N FD (Between T1 and T2) Ion Implantation

相比热扩散，离子注入被选中的原因在于它提供了对剂量和深度的独立控制，能够在低温下形成精确、浅层的结。

该工艺步骤引入n型掺杂剂，以形成位于共享像素架构中相邻传输栅（T1和T2）之间的共享浮动扩散（FD）节点。在CMOS图像传感器中，FD作为主要的电荷-电压转换节点，接收从钉扎光电二极管（pinned photodiodes）传输而来的光电子。与标准的逻辑NMOS源极/漏极（S/D）注入分开执行专门的FD注入，可以实现对FD掺杂分布的独立优化。这种解耦至关重要，因为标准逻辑S/D注入旨在通过重掺杂实现低薄层电阻，而这会不可接受地增加p-n结电容，并严重降低像

素的转换增益。通过在此中间步骤中精确定义FD，该工艺确保在进行光电二极管表面钝化（P-pinning）步骤之前，满足成像阵列特定的噪声和电容要求。

该步骤的物理操作依赖于离子注入，通过加速带电n型掺杂离子进入晶体硅晶格。这些掺杂剂的空间分布近似于高斯分布，其由决定投影范围的注入能量以及设定峰值浓度的剂量所控制。进入衬底后，引入的杂质在导带附近形成浅施主能级，局部调节费米能级，从而在周围的p阱内形成n型区域。由此产生的反向偏置p-n结充当电容性存储元件，其中每个电子产生的电压摆幅与总节点电容（$C_{FD}$）成反比。为了实现光子计数灵敏度并最小化读取噪声，必须严格控制注入参数以减小结深和耗尽边界面积，从而缩小$C_{FD}$中的p-n结电容分量。

相比热扩散，离子注入被选中的原因在于它提供了对剂量和深度的独立控制，能够在低温下形成精确、浅层的结。FD采用定制的n型掺杂策略，旨在平衡实现渐变结（可降低峰值电场和结漏电流）与保持足够的信号读取导电性之间的需求。注入角度必须经过精心设计：零度倾角会带来严重的沟道效应风险，可能意外加深结深，而优化的倾斜角和旋转角可防止沟道效应，并限制传输栅（T1和T2）下方的横向扩散（lateral straggle）。限制这种横向扩散至关重要，因为FD扩散区与传输栅之间过大的空间重叠会显著增加栅极重叠电容，这已被认定为降低转换增益的主要因素。

在40nm工艺节点下，像素尺寸和晶体管沟道长度受到高度限制，使得3D边缘电容和边缘电场成为FD节点设计中的主导因素。T1和T2之间的物理间距极窄，要求采用高保真度的光刻胶定义和精确的束流控制，以避免剂量率效应和束流引起的衬底充电。此外，管理注入诱发的晶体损伤至关重要；未退火的点缺陷会充当产生-复合中心，表现为白点缺陷和暗电流升高。因此，FD注入能量和剂量必须与随后的热预算仔细平衡，以确保足够的掺杂剂激活，同时防止过度的瞬态增强扩散，避免FD分布变宽并破坏电荷转换效率。

[高] 由于横向散射（Lateral Straggle）导致的转换增益退化：如果注入能量或倾角配置不当，掺杂离子将在 T1 和 T2 传输栅极下方经历过度的横向散射。这种横向扩展在物理上增加了栅极与扩散区之间的直接重叠面积以及边缘边缘场（edge fringing fields），从而显著提高了栅极重叠电容，并随之降低了转换增益（$CG = q/C_{FD}$）。（工程实践）
[中] 由未退火注入损伤导致的 FD 漏电：高能量或高剂量的离子轰击会置换硅原子，在晶格内产生空位和填隙缺陷。如果这些缺陷位于 FD 的有源耗尽区内，且未通过后续退火完全消除，它们将充当深能级产生中心，导致暗电流升高和白点缺陷。
[中] 电荷转移不完全（势垒形成）：如果 FD 掺杂浓度过低或相对于传输栅极沟道边缘发生错位，由此产生的静电势分布可能会形成势垒或局部势阱。这种单调势梯度上的中断会阻碍电荷从钉扎光电二极管（Pinned Photodiode）向 FD 的完全转移，从而导致图像滞后和非线性信号响应。
[低] 通过离子通道效应（Ion Channeling）形成深结：入射离子束相对于晶体取向的角度发生微小变化，可能使离子沿开放的晶体学通道无阻碍地行进。这种通道效应会在掺杂分布中产生非预期的深尾部，增加总的 p-n 结面积和结电容，从而抵消了最小化 $C_{FD}$ 的努力。

相比热扩散，离子注入被选中的原因在于它提供了对剂量和深度的独立控制，能够在低温下形成精确、浅层的结。

素的转换增益。通过在此中间步骤中精确定义FD，该工艺确保在进行光电二极管表面钝化（P-pinning）步骤之前，满足成像阵列特定的噪声和电容要求。

[高] 由于横向散射（Lateral Straggle）导致的转换增益退化：如果注入能量或倾角配置不当，掺杂离子将在 T1 和 T2 传输栅极下方经历过度的横向散射。这种横向扩展在物理上增加了栅极与扩散区之间的直接重叠面积以及边缘边缘场（edge fringing fields），从而显著提高了栅极重叠电容，并随之降低了转换增益（$CG = q/C_{FD}$）。（工程实践）
[中] 由未退火注入损伤导致的 FD 漏电：高能量或高剂量的离子轰击会置换硅原子，在晶格内产生空位和填隙缺陷。如果这些缺陷位于 FD 的有源耗尽区内，且未通过后续退火完全消除，它们将充当深能级产生中心，导致暗电流升高和白点缺陷。
[中] 电荷转移不完全（势垒形成）：如果 FD 掺杂浓度过低或相对于传输栅极沟道边缘发生错位，由此产生的静电势分布可能会形成势垒或局部势阱。这种单调势梯度上的中断会阻碍电荷从钉扎光电二极管（Pinned Photodiode）向 FD 的完全转移，从而导致图像滞后和非线性信号响应。
[低] 通过离子通道效应（Ion Channeling）形成深结：入射离子束相对于晶体取向的角度发生微小变化，可能使离子沿开放的晶体学通道无阻碍地行进。这种通道效应会在掺杂分布中产生非预期的深尾部，增加总的 p-n 结面积和结电容，从而抵消了最小化 $C_{FD}$ 的努力。

40nm BSI CMOS Image Sensor预览

工艺截面图

本步要点

原理展开

风险与挑战

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