王祖軍, 薛院院, 劉臥龍, 陳 偉, 王 迪, 焦仟麗, 賈同軒, 楊 業(yè), 王茂成, 王百川, 王忠明

(1. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024； 2. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024；3. 湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湘潭 411105)

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS)是一種采用CMOS工藝，將圖像傳感器的像元陣列、時(shí)序控制、信號處理、A/D轉(zhuǎn)換及接口電路等集成一體的固態(tài)圖像傳感器。與電荷耦合器件(CCD)相比，CIS具有功耗低、控制簡單、單片集成、隨機(jī)讀取及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在遙感成像、星敏感器和太陽敏感器等衛(wèi)星圖像采集處理方面正逐步取代CCD圖像傳感器[1-2]。然而，CIS在軌工作時(shí)，會(huì)受到空間輻射損傷的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致器件功能失效，對航天器成像系統(tǒng)在軌正常運(yùn)行與效能發(fā)揮構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

CIS的輻照損傷效應(yīng)主要有總劑量效應(yīng)、位移效應(yīng)和單粒子效應(yīng)[1-4]。在空間輻射環(huán)境中，CIS的輻照損傷主要由空間質(zhì)子引起，質(zhì)子輻照損傷效應(yīng)一直是CIS輻照效應(yīng)研究的熱點(diǎn)問題之一。近年來,國內(nèi)外主要開展了基于180 nm工藝的CIS質(zhì)子輻照效應(yīng)研究。Virmontois等開展了180 nm工藝鉗位光電二極管(PPD)像素結(jié)構(gòu)CIS的質(zhì)子位移損傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，分析了質(zhì)子輻照誘發(fā)暗信號增大、隨機(jī)電報(bào)噪聲(RTS)增多及暗信號尖峰(熱像素)產(chǎn)生的規(guī)律和機(jī)理[5-6]；王祖軍和薛院院等較系統(tǒng)地開展了不同能量(3，10，30，60，90，100，200 MeV)質(zhì)子對國產(chǎn)180 nm工藝PPD CIS的輻照效應(yīng)研究，獲得了質(zhì)子誘發(fā)暗信號、暗信號不均勻性(DSNU)、隨機(jī)噪聲、固定模式噪聲、RTS、暗信號尖峰及圖像滯留等輻射敏感參數(shù)的退化規(guī)律[7-10]。然而，國內(nèi)外對65 nm工藝CIS的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。

本文基于西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)開展了7 MeV負(fù)氫離子(H-)輻照65 nm工藝PPD CIS的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，分析了65 nm工藝PPD CIS輻射敏感參數(shù)的退化規(guī)律和損傷機(jī)理，為比較XiPAF上產(chǎn)生的H-、質(zhì)子及氫原子的輻照損傷效應(yīng)，提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 輻照實(shí)驗(yàn)與測試

以65 nm工藝PPD CIS為研究對象，在XiPAF上開展7 MeV H-輻照損傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。H-輻照注量分別為1×1011，5×1011，1×1012cm-2。輻照前，為使H-能入射到PPD CIS靈敏區(qū)域，對PPD CIS的玻璃光窗進(jìn)行了開蓋處理。在輻照過程中，CIS處于管腳懸空狀態(tài)。輻照前后均對PPD CIS的暗信號、DSNU及暗信號尖峰等輻射敏感參數(shù)進(jìn)行了測試。CIS輻射敏感參數(shù)測試在基于歐洲機(jī)器視覺行業(yè)協(xié)會(huì)(EMVA)1288國際標(biāo)準(zhǔn)的光電成像器件輻射效應(yīng)測試平臺上進(jìn)行。輻照后，對器件進(jìn)行了168 h常溫退火測試。輻照及測試均在室溫下(約25 ℃)進(jìn)行。圖1給出了XiPAF輻照65 nm工藝PPD CIS的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場。

(a) Photo of Xi’an 200 MeV Proton Application Facility

輻照實(shí)驗(yàn)樣本為65 nm工藝PPD CIS，像元陣列為5 120×5 120，像元尺寸大小為2.5 μm×2.5 μm，滿阱容量為6.5×104個(gè)電子。該P(yáng)PD CIS采用全局快門模式，最大讀出幀頻為150 s-1，具有高靈敏度和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 H-輻照誘發(fā)PPD CIS平均暗信號增大

