質子輻照下正照式和背照式圖像傳感器的單粒子瞬態效應*

傅婧 蔡毓龍 李豫東 馮婕? 文林 周東 郭旗?

1) (中國科學院新疆理化技術研究所,烏魯木齊 830011)

2) (新疆電子信息材料與器件重點實驗室,烏魯木齊 830011)

3) (中國科學院大學,北京 100049)

4) (中國科學院微小衛星創新研究院,上海 200011)

1 引言

近年來,快速發展的CMOS 圖像傳感器(CMOS image sensor,CIS)由于體積小,集成度高,功耗低,讀出速度快等獨特優勢,逐漸代替電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD),成為遙感成像、星敏感器和太陽敏感器等空間任務應用中的主流成像器件[1].對于傳統的前照式(Front-side illuminated,FSI)圖像傳感器,光線入射后先經過片上透鏡和濾光片,然后再通過金屬和氧化層,之后在光電二極管中形成光生載流子.為了實現更好的成像性能,光線從背面入射的背照式(Back-side illuminated,BSI)圖像傳感器應運而生,其具有更高的量子效率、靈敏度,在空間成像領域具有廣泛的應用前景[2].

在空間輻射環境中,各種粒子會在電子元器件中引發電離總劑量效應、位移損傷效應以及單粒子效應[3,4].針對標準CMOS 工藝生產的CIS,國內外已對其空間累積輻射效應進行廣泛的研究[5,6].Hopkinson 等[7]在重離子輻照后的CIS 采集圖像上發現了許多瞬態白色亮斑.Goffion 團隊[8,9]于2013 年對分別對兩款商用3T 和4T CIS 進行重離子實驗,研究了部分典型的SEU 和SEL 現象.中國科學院新疆理化所蔡毓龍等[10-11]對商用CIS 進行了重離子實驗,首次全面研究了重離子輻照CIS像素陣列產生不同形狀單粒子瞬態亮斑形成機理,同時首次報道分析了一些復雜單粒子SEL現象.除了重離子誘導CIS 單粒子效應,Beaumel 等[12]通過選用不同能量的質子輻照圖像傳感器,也發現了瞬態亮斑.目前研究雖然發現了質子輻照誘導CIS 瞬態亮斑現象,但缺少對其特征參數的分析提取.同時,國內外尚未有公開報道BSI CIS質子單粒子效應的研究.

本文主要分析不同能量質子輻照下FSI 和BSI CIS 的單粒子效應.首先描述了CIS 外圍電路質子輻照評估結果.接著對不同質子能量輻照下,FSI和BSI CIS 的瞬態亮斑進行分析比較.最后通過仿真分析預測質子輻照FSI 和BSI CIS 瞬態亮斑沉積能量分布,討論了不同參數對質子在CIS 中沉積能量的分布的影響.

2 實驗樣品與條件

實驗樣品分為FSI CIS 和BSI CIS,兩款CIS均采用0.18 μm CMOS 工藝.除了像素陣列,CIS集成了行選邏輯、列選邏輯、時序控制器、模擬信號處理模塊、數模轉換、輸出接口等不同功能的讀出電路,CIS 整體電路結構如圖1(a)所示.像素單元設計采用4T 結構,如圖1(b)所示.在像素單元中,包含鉗位光電二極管、傳輸管、復位管、源跟隨器以及一個行選擇管,4T 像素由于將光生電荷區PPD 和電荷存儲區通過傳輸管隔離,從而實現了相關雙采樣.

圖1 CIS 的(a)整體電路結構和(b)像素單元剖面圖Fig.1.(a)Circuit structure and (b) pixel cross section diagram of CIS.

實驗在瑞士保羅謝勒研究所(PSI) 質子加速器上進行,選用質子特性如表1 所示.輻照外圍電路時,注量率為1 × 106particle/(cm2·s).輻照CIS像素陣列時,為避免注量率過大導致瞬態亮斑互相重疊,選用的注量率為1 × 105particle/(cm2·s).實驗中粒子垂直入射器件表面,實驗中器件已開蓋,輻照在暗場下進行.

