電子輻照導致CMOS圖像傳感器性能退化

馬林東,郭 旗,李豫東,文 林,馮 婕,張 翔,王田琿

(1.中國科學院 特殊環境功能材料與器件重點實驗室,烏魯木齊830011；2. 中國科學院 新疆理化技術研究所,烏魯木齊830011；3.新疆電子信息材料與器件重點實驗室,烏魯木齊830011；4.中國科學院大學,北京100049)

近十余年來，隨著CMOS電路制造工藝技術的發展以及設計水平的不斷提高，采用亞微米和深亞微米工藝制造的CMOS圖像傳感器已經克服了發展初期的一些缺點[1-3]，在綜合考慮系統功耗、體積、質量、成本等因素后，CMOS圖像傳感器在空間任務中得到了廣泛應用，如在遙感相機、星敏感器、輔助著陸等領域，主要實現了星圖采集、監控成像和導航等功能。但是,惡劣的空間輻射環境會導致CMOS圖像傳感器的性能嚴重退化[4-6]。

1997年, Hancock等最早開始對CMOS有源像素傳感器(CMOS active pixel sensor，CMOS APS)進行了輻照效應研究，實驗樣品采用P-MOS和P+/N光電二極管。實驗結果顯示,CMOS APS的主要輻照損傷是暗電流大幅度增加，初步認為是由光電二極管周邊的漏電流造成的。2008--2012年，Goiffon研究小組對0.18 μm工藝的CMOS APS進行γ射線輻照實驗，證實了氧化物缺陷電荷是引起暗電流增大的主要原因，且和界面態引起暗電流相比，氧化物缺陷電荷引起的暗電流要高出兩個數量級[7-9]。2012年,Tan等對4T晶體管(4 transistors, 4T)CMOS圖像傳感器進行了X射線輻照實驗。結果表明，輻照后淺槽隔離(shallow trench isolation，STI)漏電是器件退化的重要原因[10]。

目前，國內主要對3T-CMOS圖像傳感器開展了一些輻射效應研究，而對主流的4T-CMOS圖像傳感器的輻射效應研究較少。本文以電子作為輻照源，對不同偏置條件下的4T-CMOS圖像傳感器進行了輻照，主要對暗電流、飽和輸出和暗信號非均勻性等特征參數進行了分析，深入認識了電子輻照導致CMOS圖像傳感器性能退化的機理。

1 實驗樣品和過程

實驗樣品選用國產科學級4T-CMOS圖像傳感器，在0.18 μm CMOS圖像傳感器專用工藝線上流片。傳感器分辨率為400萬像素，像素結構為4 T，像素尺寸為11 μm×11 μm，讀出方式為電子卷簾快門。和3T-CMOS相比，由于使用了真正的相關雙采樣(correlated double sampling, CDS)技術，讀出噪聲小于2個電子，且具有高于96 dB的動態范圍，即使在強光條件下也可對微弱信號清晰成像。在600 nm波長處傳感器的靈敏度為30 V·(lx·s)-1。片上集成了12位的A/D、溫度傳感器、鎖相環和時序控制模塊，芯片在全速工作下的功耗小于600 mW。圖1為4T-CMOS像素結構圖和實物圖。

(a)Diagram of 4T-CMOS pixel unit structure

(b)Physical map

在江蘇達勝加速器制造有限公司的加速器上進行了10 MeV電子輻照實驗，電子束流在0.05～1 mA連續可調，束流控制精度較高。全過程用計算機控制，具有電子能量和電子束流穩定的優點。分別對注量為1.36×1012，2.73×1012，4.55×1012，6.82×1012，15.9×1012cm-2共5個點進行離線測試。輻照過程采用了2種輻照偏置條件：1)靜態偏置。器件電源管腳接工作偏壓，同時，其余時序管腳接固定偏壓(偏壓值選擇驅動脈沖的高電平)，其中TX上電壓為1.8 V；2)器件的所有管腳全部短接，并接地。10 MeV電子輻照后，5個測試點對應的電離損傷劑量和位移損傷劑量，如表1所列。

表110MeV電子輻照后的電離損傷劑量和位移損傷劑量

Tab.1Ionizationdamagedoseanddisplacementdamagedoseafter10MeVelectronirradiation

Electron fluence/(1012 cm-2)Ionization damagedose/kradDisplacement damagedose/(108 MeV-1·g-1)1.36301.432.73602.874.551004.786.821507.1715.935016.7

