。
随着CMOS技术进入深亚微米，甚至更小最小特征尺寸，CMOS图像传感器的各项性能受到不同程度影响。
因此，为了获得良好图像质量，需要一些生产工艺的改变或像素结构的革新CMOS图像传感器的发展趋势CMOS图像传感器是模拟和数字混合的超大规模集成电路系统，是信息获取与处理的重要组成部分，在消费电子、科学研究、生物领域、汽车电子、移动设备等有着广泛的应用。
特别现今在便携设备中得到大力的研究和应用，然而，在便携设备的应用中，最明显的特点主要有：低电压低功耗。
CMOS图像传感器技术的进步和应用
CMOS图像传感器技术的进步和应用随着各种高科技电子产品的逐步推进，像手机、数码相机、Surveillance和视频监控等领域，传感技术的低廉化和集成化需求越来越大。
而CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor）则是相对于CCD传感器（Charge Coupled Device）而言，具有特别的优点。
CMOS图像传感器以其体积小巧、功耗低、可随意集成电子电学系统等特点，成为目前最被广泛采用的图像传感器类型之一。
CMOS图像传感器（CIS）技术的出现，使得数字图像技术迈上了一个新的台阶。
这种传感器采用了CMOS工艺，通过调整堆积结构等关键技术，成功实现了读取器件和像素放大器之间的高输入电容时的低噪声、低电量和高速率要求。
其中，像素的制造和输出一体化，可以控制低噪音和信噪比，并为高性能I/O处理器提供了更好的接口。
这个技术的重要性就在于它在成像领域也出现了巨大的进步和应用领域。
首先，在感光元件市场中有一个激烈的竞争，而CMOS图像传感器可以低成本地生产，而且可以随意集成全系统以及某些利润稀薄的市场。
另外，CIS传感器在能效、完整性和集成度三方面少有重大挑战，占据着非常突出的优势。
当然，CMOS图像传感器也值得注意的是，它可以更好地记录图像细节，从而提供视觉上更清晰、更真实和高分辨率的图像，这可以帮助用户们快速地获取有关环境和对象的信息。
在实际应用中，CMOS图像传感器技术也得到了广泛的应用，例如学术研究、教育、军事、医疗和民用等领域。
比如，在学术研究领域，CMOS图像传感器技术的迅速发展，为生物、医学、行星和实验物理等领域的高分辨率微观成像提供了支持，同时也可以应用于地震波形记录、3D显微成像等重要方面。
而在医疗领域，CMOS图像传感器的特点，往往能够更好地满足医学图像处理和透视图像等方面的需求。
比如，X线探头中所包含的CMOS图像传感器，可以获得高静态和动态性能，进而改善其成像质量，得以更好地实现人体细微结构的成像。
CMOS图像传感器技术在医学影像中的应用研究
CMOS图像传感器技术在医学影像中的应用研究介绍随着科技的不断进步，CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）图像传感器技术在医学影像领域的应用也愈发广泛。
CMOS图像传感器以其低功耗、高灵敏度和良好的集成度等特点，成为医学影像领域中重要的技术工具。
本文将探讨CMOS 图像传感器技术在医学影像中的应用研究，重点关注其在诊断、手术导航和病理学研究等方面的应用。
一、CMOS图像传感器技术在诊断中的应用1.1 CMOS图像传感器技术在X射线成像中的应用传统的X射线成像基于医用胶片，而CMOS图像传感器技术的引入使得数字化的X射线像素化计算成为可能。
CMOS图像传感器以其高动态范围和低噪声的特点，能够提供较高的图像清晰度和对比度。
同时，CMOS图像传感器的集成度高，可适应小型化和便携化的需求。
因此，CMOS图像传感器技术在X射线成像中的应用广泛，称为数字化X射线成像技术。
1.2 CMOS图像传感器技术在超声成像中的应用超声成像是医学领域中常用的非侵入性诊断方法之一。
传统的超声成像设备主要采用压电传感器作为接收器件，但其存在着重量大，成像速度慢等问题。
而CMOS图像传感器可以实现超声信号的高速采集和较高的动态范围，使得超声成像设备更加紧凑和高效。
同时，CMOS图像传感器的低功耗和集成度高，也为超声成像的移动化和智能化提供了可能。
二、CMOS图像传感器技术在手术导航中的应用2.1 CMOS图像传感器技术在内窥镜手术中的应用内窥镜手术是一种微创手术技术，需要通过将内窥镜引导到患者体内来进行术中观察和操作。
CMOS图像传感器技术的引入，使得内窥镜成像更加清晰和准确。
CMOS图像传感器的高灵敏度和动态范围可以提供更好的术中可见性，同时其集成度高也方便了内窥镜设备的迷你化设计。
因此，CMOS图像传感器技术在内窥镜手术中得到了广泛的应用。
2.2 CMOS图像传感器技术在神经导航中的应用神经导航技术在脑外科手术和神经外科中具有重要的应用意义。
CMOS图像传感器研究报告
CMOS图像传感器优缺点
• CMOS图像传感器缺点： CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要 是因为早期的设计使CMOS在处理快速变 化的影像时，由于电流变化过于频繁而会 产生过热的现象。
CMOS图像传感器具有以下几个优点：
• 在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜 • CMOS影像传感器电源消耗量比CCD低 • 随机窗口读取能力。随机窗口读取操作是CMOS
COMS图像传感器的应用
• CMOS图像传感器将广泛用于保安监控、 可视门铃、视频电子邮件、汽车尾视、可 视电话、视频会议、指纹识别，视觉玩具、 星载、制导、医疗等等。