表1 質子輻照信息Table 1.Proton irradiation information.

3 結果分析

3.1 外圍電路

之前的重離子實驗研究表明,當重離子LET約為21 MeV/(mg·cm—2)時,CMOS 圖像傳感器出現單粒子閂鎖效應(SEL)[11].為了研究實驗樣品的質子單粒子效應敏感性,質子能量選擇最大值200 MeV,注量率為1 × 106particle/(cm2·s),輻照總注量達1×1010particle/cm2,未觀察到單粒子閂鎖現象,同時也未監測到外圍電路發生單粒子翻轉(SEU)和功能中斷現象.所以根據實驗結果,對于本文所采用的樣品的外圍電路,當質子能量小于200 MeV 時,不會發生單粒子閂鎖和單粒子翻轉現象.

3.2 像素陣列

4T PPD 像素單元由鉗位光電二極管和MOS管組成,沒有存儲電路和CMOS 電路,因此不會發生SEL 和SEU 現象.實驗中在圖像上觀察到不同形狀的亮斑,如圖2 所示.在CIS 整個工作流程中,像素陣列光敏單元中光電二極管工作時序可大致分為信號積分、信號讀出和重新復位光電二極管電勢3 個階段.在信號積分階段,質子在樣品敏感層中產生的電子空穴對被光電二極管耗盡區收集,引起PPD 區域電勢變化,變化的電勢通過晶體管讀出,表現在圖像上即出現灰度值大于背景值的亮斑.一次粒子入射會改變當前積分階段的PPD 中的電勢,在下一次積分前,PPD 中電勢被重新復位到高電平.因此當前圖像中出現的亮斑,在下一幀會消失,這種亮斑被稱為單粒子瞬態亮斑.像素陣列相鄰像素之間通過淺溝槽(STI)進行隔離,入射在某像素敏感層中粒子徑跡上的電子空穴對,除了被該像素單元PPD 收集,可能還會通過漂移/擴散運動到相鄰的像素,因此表現在圖像上就是一個個亮斑,而不是亮點.

圖2 質子輻照FSI CIS 誘導單粒子瞬態亮斑Fig.2.Single event transient bright spot of FSI CIS irradiated by proton.

質子誘導半導體器件發生單粒子效應主要通過兩種方式:一是通過直接電離,使核外電子獲得能量,從而被激發釋放;二是通過核反應,即高能質子直接與原子核發生碰撞,使原子發生位移,同時產生光子、輕粒子以及一些反沖原子[13].依據瞬態亮斑的形狀和總的灰度值大小,可將質子輻照CIS 像素陣列誘導的單粒子瞬態亮斑分為三類.第一種如圖2(b),(c)中紅色標注所示,這種瞬態亮斑灰度值最低,占據像素單元個數最小,但是數量最多.因此可以判斷這種瞬態亮斑由質子直接電離導致.因為幾乎所有的質子入射CIS 進入敏感層,都會和硅通過庫侖相互作用激發釋放硅核外電子,產生電子空穴對.第二種瞬態亮斑如圖2(c)中較亮的光斑所示,和第一種亮斑形狀相似,近似圓形,但亮度明顯比第一種瞬態亮斑大,且數量很少.這種亮斑是由高能質子與CIS 像素單元發生核反應導致.第三種瞬態現象如圖3(b)中亮線所示,和前面兩種亮斑最大的不同是,這種瞬態現象形狀上呈一條亮線,灰度值也比第一種亮斑大很多,這被稱為單粒子瞬態亮線.和第二種亮斑一樣,瞬態亮線數量很少.因此可以判斷瞬態亮線也是由于高能質子和CIS 像素單元發生核反應導致.當核反應產生的次級粒子和像素單元垂直面夾角較小,這種瞬態現象表現在圖像上就是亮斑.而當產生次級粒子出射角度大,次級粒子會經過多個像素,產生的電子空穴對會被粒子徑跡周圍像素收集,表現在圖像上就是單粒子瞬態亮線.