2 實驗結果

2.1 暗電流隨電子注量的變化關系

暗電流隨電子輻照注量的變化關系，如圖2所示。可以看出，靜態輻照條件下暗電流退化比不加電輻照時退化更嚴重。暗電流的退化主要是由于電子輻照產生的電離損傷導致淺槽隔離(STI)界面復合電流、掩埋型光電二極管(PPD)表面缺陷復合電流、光電二極管與轉移柵(TG)交疊區復合電流等三部分暗電流的增大造成的。由于10 MeV電子輻照還產生了位移損傷，因此暗電流的增大有一部分是由于體缺陷導致耗盡區載流子產生率增大所致。此外，γ射線輻照偏置效應不明顯[11]，因此認為位移損傷效應表現出一定的偏置效應。

2.2 飽和輸出灰度值隨電子注量的變化關系

飽和輸出灰度值隨電子注量的變化規律，如圖3所示，不同輻照偏置條件下器件的退化趨勢相似，即隨電子注量增加飽和輸出灰度值不斷減小,說明飽和輸出灰度值對電離總劑量敏感。

2.3 暗信號非均勻性隨電子注量的變化關系

暗信號非均勻性的變化規律如圖4所示，其隨電子注量的變化趨勢與暗電流的退化趨勢類似。為了更加明顯地給出暗信號非均勻性的退化趨勢，圖5繪出了輻照前后暗電流譜呈高斯曲線分布的情況。

圖4暗信號非均勻性隨電子注量的變化關系Fig.4Dark signal nonuniformity vs. electron fluences

可以看出，隨著輻照電子注量的增大，曲線逐漸展寬，并且伴有較小的拖尾，同時整個譜線逐漸右移。譜線展寬表面暗信號非均勻性逐漸增大，譜線右移表面輻照后,暗電流整體抬升，這是由于10 MeV電子輻照后產生了一定的位移損傷。

圖5電子輻照后暗電流分布變化Fig.5The distributions of dark signal after electron irradiation

3 輻射損傷機理分析

暗電流由表面暗電流和體暗電流構成，電子是帶電粒子，CMOS APS 受電子輻射后不但在柵氧化物、STI氧化物中產生氧化物陷阱電荷，還在Si-SiO2界面產生界面態，同時在像素單元體耗盡層產生體缺陷。CMOS APS 表面暗電流密度Js和體暗電流密度Jg的計算公式分別為[12]

(1)

(2)

界面態位于靠近Si-SiO2界面1～2個原子鍵約0.5 nm的距離處，可以較快地與硅導帶和價帶交換電荷,促進了電子通過熱運動由價帶躍遷到導帶，導致表面有效產生速度se增大。由式(1)可知，se增大，Js將增大。電子輻射引起的位移效應，在像素單元體耗盡區內產生大量的體缺陷，這些缺陷能級在禁帶中起到產生-復合中心的作用，使耗盡區載流子壽命τg顯著減小，由式(2)可知，τg顯著減小，Jg將顯著增大。

當TG轉移柵周邊的STI在電子輻照致電離總劑量效應條件下產生陷阱正電荷后，將在STI的Si-SiO2表面產生感應的負電荷，即此區域的電子濃度增加，空穴濃度下降。這些負電荷將使得TG的溝道電勢勢壘下降，由于4 T像素光電二極管PD結構設計上需要將占阱容量主要部分的重摻雜N區放置在比較靠近TG和表面鉗位Pinned層的位置上，以便于電荷的轉移讀出，因此TG溝道勢壘下降后，部分本來可以容納光電子的摻雜區電勢將高于溝道勢壘，這部分光電子不會積累在PD區域，而是會經過TG流出PD，這在一定程度上降低了PD中可存儲的電荷總容量，導致飽和輸出灰度值降低。滿阱容量的下降和電子輻照致位移效應無關。

暗信號非均勻性的增大主要是電子入射后,與CMOS APS體Si發生相對稀少的非彈性碰撞,導致大量的位移能量沉積在某些像元里,從而使單個像元的暗電流顯著增大，這些像元稱為熱像素。隨著電子注量的增大，熱像素的數量逐漸增多，導致暗信號非均勻性的增大，使得圖像傳感器成像質量退化。

實驗結果顯示，對位移效應敏感的參數，如暗電流和暗電流非均勻性表現出了明顯的偏置效應，加偏壓輻照要比不加電退化更加嚴重。而對位移效應不敏感，僅對電離效應敏感的參數，飽和輸出灰度值并沒有表現出明顯的偏置效應。主要原因是相對于不加電，加電會在光電二極管內部附加電場，而電子在不同電場下運動會有差別，因此表現出了電子輻照偏置效應。

4 結論

本文以10 MeV電子作為輻照源，對科學級4T-CMOS圖像傳感器輻照效應進行研究。實驗結果證明，電子輻照CMOS圖像傳感器后產生了電離損傷和位移損傷，導致暗電流增加、飽和輸出灰度值下降，暗電流非均勻性增長；實驗中還發現，電子輻照存在偏置效應。