纳米沙龙 I 原子力显微镜和扫描电容显微镜在图像传感器中的应用

原子力显微镜和扫描电容显微镜

在图像传感器中的应用

  摩尔定律（Moore’s law）驱动着逻辑制成的发展与进步，IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月或两年会增加一倍，性能也将提升一倍。随着晶体管尺寸的不断减小，效能的不断提升，晶体管也经历了革命性的变革，由原来的平面式结构，演变成三维的鳍式(Fin)结构，在不久的将来更将导入闸极全环(Gate-all-around；GAA)结构。这些微观结构的不断演变与发展，同样也会给IC设计制造、制成、计量、检测等过程中带来巨大的挑战。特别是计量过程，晶体管结构的不断微缩，传统的计量工具已经达到使用与设计的极限，所以具有关键尺寸定义，微观结构扫描，三维立体成像，材料性能表征的革命性计量设备原子力显微镜（AFM）慢慢在工业型和研发型的双型产业中立足并迅速成长，到现在已成为计量学中不可分割的一部分。而基于原子力显微镜的扫描电容显微镜（SCM），通过自身独特的原理和特性，也在计量科学中发挥着重要作用。

  扫描电容显微镜（SCM）是利用导电探针在半导体样品表面以接触模式形成金属绝缘体半导体（MIS）电容器，伴随探针的扫描从而能够捕捉探针样品表面直接的电容变化，得到电活性载流子分布及掺杂水平和掺杂类型（p型和n型）等等。

  本文内容引用自《EDN Taiwan》电子报刊登的“凡走过必留下痕迹：影像感测器MA+SA分析”文章。文章焦点放在像素研究，其中部分内容讨论了利用原子力显微镜和扫描电容显微镜对图像传感器（CMOS image sensor；CIS）中像素的结构扫描和像素下方光电二极管的掺杂分析。

  像素的组成可以分成四大部份，由上而下分别为微透镜(ML)、彩色滤光片(CF)、光电二极体管（PD）以及像素内各元件的连接电路，使用原子力显微镜分析图像传感器表面可以获得最上面ML的表面形貌，图3a是利用原子力显微镜所获得ML表面形貌图，沿着黑色双箭号位置的高度分布呈现于图3a的右下角，图3b是以3D视角呈现ML的特写图。ML为类似半圆形的结构，此部分为像素的间距，d，为0.8 μm (图3a右下图蓝色双箭号)，相邻画素的结构有重叠的区域，图3也看到半椭圆球的结构，如图3a以紫色箭号标示之结构，这就是Super PD结构。

  像素较下方为光电二极管(PD)，PD的材料为Si，这是用来将光子转化为电子的原件，其工作原理是当入射光子经由ML聚焦，透过CL进入PD会产生电子-电洞对，再经由PN接面空乏区内建电场将电子和电洞分开，而收集到电子讯号，因此如何提高PD产生「电子-电洞对」效率与降低因PD结构而产生的杂讯，攸关图像传感器的性能，因此分析PD内PN的分布状况是一项重要的工作。分析PN掺杂的空间分布最佳的利器为扫描电容显微镜，图10为原子力显微镜与扫描电容显微镜在光电二极体的分析结果，可以清楚看到此影像感测器的光电二极体中心为N掺杂，四周则是P掺杂。