CMOS有源像素圖像傳感器的電子輻照損傷效應(yīng)研究

瑪麗婭，李豫東，郭 旗?，劉昌舉，文 林，汪 波

(1.中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060)

CMOS有源像素圖像傳感器的電子輻照損傷效應(yīng)研究

瑪麗婭1，2，李豫東1，郭 旗1?，劉昌舉3，文 林1，汪 波1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060)

對(duì)某國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器進(jìn)行了兩種不同能量的電子輻照試驗(yàn)，在輻照前后及退火過(guò)程中采用離線測(cè)量方法，考察了暗信號(hào)、飽和電壓、光譜響應(yīng)特性等參數(shù)，分析了器件的電子輻照效應(yīng)損傷機(jī)理。結(jié)果表明:暗信號(hào)和暗信號(hào)非均勻性都隨著輻照劑量的增加及高溫退火時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；飽和電壓在兩種能量電子輻照下均出現(xiàn)較大幅度的減小，并在高溫退火過(guò)程中有所恢復(fù)；光譜響應(yīng)特性無(wú)特別明顯變化。經(jīng)分析，暗電流、飽和電壓的變化主要由輻照誘發(fā)的氧化物陷阱電荷導(dǎo)致的光敏二極管耗盡層展寬和界面陷阱電荷密度增大導(dǎo)致產(chǎn)生-復(fù)合中心的增加所引起。

電子輻照；CMOS有源像素傳感器；暗信號(hào)

1 引 言

固態(tài)圖像傳感器是星敏感器中的核心部件。從二十世紀(jì)七十年代末和八十年代初開(kāi)始，電荷耦合器件(CCD)成為星敏感器的首選圖像傳感器。但是，CCD在應(yīng)用過(guò)程中逐漸暴露出一些問(wèn)題，如抗輻射能力差、供電復(fù)雜、兼容性差、成本高等[1]。CMOS有源像素圖像傳感器克服了CCD器件的很多缺點(diǎn)，具有成本和功耗相對(duì)較低、集成度高、抗輻射性能強(qiáng)以及沒(méi)有拖影等優(yōu)點(diǎn)[2-6]，充分滿足了星用載荷對(duì)圖像敏感器件的要求。然而航天器及衛(wèi)星所在的空間環(huán)境非常復(fù)雜且惡劣，充斥著γ射線、高能電子、質(zhì)子以及其他重離子等[7]。高能粒子入射會(huì)導(dǎo)致星用光電器件的性能變差，嚴(yán)重時(shí)，使其徹底損壞。因此非常有必要開(kāi)展CMOS有源像素圖像傳感器(APS)的輻照模擬試驗(yàn)研究，探索其輻射損傷機(jī)理。

國(guó)外研究人員在CMOS APS的輻射效應(yīng)研究方面開(kāi)展了大量工作。具有代表性的是Beaumel開(kāi)展的CMOS APS圖像傳感器的總劑量輻照效應(yīng)研究。他們選用γ射線、電子和質(zhì)子輻照樣品[8]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)輻照會(huì)導(dǎo)致CMOS APS圖像傳感器暗電流增加、光響應(yīng)度降低、非均勻性增大、隨機(jī)電報(bào)信號(hào)產(chǎn)生等現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)近幾年來(lái)開(kāi)展了一些CMOS APS圖像傳感器輻照效應(yīng)方面的研究，但大部分集中在γ射線以及質(zhì)子、中子輻照試驗(yàn)研究，對(duì)于衛(wèi)星工作的空間環(huán)境中大量存在的高能電子對(duì)CMOS APS圖像傳感器的輻照損傷研究開(kāi)展較少[9-14]。

