馬林東,郭 旗,李豫東,文 林,馮 婕,張 翔,王田琿

(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,烏魯木齊830011；2. 中國(guó)科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所,烏魯木齊830011；3.新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊830011；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

近十余年來(lái)，隨著CMOS電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展以及設(shè)計(jì)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(jīng)克服了發(fā)展初期的一些缺點(diǎn)[1-3]，在綜合考慮系統(tǒng)功耗、體積、質(zhì)量、成本等因素后，CMOS圖像傳感器在空間任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用，如在遙感相機(jī)、星敏感器、輔助著陸等領(lǐng)域，主要實(shí)現(xiàn)了星圖采集、監(jiān)控成像和導(dǎo)航等功能。但是,惡劣的空間輻射環(huán)境會(huì)導(dǎo)致CMOS圖像傳感器的性能嚴(yán)重退化[4-6]。

1997年, Hancock等最早開(kāi)始對(duì)CMOS有源像素傳感器(CMOS active pixel sensor，CMOS APS)進(jìn)行了輻照效應(yīng)研究，實(shí)驗(yàn)樣品采用P-MOS和P+/N光電二極管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,CMOS APS的主要輻照損傷是暗電流大幅度增加，初步認(rèn)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(duì)0.18 μm工藝的CMOS APS進(jìn)行γ射線輻照實(shí)驗(yàn)，證實(shí)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(tài)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(gè)數(shù)量級(jí)[7-9]。2012年,Tan等對(duì)4T晶體管(4 transistors, 4T)CMOS圖像傳感器進(jìn)行了X射線輻照實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(guó)內(nèi)主要對(duì)3T-CMOS圖像傳感器開(kāi)展了一些輻射效應(yīng)研究，而對(duì)主流的4T-CMOS圖像傳感器的輻射效應(yīng)研究較少。本文以電子作為輻照源，對(duì)不同偏置條件下的4T-CMOS圖像傳感器進(jìn)行了輻照，主要對(duì)暗電流、飽和輸出和暗信號(hào)非均勻性等特征參數(shù)進(jìn)行了分析，深入認(rèn)識(shí)了電子輻照導(dǎo)致CMOS圖像傳感器性能退化的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)樣品和過(guò)程

實(shí)驗(yàn)樣品選用國(guó)產(chǎn)科學(xué)級(jí)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(wàn)像素，像素結(jié)構(gòu)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(guān)雙采樣(correlated double sampling, CDS)技術(shù)，讀出噪聲小于2個(gè)電子，且具有高于96 dB的動(dòng)態(tài)范圍，即使在強(qiáng)光條件下也可對(duì)微弱信號(hào)清晰成像。在600 nm波長(zhǎng)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(huán)和時(shí)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(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖。

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

(b)Physical map

在江蘇達(dá)勝加速器制造有限公司的加速器上進(jìn)行了10 MeV電子輻照實(shí)驗(yàn)，電子束流在0.05～1 mA連續(xù)可調(diào)，束流控制精度較高。全過(guò)程用計(jì)算機(jī)控制，具有電子能量和電子束流穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。分別對(duì)注量為1.36×1012，2.73×1012，4.55×1012，6.82×1012，15.9×1012cm-2共5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行離線測(cè)試。輻照過(guò)程采用了2種輻照偏置條件：1)靜態(tài)偏置。器件電源管腳接工作偏壓，同時(shí)，其余時(shí)序管腳接固定偏壓(偏壓值選擇驅(qū)動(dòng)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(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 暗電流隨電子注量的變化關(guān)系

暗電流隨電子輻照注量的變化關(guān)系，如圖2所示?？梢钥闯?，靜態(tài)輻照條件下暗電流退化比不加電輻照時(shí)退化更嚴(yán)重。暗電流的退化主要是由于電子輻照產(chǎn)生的電離損傷導(dǎo)致淺槽隔離(STI)界面復(fù)合電流、掩埋型光電二極管(PPD)表面缺陷復(fù)合電流、光電二極管與轉(zhuǎn)移柵(TG)交疊區(qū)復(fù)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(chǎn)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(dǎo)致耗盡區(qū)載流子產(chǎn)生率增大所致。此外，γ射線輻照偏置效應(yīng)不明顯[11]，因此認(rèn)為位移損傷效應(yīng)表現(xiàn)出一定的偏置效應(yīng)。