最新发展方向和趋势
• 1、低压驱动掩埋光电二极管型CMOS图像传感器 • 2、低噪声高画质CMOS图像传感器 • 3 、高灵敏度CMOS图像传感器 • 4 、轨对轨CMOS-APS • 5、单斜率模式CMOS-APS • 6、CMOS数字像素传感器 • 7 、宽动态范围图像传感器 • 8、APD图像传感器
影响CMOS传感器性能的主要问题
1、噪声 • 这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪
声包括固定图形噪声FPN、暗电流噪声、热噪声 等。
• 固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到 两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。
2、暗电流
物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样， 由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照 射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生 了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。
• 1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了 CMOS图像传感器的商品化，实用CMOS技术的 特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二 极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具 有彩色滤色膜和微透镜阵列。
离子注入对图像传感器两种白色像素的影响
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张 武 志
（ 上 海华力微 电子有 限公 司 ， 上海， ２ ０ １ ２ ０ ３）
摘要 ： 白色像素 （ Ｗ Ｐ ） 是Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 图像传感器 （ ｃ Ｉ Ｓ ） 的关键参数指标， 而光 电二极管的 离子注入是影响白色
像素 的主要 因素 。本 丈基 于 ４ 一 Ｔ结 构 Ｎ 型 光 电二极 管 （ Ｎ Ｐ Ｐ Ｄ ） Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ图像传 感 器 ， 从 光 电二极 管 离子 注入
的剂量 、 能量 和 离子 源种 类 三 个方 面 ， 研 究 了对 于 两种 不 同白 色像 素 的影 响 。 首先 ， 通 过 实验 表 明 Ｎ Ｐ Ｐ Ｄ
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CMOS图像传感器像素区离子注入角度与图像延迟关系的研究
作者：王劲松牛健田三河
来源：《现代信息科技》2017年第01期
摘要：图像延迟是CMOS图像传感器产品的一个非常重要的评估参数。
在像素隔离区域中，不同的离子注入角度会对电路中TX器件（传输门晶体管）的电性参数造成影响，并将会导致产品图像的延迟。
由于批量高能离子注入机台椎体效应会导致在同一片晶圆之内离子注入角度的不同，本文通过针对像素隔离区域不同的离子注入角度对图像延迟的关系进行研究，优化了离子注入的角度均匀性，改善在同一片晶圆之内图像延迟的一致性。
关键词：图像延迟；TX器件（传输门晶体管）；离子注入角度
中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1672-5247（2017）02-0089-02
Abstract：Image delay is a very important evaluation parameter of CMOS image sensor products.In the pixel separation region，the different ion implantation angle will affect the electrical parameters of the TX device（the transmission gate transistor）in the circuit，and will lead to the delay of the product image.Due to the different ion implantation angle within a wafer body effect of high energy ion implantation machine batch，using the ion pixel isolation region of different injection angles to study the relationship between image delay，optimization of the ion implantation angle uniformity，improve the consistency of delayed image within the same wafer.