為了獲得CMOS APS圖像傳感器在電子輻照后的參數(shù)變化規(guī)律，分析其退化機(jī)理，為國(guó)產(chǎn)CMOS APS圖像傳感器的抗輻射加固提供數(shù)據(jù)支持，本文對(duì)某國(guó)產(chǎn)CMOS APS開(kāi)展了電子束輻照試驗(yàn)研究，在輻照后進(jìn)行了室溫和高溫退火實(shí)驗(yàn)，分析討論了引起CMOS APS器件參數(shù)退化的原因。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)樣品采用國(guó)產(chǎn)的特征尺寸為0.5 μm、CMOS N阱工藝制造的CMOS APS，像元數(shù)為256× 256，尺寸為25 μm×25 μm。像素單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，器件包括像素單元、水平移位與垂直移位暫存器、時(shí)鐘控制等數(shù)字電路與模擬電路部分，曝光時(shí)間控制是采用改變時(shí)序的方法實(shí)現(xiàn)的。像素單元中含有N型阱/P型襯底的光敏二極管，源極跟隨器、復(fù)位管及行選通管等金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)組成的有源電路[9]，場(chǎng)氧厚度約為500 nm，柵氧厚度為12.5 nm。

圖1 像素單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Pixel unit structure diagram

輻照試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所ELV-8型2 MeV電子加速器上完成，待測(cè)器件放置于輻照源附近。采用驅(qū)動(dòng)偏置電路提供器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序及電源，使其處于正常工作狀態(tài)。為避免驅(qū)動(dòng)電路板受輻照后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，用鉛磚對(duì)電路板進(jìn)行屏蔽。試驗(yàn)中電子能量選取1 MeV、1.8 MeV兩個(gè)能量，1 MeV電子輻照下經(jīng)等效換算對(duì)應(yīng)的劑量率為26.04 rad(Si)/s，1.8 MeV電子輻照下等效換算對(duì)應(yīng)的劑量率為21.29 rad(Si)/s。在兩種能量電子輻照下，器件均處于動(dòng)態(tài)偏置狀態(tài)，選取5，10，20，30，50，70 krad(Si)劑量點(diǎn)作移位測(cè)試。輻照實(shí)驗(yàn)完成后，進(jìn)行50 h左右的室溫加偏退火，以及168 h的100℃高溫加偏退火，在退火達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，也對(duì)器件作移位測(cè)試。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)物圖Fig.2 Picture of testing system

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試了器件的暗信號(hào)、暗信號(hào)非均勻性、飽和輸出電壓、光譜響應(yīng)度等參數(shù)。所有參數(shù)測(cè)試均在30 min內(nèi)完成。在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所“光電成像器件輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)”上完成CMOS APS的光學(xué)、電學(xué)參數(shù)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖2所示。該系統(tǒng)包括機(jī)械控制部分、電參數(shù)測(cè)試部分、光學(xué)部件等[15]。

3 結(jié)果與討論

暗信號(hào)即為器件在完全沒(méi)有光照的條件下輸出的信號(hào)，具體的測(cè)試原理在文獻(xiàn)[15-16]中已給出。暗信號(hào)和暗信號(hào)非均勻性隨電子束輻照劑量及常溫和高溫退火時(shí)間的變化關(guān)系分別如圖3和圖4所示。在輻照過(guò)程中，暗信號(hào)和暗信號(hào)非均勻性都隨著輻照劑量的增加而增大，在室溫退火階段繼續(xù)增大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)趨于平緩；在高溫退火前期，暗信號(hào)仍增大，120 h后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，但仍遠(yuǎn)大于初始值；暗信號(hào)非均勻性則在高溫退火期間無(wú)明顯退火現(xiàn)象。

圖3 暗信號(hào)隨電子輻照劑量(a)、室溫退火時(shí)間(b)和高溫退火時(shí)間(c)的變化關(guān)系。Fig.3 Variation of dark signal of CMOS APS with electron-irradiation(a)，room temperature annealing time(b)and high temperature annealing time(c)，respectively.

圖4 暗信號(hào)非均勻性隨電子輻照劑量(a)、室溫退火時(shí)間(b)和高溫退火時(shí)間(c)的變化關(guān)系。Fig.4 Variation of dark signal non-uniformity of CMOS APS with electron-irradiation(a)，room temperature annealing time (b)and high temperature annealing time(c)，respectively.