2.2 飽和輸出灰度值隨電子注量的變化關(guān)系

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

2.3 暗信號(hào)非均勻性隨電子注量的變化關(guān)系

暗信號(hào)非均勻性的變化規(guī)律如圖4所示，其隨電子注量的變化趨勢(shì)與暗電流的退化趨勢(shì)類似。為了更加明顯地給出暗信號(hào)非均勻性的退化趨勢(shì)，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(hào)非均勻性隨電子注量的變化關(guān)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(shí)整個(gè)譜線逐漸右移。譜線展寬表面暗信號(hào)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(chǎn)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(jī)理分析

暗電流由表面暗電流和體暗電流構(gòu)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(chǎn)生氧化物陷阱電荷，還在Si-SiO2界面產(chǎn)生界面態(tài)，同時(shí)在像素單元體耗盡層產(chǎn)生體缺陷。CMOS APS 表面暗電流密度Js和體暗電流密度Jg的計(jì)算公式分別為[12]

(1)

(2)

界面態(tài)位于靠近Si-SiO2界面1～2個(gè)原子鍵約0.5 nm的距離處，可以較快地與硅導(dǎo)帶和價(jià)帶交換電荷,促進(jìn)了電子通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致表面有效產(chǎn)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(yīng)，在像素單元體耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的體缺陷，這些缺陷能級(jí)在禁帶中起到產(chǎn)生-復(fù)合中心的作用，使耗盡區(qū)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(dāng)TG轉(zhuǎn)移柵周邊的STI在電子輻照致電離總劑量效應(yīng)條件下產(chǎn)生陷阱正電荷后，將在STI的Si-SiO2表面產(chǎn)生感應(yīng)的負(fù)電荷，即此區(qū)域的電子濃度增加，空穴濃度下降。這些負(fù)電荷將使得TG的溝道電勢(shì)勢(shì)壘下降，由于4 T像素光電二極管PD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要將占阱容量主要部分的重?fù)诫sN區(qū)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(zhuǎn)移讀出，因此TG溝道勢(shì)壘下降后，部分本來(lái)可以容納光電子的摻雜區(qū)電勢(shì)將高于溝道勢(shì)壘，這部分光電子不會(huì)積累在PD區(qū)域，而是會(huì)經(jīng)過(guò)TG流出PD，這在一定程度上降低了PD中可存儲(chǔ)的電荷總?cè)萘?，?dǎo)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(yīng)無(wú)關(guān)。

暗信號(hào)非均勻性的增大主要是電子入射后,與CMOS APS體Si發(fā)生相對(duì)稀少的非彈性碰撞,導(dǎo)致大量的位移能量沉積在某些像元里,從而使單個(gè)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(shù)量逐漸增多，導(dǎo)致暗信號(hào)非均勻性的增大，使得圖像傳感器成像質(zhì)量退化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)位移效應(yīng)敏感的參數(shù)，如暗電流和暗電流非均勻性表現(xiàn)出了明顯的偏置效應(yīng)，加偏壓輻照要比不加電退化更加嚴(yán)重。而對(duì)位移效應(yīng)不敏感，僅對(duì)電離效應(yīng)敏感的參數(shù)，飽和輸出灰度值并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的偏置效應(yīng)。主要原因是相對(duì)于不加電，加電會(huì)在光電二極管內(nèi)部附加電場(chǎng)，而電子在不同電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)會(huì)有差別，因此表現(xiàn)出了電子輻照偏置效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文以10 MeV電子作為輻照源，對(duì)科學(xué)級(jí)4T-CMOS圖像傳感器輻照效應(yīng)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，電子輻照CMOS圖像傳感器后產(chǎn)生了電離損傷和位移損傷，導(dǎo)致暗電流增加、飽和輸出灰度值下降，暗電流非均勻性增長(zhǎng)；實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，電子輻照存在偏置效應(yīng)。