圖3 不同能量質子輻照FSI CIS 瞬態亮斑 (a)沉積能量;(b)尺寸大小Fig.3.(a) Deposition energy and (b) size of FSI CIS transient bright spot irradiated by proton at different energies.

為了進一步分析瞬態亮斑特征,提取瞬態亮斑兩個重要參數,亮斑覆蓋像素單元數量和亮斑總的沉積能量.測試時,采集的圖像信號值為灰度值,單位為DN(digital number),表示由AD 轉換后直接得到的數字信號值.一個亮斑總的沉積能量Ed為

其中,ycluster是亮斑中一個像素單元灰度值,N和M分別為某個亮斑的長和寬,μy,dark為輻照前暗場條件下圖像平均灰度值,K為轉換增益,Eion為沉積能量在材料中的平均電離能,硅中為3.6 eV.其中平均灰度值通過取多幀圖像求得,這樣可以減小測試數據的隨機性和降低噪聲的數量級.隨機選取輻照后連續8 幀圖像,統計其中瞬態亮斑特性,得出不同能量質子輻照FSI 和BSI CIS 瞬態亮斑沉積能量和亮斑覆蓋像素單元數量分布圖,分別如圖3 和圖4 所示.由于實際注量率的波動,不同能量下統計的亮斑數量在52000—56000 之間波動.實驗獲得的瞬態亮斑沉積能量分布特征符合Landau 分布,即分布顯示為一個窄峰和長的拖尾.峰值左側,沉積能量快速增大,峰值右側,沉積能量緩慢下降.沉積能量峰值表示著質子在CIS 像素陣列最可能沉積的能量值.隨著質子能量的增大,沉積能量峰值左移,這是因為隨著質子能量的增大,質子LET 減小.不同的是,隨著能量的增大,分布的拖尾部分右移,這是因為能量更高的質子和材料相互作用將產生具有更高LET 的次級粒子.從圖3(b)可見,瞬態亮斑尺寸分布逐漸減小,尾部出現小幅度波動.隨著質子能量的增大,質子直接電離導致的瞬態亮斑尺寸逐漸減小,尾部核反應產生的亮斑尺寸明顯增大,200 MeV 質子產生的瞬態亮斑最大覆蓋80 多個像素單元,這說明次級粒子產生的電荷被80 多個像素單元共享.

圖4 不同能量質子輻照BSI CIS 瞬態亮斑 (a)沉積能量;(b)尺寸大小Fig.4.(a) Deposition energy and (b) size of BSI CIS transient bright spot irradiated by proton at different energies.

BSI CIS 中瞬態亮斑沉積能量和尺寸大小分布趨勢和FSI CIS 相同,區別是亮斑沉積能量和尺寸大小分布范圍發生明顯左移.圖5 比較了60 MeV質子輻照FSI 和BSI CIS 沉積能量和尺寸大小分布.實驗結果表明BSI CIS 沉積能量分布整體明顯左移,峰值能量由0.0095 MeV 減小到0.0035 MeV,最大沉積能量減小為0.23 MeV.和亮斑沉積能量變化一致,BSI CIS 亮斑尺寸大小分布也整體左移,即亮斑尺寸明顯減小.

圖560 MeV 質子輻照FSI 和BSI CIS 瞬態亮斑 (a)沉積能量;(b)尺寸大小Fig.5.(a) Deposition energy and (b) size of FSI and BSI CIS transient bright spots irradiated by 60 MeV proton.

4 仿真分析

4.1 模型結構

利用Geant 4 模擬了質子輻照像素陣列后SET亮斑沉積能量的分布.在器件模型的基礎上,通過識別不同能量粒子入射后初級粒子以及其在材料中通過核反應產生的次級粒子,追蹤直接電離過程和核反應過程沉積的能量.圖6 顯示了FSI CIS 像素陣列正視圖和俯視圖結構,其中包含鉗位光電二極管的外延層,不同厚度的金屬層和氧化層.實際結構中外延層下還有厚度達幾百微米的襯底,但考慮到襯底摻雜濃度高,襯底中產生的載流子基本都被復合,因此近似外延層厚度為電荷收集敏感層厚度.和FSI CIS 結構不同的是,BSI CIS 襯底在上,金屬層和氧化層在下層,且通常BSI CIS 襯底在工藝中被減薄.考慮到實際亮斑尺寸最大值,選擇建立10 × 10 大小的像素陣列,每個像素大小為11 μm× 11 μm,因此建立的FSI 和BSI CIS 陣列長寬為110 μm × 110 μm.