光電二極管中暗電流的主要來(lái)源為空間電荷區(qū)產(chǎn)生的漏電流。電子輻照CMOS APS圖像傳感器會(huì)產(chǎn)生總劑量效應(yīng)[8]。高能粒子入射導(dǎo)致器件產(chǎn)生電離損傷，在CMOS圖像傳感器中具體表現(xiàn)為在光敏二極管的Si/SiO2界面形成界面陷阱電荷態(tài)以及在柵氧層內(nèi)形成正的氧化物陷阱電荷[17]。

理想的p-n結(jié)反向電流表達(dá)式為[18]:

式中Isat表示中性區(qū)的擴(kuò)散電流；Igr(Vrev)是從耗盡區(qū)和SiO2界面產(chǎn)生的電流。在假定中間態(tài)和捕獲的空穴和通過(guò)截面的電子是等量的情況下，電流表達(dá)式為[18]:

式中:ni為載流子密度，是固有的常數(shù)；AJ為交界處的面積；K表示由少子擴(kuò)散系數(shù)和摻雜密度共同決定的常數(shù)；Nt為產(chǎn)生和復(fù)合的中心密度；σ是捕獲穿過(guò)橫截面的電子和空穴；W表示耗盡區(qū)寬度；Vth為熱速度；PJ為交界處的周長(zhǎng)；nt是界面產(chǎn)生和復(fù)合中心的密度；Wint則表示SiO2-Si界面的耗盡區(qū)寬度；Vrev為反向電壓。

在特定的CMOS圖像傳感器中，在反向電壓不變時(shí)，影響暗電流的主要因素是熱速度Vth和耗盡區(qū)寬度W。在SiO2中，由于電子輻照產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷使得耗盡區(qū)變寬，導(dǎo)致光敏二極管暗電流增大[19-20]，如圖5所示。界面態(tài)缺陷促進(jìn)了肖特基-里德-霍爾(SRH)產(chǎn)生過(guò)程，導(dǎo)致暗電流進(jìn)一步增大。界面陷阱電荷隨著室溫退火時(shí)間的增加而逐漸積累增多，導(dǎo)致表面產(chǎn)生中心的密度增大，從而進(jìn)一步引起表面漏電流的繼續(xù)增大[9]。從式(1)和(2)可見(jiàn)，在其他條件保持相對(duì)穩(wěn)定的情況下，暗信號(hào)增大的主要原因是輻照導(dǎo)致的耗盡區(qū)的展寬和界面態(tài)缺陷的逐漸增多。

圖5 電離輻射誘導(dǎo)氧化層缺陷電荷導(dǎo)致的耗盡層展寬Fig.5 Broadening of the photodiode depletion layer caused by irradiation-induced oxide trapped charge

像素放大器中的偏差和光電二極管的暗電流是引起暗信號(hào)非均勻性的主要來(lái)源。本試驗(yàn)中，樣品電路通過(guò)采用相關(guān)雙采樣技術(shù)避免了像素放大器偏差帶來(lái)的影響，因此光電二極管的暗電流是引發(fā)暗信號(hào)非均勻性增大的主要原因，這與暗信號(hào)變化規(guī)律是一致的。

圖6 飽和輸出信號(hào)隨電子輻照劑量(a)、室溫退火時(shí)間(b)和高溫退火時(shí)間(c)的變化關(guān)系。Fig.6 Variation of saturated output signal of CMOS APS with electron-irradiation(a)，room temperature annealing time(b)andhigh temperature annealing time(c)，respectively.

圖7 1 MeV(a)和1.8 MeV(b)電子輻照前后的光譜響應(yīng)曲線Fig.7 Spectral responses before and after 1 MeV(a)and 1.8 MeV(b)irradiation

飽和輸出電壓具體是指器件的光積分到達(dá)滿阱容量時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，與器件本身工藝相關(guān)。如圖6所示，在輻照過(guò)程中，飽和輸出信號(hào)在兩種能量電子輻照下均出現(xiàn)較大幅度的減小；在常溫退火過(guò)程中無(wú)明顯恢復(fù)；而在高溫退火中，可以看到在1.8 MeV電子輻照下的芯片飽和輸出信號(hào)基本恢復(fù)到輻照前的值，在1 MeV電子輻照下的芯片只有相對(duì)較小幅度的恢復(fù)。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為，飽和輸出電壓的衰降與復(fù)位晶體管的閾值電壓漂移有關(guān)。高溫退火期間不同能量電子束輻照下的器件退火行為不同，表明飽和輸出電壓的變化與界面態(tài)缺陷有關(guān)，且1 MeV電子輻照引入的界面態(tài)缺陷密度比1.8 MeV電子輻照時(shí)大。

