CMOS有源像素圖像傳感器的電子輻照損傷效應研究

瑪麗婭，李豫東，郭 旗?，劉昌舉，文 林，汪 波

(1.中國科學院特殊環境功能材料與器件重點實驗室，

新疆電子信息材料與器件重點實驗室，中國科學院新疆理化技術研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學，北京 100049； 3.重慶光電技術研究所，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.中國科學院特殊環境功能材料與器件重點實驗室，

新疆電子信息材料與器件重點實驗室，中國科學院新疆理化技術研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學，北京 100049； 3.重慶光電技術研究所，重慶 400060)

對某國產CMOS圖像傳感器進行了兩種不同能量的電子輻照試驗，在輻照前后及退火過程中采用離線測量方法，考察了暗信號、飽和電壓、光譜響應特性等參數，分析了器件的電子輻照效應損傷機理。結果表明:暗信號和暗信號非均勻性都隨著輻照劑量的增加及高溫退火時間的延長而增大；飽和電壓在兩種能量電子輻照下均出現較大幅度的減小，并在高溫退火過程中有所恢復；光譜響應特性無特別明顯變化。經分析，暗電流、飽和電壓的變化主要由輻照誘發的氧化物陷阱電荷導致的光敏二極管耗盡層展寬和界面陷阱電荷密度增大導致產生-復合中心的增加所引起。

電子輻照；CMOS有源像素傳感器；暗信號

1 引 言

固態圖像傳感器是星敏感器中的核心部件。從二十世紀七十年代末和八十年代初開始，電荷耦合器件(CCD)成為星敏感器的首選圖像傳感器。但是，CCD在應用過程中逐漸暴露出一些問題，如抗輻射能力差、供電復雜、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，具有成本和功耗相對較低、集成度高、抗輻射性能強以及沒有拖影等優點[2-6]，充分滿足了星用載荷對圖像敏感器件的要求。然而航天器及衛星所在的空間環境非常復雜且惡劣，充斥著γ射線、高能電子、質子以及其他重離子等[7]。高能粒子入射會導致星用光電器件的性能變差，嚴重時，使其徹底損壞。因此非常有必要開展CMOS有源像素圖像傳感器(APS)的輻照模擬試驗研究，探索其輻射損傷機理。

國外研究人員在CMOS APS的輻射效應研究方面開展了大量工作。具有代表性的是Beaumel開展的CMOS APS圖像傳感器的總劑量輻照效應研究。他們選用γ射線、電子和質子輻照樣品[8]，結果發現輻照會導致CMOS APS圖像傳感器暗電流增加、光響應度降低、非均勻性增大、隨機電報信號產生等現象。國內近幾年來開展了一些CMOS APS圖像傳感器輻照效應方面的研究，但大部分集中在γ射線以及質子、中子輻照試驗研究，對于衛星工作的空間環境中大量存在的高能電子對CMOS APS圖像傳感器的輻照損傷研究開展較少[9-14]。

為了獲得CMOS APS圖像傳感器在電子輻照后的參數變化規律，分析其退化機理，為國產CMOS APS圖像傳感器的抗輻射加固提供數據支持，本文對某國產CMOS APS開展了電子束輻照試驗研究，在輻照后進行了室溫和高溫退火實驗，分析討論了引起CMOS APS器件參數退化的原因。

2 實驗方法

實驗樣品采用國產的特征尺寸為0.5 μm、CMOS N阱工藝制造的CMOS APS，像元數為256× 256，尺寸為25 μm×25 μm。像素單元結構如圖1所示，器件包括像素單元、水平移位與垂直移位暫存器、時鐘控制等數字電路與模擬電路部分，曝光時間控制是采用改變時序的方法實現的。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、復位管及行選通管等金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)組成的有源電路[9]，場氧厚度約為500 nm，柵氧厚度為12.5 nm。

圖1 像素單元結構示意圖Fig.1 Pixel unit structure diagram

輻照試驗在中國科學院新疆理化技術研究所ELV-8型2 MeV電子加速器上完成，待測器件放置于輻照源附近。采用驅動偏置電路提供器件的驅動時序及電源，使其處于正常工作狀態。為避免驅動電路板受輻照后對實驗結果的干擾，用鉛磚對電路板進行屏蔽。試驗中電子能量選取1 MeV、1.8 MeV兩個能量，1 MeV電子輻照下經等效換算對應的劑量率為26.04 rad(Si)/s，1.8 MeV電子輻照下等效換算對應的劑量率為21.29 rad(Si)/s。在兩種能量電子輻照下，器件均處于動態偏置狀態，選取5，10，20，30，50，70 krad(Si)劑量點作移位測試。輻照實驗完成后，進行50 h左右的室溫加偏退火，以及168 h的100℃高溫加偏退火，在退火達到一定時間時，也對器件作移位測試。

圖2 測試系統的實物圖Fig.2 Picture of testing system

實驗過程中測試了器件的暗信號、暗信號非均勻性、飽和輸出電壓、光譜響應度等參數。所有參數測試均在30 min內完成。在中國科學院新疆理化技術研究所“光電成像器件輻射效應測試系統”上完成CMOS APS的光學、電學參數測試。測試系統的實物圖如圖2所示。該系統包括機械控制部分、電參數測試部分、光學部件等[15]。