圖6 (a) FSI 和(b) BSI CIS 像素單元仿真模型結構Fig.6.(a) FSI and (b) BSI CIS pixel structure model.

圖7 所示為4 T 像素陣列的晶體管結構圖.對于試驗樣品,像素單元的PPD 區域約占像素面積的80%.在Geant 4 建立的像素陣列模型中,底部PPD 區域大小為8.8 μm×8.8 μm,厚度為外延層厚度,FSI 和BSI CIS 厚度分別為12 μm 和4 μm.

圖7 單個像素單元結構Fig.7.Structure of single pixel cell.

4.2 結果分析

入射質子導致像素單元發生單粒子瞬態,這實際上是單個粒子與光電二極管中不同結構反應后沉積的能量總和.如果簡單的采用敏感區域模型,忽略外延層的作用,會發現模擬結果與實際結果相差甚遠.所以本文根據2010 年Warren 等[14]提出的復合模型,將不同區域與質子的作用體現為不同的電荷收集效率,以呈現對亮斑沉積能量的不同貢獻,通過調整電荷收集效率,提高復合模型的準確性,可精準預測不同能量質子在器件中的亮斑沉積能量分布.同時本文將模擬區域以內外層的方式交疊排列,每個區域設定不同的電荷收集效率α.對于本文中的實驗樣品,模型主要包含兩個區域,分別為V1 和V2,其中V1 定義為PPD 區域,厚度為其耗盡層厚度,電荷收集效率α=1.V2 定義為像素單元PPD 以外的區域,厚度為從耗盡區下邊界到外延層下邊界.

圖8 顯示了V2 收集效率分別設置為0.6 和0.2 時FSI CIS 60 MeV 質子在亮斑中沉積能量的分布.結果表明V2 收集效率為0.6 時,仿真結果明顯高估了實際亮斑沉積能量值.當V2 收集效率減小到0.2 時,仿真結果和實驗結果很好地吻合.為驗證建立的復合模型的準確性,進一步仿真了100 MeV 和200 MeV 質子產生的亮斑沉積能量分布,如圖9 所示.結果驗證了仿真結果能夠較好地預測不同能量質子在實驗樣品中通過直接電離產生的亮斑沉積能量分布.同時結果顯示仿真結果和實驗結果存在一些差異,首先實驗結果沒有呈現沉積能量小于0.002 MeV 左右亮斑,這是因為我們通過設置灰度值閾值的方法提取亮斑,為了去除背景灰度和噪聲的影響,設置的灰度值閾值不能過低,因此忽略一部分灰度值接近背景值的亮斑.除此之外FSI CIS 仿真結果直接電離部分統計個數略微大于實驗值,尤其是沉積能量峰值部分,這是因為為了提高仿真數據準確性,又便于和實驗結果進行比較,仿真入射粒子總數設為106,比實驗粒子注量高一個數量級.而對于核反應導致亮斑沉積能量部分,仿真結果沉積能量為一段連續分布,其每個沉積能量點統計數小于實驗對應能量點統計數.這是因為核反應的反應截面很低,仿真的方法是統計每一個能量點截面,而因為實驗粒子注量約105,器件尺寸為3 cm × 3 cm,因此出現核反應事件數量很少,表現在圖像上就是少數離散的亮斑.仿真獲得亮斑沉積能量最大值接近10 MeV,大于實驗獲得亮斑沉積能量最大值,這是因為產生高沉積能量的次級粒子較少,所以實驗中因粒子注量小而并未觀察到沉積能量大于1.2 MeV 亮斑.通過仿真和實驗結果比較,60 MeV 質子輻照后,沉積能量大于0.077 MeV 左右的部分為核反應過程,小于0.077 MeV 的部分為直接電離過程.