Keywords：image delay；TX devices（transmission gate transistors）；ion implantation angle
1 引言
圖1表示的是传统8寸晶圆批量高能离子注入机台所存在的椎体效应以及底盘基座倾斜角的示意图。
对于底盘位置的优化是基于底盘实际应用时存在的2度锥角的计算值所做的。
所以，对于底盘上晶圆从中心到边缘，将会存在倾斜角度的变化[1]。
基于这种离子注入机台的结构构造，调整β角便可以改变晶圆从中心到边缘的离子注入角度。
图2所示，传统的图像传感器像素电路布线图中，TX器件（传输门晶体管）的栅极是需要部分覆盖于PD区域（光电二极管阱区），并部分覆盖于作为像素区间隔离功能的隔离区（隔离离子注入区域）。
假如像素区域存在残留的离子，将会导致图像的延迟（Lag）。
像素前一个状态中残余的信号将会与现在状态中的信号叠加，并产生干扰[2]。
图3表示，在标准工艺中，离子注入角度设置为0时，离子注入在晶圆边缘的入射角度变化。
当TX器件（传输门晶体管）位于像素区域左侧（像素隔离区右侧），在晶圆右侧，部分离子被注入至TX器件（传输门晶体管）的底部，并影响到TX器件（传输门晶体管）的电性参数，导致TX器件（传输门晶体管）开启电压升高。
过高的开启电压在TX器件（传输门晶体管）栅极下形成了一层势垒。
从而，在晶圆右侧，阻碍PD（光电二极管阱区）与FD（浮动扩散节点）之间的电荷传输[3]。
在图像传感器电路工作时，变慢的电荷传输速度将会导致最终图像的延迟。
假如晶圆中心至边缘能够保持相同的延迟效果，在产品应用图像处理时，仍可以采用调整电路驱动程序的方法，保证在图像同步。
然而，当晶圆边缘与晶圆中心图像延迟差异过大，使用同一种电路驱动方式，将无法保证在同一片晶圆所有芯片得到相同的图像质量。
而在实际量产过程中，产品驱动程序一般保持不变，很难基于不同位置的芯片使用不同的驱动程序，将会导致效率大幅度降低，成本增加。
这就要求我们必须在同一片晶圆中心到边缘必须保证图像延迟的一致。
2 实验及讨论
由于图像传感器电路布线版图设计的不同，TX器件（传输门晶体管）在像素区的位置也会不同。
本文中的实验对象，TX器件（传输门晶体管）位于像素区域左侧（像素隔离区右侧），以此为例，进行实验研究。
如前所述，由于批量离子注入机台的构造及CMOS图像传感器像素区域的特殊布线版图，图像延迟将会在晶圆中产生较大的变化。
当TX器件（传输门晶体管）位于隔离区域右侧时，晶圆右侧的延迟将会大于晶圆左侧。
那么，当离子注入入射角度整体调整时，是否会降低晶圆边缘至中心角度差，并减小晶圆从左至右的差异呢？我们通过调整离子注入机台底盘倾斜角度β来验证入射角度对图像延迟的影响。
图4所示为底盘倾斜角度β在-1o～+1o之间图像延迟的均匀性，该延迟值为各点延迟与整体均值的差，越小代表与均值越接近，图像延迟的均匀性就越好。
像素隔离离子注入的β角度DOE设计实验结果显示，β角度-1o会使得晶圆边缘的图像延迟波动性更加明显，效果变得更差，证实了我们对于离子注入角度影响图像延迟质量的推论。
而当β角度+1o可以将晶圆边缘的图像延迟效果改善30%。
当β>1o时，图像延迟的性能在晶圆边缘明显得到改善，晶圆从左到右的图像延迟效应更加均匀，并在β=3o时晶圆从左到右图像延迟效应达到一致。
考虑到像素区隔离离子注入时光阻掩膜层的厚度，由于隔离离子注入需要一定的深度，因此光阻掩膜层的厚度也会相对很厚。
当离子注入角度过大，将会导致部分离子被光阻掩膜层阻挡，无法达到有效的注入区域及注入剂量，从而影响像素区域的隔离效果。
因此离子注入的角度并不能无限增大。
3 结论
基于实验结果，我们证实了批量离子注入角度与图像延迟的关系，找到了图像延迟在晶圆边缘达到一致的最佳条件。
由于传统批量离子注入机台结构及图像传感器像素区域的特殊布线版图，图像传感器产品的图像延迟会出现晶圆边缘变差的现象。
而为了保证产品芯片面积不变，保证像素处理电路器件性能不变，调整像素隔离离子注入的β角度可以改善图像延迟的差异。
考虑到离子注入时光阻掩膜层的厚度，当β角在1o～3o时，将会大幅改善图像延迟在晶圆从左到右的均匀性，并达到一致。
参考文献：
[1] Y.Kawasaki，T.Yamashita，M.Kitazawa，T.Kuroi，Y.Ohno，M.Yoneda.[J].IEEE Xplore：2003（26）.
[2] Shange-Fu Yeh，Chih-Cheng Hsieh，Chin-Fong Chiu，Hann-Huei Tsai. [J].IEEE Xplore，2011（02）.
[3] Gao Zhiyuan，Yao Sunying，Xu Jiangtao，Li Binqiao，Gao Cen.[J].IEEE Xplore，2011（29）.
作者简介：王劲松（1970.09—），男，湖南人。
研究方向：集成电路。