3 結果與討論

暗信號即為器件在完全沒有光照的條件下輸出的信號，具體的測試原理在文獻[15-16]中已給出。暗信號和暗信號非均勻性隨電子束輻照劑量及常溫和高溫退火時間的變化關系分別如圖3和圖4所示。在輻照過程中，暗信號和暗信號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增大，隨著時間的延長趨于平緩；在高溫退火前期，暗信號仍增大，120 h后開始趨于穩定，但仍遠大于初始值；暗信號非均勻性則在高溫退火期間無明顯退火現象。

圖3 暗信號隨電子輻照劑量(a)、室溫退火時間(b)和高溫退火時間(c)的變化關系。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 暗信號非均勻性隨電子輻照劑量(a)、室溫退火時間(b)和高溫退火時間(c)的變化關系。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源為空間電荷區產生的漏電流。電子輻照CMOS APS圖像傳感器會產生總劑量效應[8]。高能粒子入射導致器件產生電離損傷，在CMOS圖像傳感器中具體表現為在光敏二極管的Si/SiO2界面形成界面陷阱電荷態以及在柵氧層內形成正的氧化物陷阱電荷[17]。

理想的p-n結反向電流表達式為[18]:

式中Isat表示中性區的擴散電流；Igr(Vrev)是從耗盡區和SiO2界面產生的電流。在假定中間態和捕獲的空穴和通過截面的電子是等量的情況下，電流表達式為[18]:

式中:ni為載流子密度，是固有的常數；AJ為交界處的面積；K表示由少子擴散系數和摻雜密度共同決定的常數；Nt為產生和復合的中心密度；σ是捕獲穿過橫截面的電子和空穴；W表示耗盡區寬度；Vth為熱速度；PJ為交界處的周長；nt是界面產生和復合中心的密度；Wint則表示SiO2-Si界面的耗盡區寬度；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，影響暗電流的主要因素是熱速度Vth和耗盡區寬度W。在SiO2中，由于電子輻照產生的氧化物陷阱電荷使得耗盡區變寬，導致光敏二極管暗電流增大[19-20]，如圖5所示。界面態缺陷促進了肖特基-里德-霍爾(SRH)產生過程，導致暗電流進一步增大。界面陷阱電荷隨著室溫退火時間的增加而逐漸積累增多，導致表面產生中心的密度增大，從而進一步引起表面漏電流的繼續增大[9]。從式(1)和(2)可見，在其他條件保持相對穩定的情況下，暗信號增大的主要原因是輻照導致的耗盡區的展寬和界面態缺陷的逐漸增多。

圖5 電離輻射誘導氧化層缺陷電荷導致的耗盡層展寬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非均勻性的主要來源。本試驗中，樣品電路通過采用相關雙采樣技術避免了像素放大器偏差帶來的影響，因此光電二極管的暗電流是引發暗信號非均勻性增大的主要原因，這與暗信號變化規律是一致的。

圖6 飽和輸出信號隨電子輻照劑量(a)、室溫退火時間(b)和高溫退火時間(c)的變化關系。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滿阱容量時對應的輸出信號，與器件本身工藝相關。如圖6所示，在輻照過程中，飽和輸出信號在兩種能量電子輻照下均出現較大幅度的減小；在常溫退火過程中無明顯恢復；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基本恢復到輻照前的值，在1 MeV電子輻照下的芯片只有相對較小幅度的恢復。文獻[19]認為，飽和輸出電壓的衰降與復位晶體管的閾值電壓漂移有關。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缺陷有關，且1 MeV電子輻照引入的界面態缺陷密度比1.8 MeV電子輻照時大。

光譜響應是指器件對不同入射波長的響應度[21]，而響應度是CMOS APS器件在單位入射光強下所輸出的電壓值。當器件處于某一特定波長的均勻光照下時，測量該器件的輸出電壓，已知相同光照條件下標準量子阱探測器的響應值，將兩者相除，得到的就是該入射波長下的CMOS APS器件的響應度。采用同樣的方法掃描器件的整個光譜響應范圍，即可得出器件的光譜響應[16]。圖7所示分別為1 MeV、1.8 MeV輻照前與輻照后(70 krad(Si))的光譜響應曲線。從結果可看出，在兩種能量電子輻照下，CMOS APS的光譜響應均無特別明顯變化。

4 結 論

通過對CMOS有源像素傳感器的1 MeV、1.8 MeV電子束輻照試驗，獲得了器件的敏感參數，暗信號、暗信號非均勻性、飽和輸出電壓都隨著輻照劑量的增加出現了較大的退化。分析認為，CMOS圖像傳感器中受高能粒子入射產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。耗盡區由于氧化層缺陷電荷的存在而展寬，而界面態缺陷的增多也使產生-復合中心增加，通過形成可能的漏電流通道，導致器件的暗信號、暗信號非均勻性增加，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缺陷有關，有待進一步設計單管實驗進行研究。

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

E-mail:maria0511＠163.com

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

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

國家自然科學基金(11005152，11275262)資助項目Supported by National Natural Science Foundation of China(11005152，11275262)