圖8 FSI CIS 敏感體V2 收集效率分別為 (a) 0.6 和(b) 0.2 時亮斑沉積能量分布的仿真和實驗結果比較圖Fig.8.Comparison of simulation and experimental results of bright spot deposition energy distribution when the collection efficiency of FSI CIS sensitive V2 being (a) 0.6 and (b) 0.2.

圖9 (a) 100 MeV 和(b) 200 MeV 質子輻照FSI CIS 瞬態亮斑沉積能量分布仿真和實驗結果比較圖Fig.9.Comparison of simulation and experimental results of FSI CIS bright spot deposition energy distribution irradiated by proton of (a) 100 MeV and (b) 200 MeV.

不同于FSI CIS 像素結構,BSI CIS 像素單元外延層厚度約4 μm,PPD 耗盡區厚度約2 μm.因此對于BSI,仿真建立的探測器復合敏感體V1 和V2 厚度較FSI CIS 較小.但BSI CIS 中復合敏感體收集效率設置和FSI CIS 相同.注量率為1.5 ×105時,60 MeV 質子亮斑沉積能量的仿真和實驗結果比較如圖10 所示.結果驗證了建立的仿真模型不僅能夠預測FSI CIS,而且能夠很好預測質子在BSI CIS 中直接電離后導致的亮斑沉積能量分布.為了進一步分析實驗結果中質子在FSI 和BSI CIS 中沉積能量不同原因,基于已有的BSI CIS 探測器結構,分別通過在該探測器模型上增大金屬和氧化層、改變PPD 耗盡區厚度、改變外延層厚度三種方法,構建新的探測器結構,進行質子沉積能量仿真計算,結果如圖11 所示.結果顯示,分別只改變BSI CIS 外延層厚度和PPD 耗盡區厚度,質子沉積能量分布發生明顯右移,而增大金屬層和氧化層只使得沉積能量分布左側部分略微減小,核反應分布部分未見變化,能量分布也未發生偏移.這表明BSI CIS 實驗樣品亮斑沉積能量分布相比FSI CIS 發生左移,主要是受PPD 區域耗盡區厚度減小和外延層減薄的影響.

圖10 60MeV 質子輻照BSI CIS 瞬態亮斑沉積能量分布仿真和實驗結果比較圖Fig.10.Comparison of simulation and experimental results of BSI CIS bright spot deposition energy distribution irradiated by 60 MeV proton.

圖11 質子輻照具有不同敏感層結構BSI CIS 后瞬態亮斑沉積能量分布仿真結果比較圖Fig.11.Comparison of simulation results of BSI CIS transient bright spot deposition energy distribution irradiated by proton of different sensitive layer structures.

5 結論

本文研究了質子輻照在FSI 和BSI CMOS 圖像傳感器中誘導產生的單粒子效應.質子最高能量為200 MeV,試驗中未觀察到外圍電路的SEL 和SEU 現象.質子輻照CIS 像素陣列后,發現不同形狀的單粒子瞬態亮斑.其中亮斑形狀和灰度值大小由質子直接電離,以及質子和材料發生核反應產生的次級粒子電離導致.質子輻照CIS 產生的瞬態亮斑沉積能量分布具有一個窄峰和長的拖尾.峰值左側,沉積能量快速增大,峰值右側,沉積能量緩慢下降,其分布特征符合Landau 分布.隨著質子能量的增大,亮斑沉積能量峰值左移,拖尾部分右移.BSI CIS 中瞬態亮斑沉積能量分布和尺寸大小分布趨勢和FSI CIS 相同,不同的是亮斑沉積能量和尺寸大小分布范圍發生明顯左移.通過仿真建立了像素結構模型,通過與實驗數據對比,能夠預測不同能量質子在實驗樣品中直接電離產生的亮斑沉積能量分布.同時,通過仿真工具改變探測器的結構參數,驗證了BSI CIS 樣品中亮斑沉積能量分布相較FSI CIS 發生左移,主要是受PPD 耗盡區以及外延層厚度的影響.