光譜響應(yīng)是指器件對(duì)不同入射波長(zhǎng)的響應(yīng)度[21]，而響應(yīng)度是CMOS APS器件在單位入射光強(qiáng)下所輸出的電壓值。當(dāng)器件處于某一特定波長(zhǎng)的均勻光照下時(shí)，測(cè)量該器件的輸出電壓，已知相同光照條件下標(biāo)準(zhǔn)量子阱探測(cè)器的響應(yīng)值，將兩者相除，得到的就是該入射波長(zhǎng)下的CMOS APS器件的響應(yīng)度。采用同樣的方法掃描器件的整個(gè)光譜響應(yīng)范圍，即可得出器件的光譜響應(yīng)[16]。圖7所示分別為1 MeV、1.8 MeV輻照前與輻照后(70 krad(Si))的光譜響應(yīng)曲線。從結(jié)果可看出，在兩種能量電子輻照下，CMOS APS的光譜響應(yīng)均無(wú)特別明顯變化。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)CMOS有源像素傳感器的1 MeV、1.8 MeV電子束輻照試驗(yàn)，獲得了器件的敏感參數(shù)，暗信號(hào)、暗信號(hào)非均勻性、飽和輸出電壓都隨著輻照劑量的增加出現(xiàn)了較大的退化。分析認(rèn)為，CMOS圖像傳感器中受高能粒子入射產(chǎn)生輻照損傷的主要是單元光敏二極管。電離輻射損傷在光敏二極管的SiO2/Si界面中形成界面陷阱電荷，在其柵氧層中則形成氧化物陷阱電荷。耗盡區(qū)由于氧化層缺陷電荷的存在而展寬，而界面態(tài)缺陷的增多也使產(chǎn)生-復(fù)合中心增加，通過(guò)形成可能的漏電流通道，導(dǎo)致器件的暗信號(hào)、暗信號(hào)非均勻性增加，飽和輸出電壓衰降。而不同能量電子輻照下器件的飽和輸出電壓的不同高溫退火行為，表明飽和輸出電壓的變化與界面態(tài)缺陷有關(guān)，有待進(jìn)一步設(shè)計(jì)單管實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

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瑪麗婭(1987－)，女，新疆烏魯木齊人，博士研究生，2013年于中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事光電材料與器件輻射效應(yīng)的研究。

E-mail:maria0511＠163.com

郭旗(1964－)，男，新疆烏魯木齊人，研究員，博士生導(dǎo)師，1986年于北京理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體材料與器件輻射效應(yīng)的研究。

E-mail:guoqi2810＠163.com

Electron Beam Radiation Effects on CMOS Active Pixel Sensor

MA Li-ya1，2，LI Yu-dong1，GUO Qi1，LIU Chang-ju3，WEN Lin1，WANG Bo1，2
(1.Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environments，Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Materials and Devices，Xinjiang Technical Institute of Physicsand Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Chongqing Technical Institute of Photoelectronics，Chongqing 400060，China)?Corresponding Author，E-mail:guoqi2810＠163.com

Electron beam irradiation experiments were taken on the domestic CMOS image sensors，the irradiation effect and damage mechanism of the devices were analyzed.By using off-line measuring method before and after irradiation and in the process of annealing，the parameters such as dark signal，saturated voltage，spectral response characteristics were measured.The experiment results show that the non-uniformity of dark signal and dark current increase with the increase of irradiation dose and high temperature annealing time.The saturation voltages reduce significantly under the electron beam irradiation and recover in the process of high temperature annealing.There is no significant change for spectral response characteristics before and after the irradiation.The changes of the dark current，saturation voltage are due to the broadening of the photodiode depletion layer caused by irradiation-induced oxide trapped charge and the increase of recombination centers caused by irradiation-induced interface states.

electron irradiation；CMOS active pixel sensor；dark current

TN29

A

10.3788/fgxb20173802.0182

1000-7032(2017)02-0182-06

2016-08-22；

2016-09-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(11005152，11275262)資助項(xiàng)目Supported by National Natural Science Foundation of China(11005152，11275262)