輻照誘發(fā)CIS，CCD及紅外焦平面等光電成像器件的暗信號增大，是光電成像器件輻照后最典型的特征。CIS的暗信號是指在既無光注入又無其他方式注入信號電荷的情況下輸出的信號。參考EMVA1288國際標(biāo)準(zhǔn)，光電成像器件的平均暗信號計(jì)算公式為[11]

Qd=Qd0+Idti

(1)

其中，Id為暗電流；ti為積分時(shí)間；Qd0為積分時(shí)間為零時(shí)無光照條件下的平均暗信號；Qd為當(dāng)積分時(shí)間為ti時(shí)在無光照條件下的平均暗信號。

H-輻照后，PPD CIS的平均暗信號隨積分時(shí)間的增大而增大。圖2為7 MeV H-輻照前后，PPD CIS的平均暗信號隨積分時(shí)間的變化關(guān)系曲線。圖中，暗信號為暗場圖像的灰度值Gd，平均暗信號為暗場圖像的平均灰度值Gad。在H-輻照PPD CIS的入射過程中，當(dāng)H-穿過PPD CIS的表面鈍化層和氧化層等介質(zhì)時(shí)，H-容易被剝離兩個(gè)電子成為質(zhì)子，而質(zhì)子輻照損傷包含電離損傷和位移損傷。電離損傷誘發(fā)PPD CIS表面暗信號增大，位移損傷誘發(fā)PPD CIS體暗信號增大。由圖2可見，當(dāng)H-的輻照注量為1×1011cm-2時(shí)，平均暗信號隨積分時(shí)間的增大略有增大，但變化不顯著，這主要是由于該輻照注量下的累積損傷(電離總劑量和位移損傷)相對較小，對PPD CIS的影響不大；當(dāng)H-的輻照注量為5×1011cm-2和1×1012cm-2時(shí)，平均暗信號隨積分時(shí)間的增大而顯著增大，這主要是由于該輻照注量下的累積損傷相對較大，對PPD CIS的影響較大。電離總劑量損傷誘發(fā)增大的暗信號主要由PPD CIS空間電荷區(qū)(SCR)和隔離氧化層之間的界面態(tài)缺陷引起，界面態(tài)缺陷促進(jìn)了肖特基-里德-霍爾(SRH)產(chǎn)生過程，從而增大了表面暗信號。位移損傷誘發(fā)增大的暗信號主要由PPD CIS像元光敏二極管SCR中輻射誘發(fā)的體缺陷充當(dāng)載流子產(chǎn)生中心，使體暗信號增大。

圖2 7 MeV H-輻照前后，PPD CIS的平均暗信號隨積分時(shí)間的變化關(guān)系Fig.2 The mean dark signal of the PPD CIS vs. integrationtime before and after 7 MeV H- irradiation

圖3給出了在積分時(shí)間為14.92 ms時(shí)，7 MeV H-輻照前后，PPD CIS的平均暗信號隨輻照注量的變化關(guān)系。由圖3可見，H-輻照后，PPD CIS的平均暗信號隨輻照注量增大而增大，變化趨勢接近線性。這說明在該積分時(shí)間下PPD CIS的平均暗信號在本文的H-輻照注量范圍內(nèi)仍然處于線性區(qū)，尚未達(dá)到或接近飽和。

圖3 7 MeV H-輻照前后，PPD CIS的平均暗信號隨輻照注量的變化關(guān)系Fig.3 The mean dark signal of the PPD CIS vs. radiationfluence before and after 7 MeV H- irradiation

2.2 輻照誘發(fā)產(chǎn)生PPD CIS暗信號尖峰

輻照誘發(fā)光電成像器件產(chǎn)生暗信號尖峰，是光電成像器件位移損傷的特征現(xiàn)象，也是區(qū)別光電成像器件電離損傷和位移損傷的典型特征。光電成像器件的暗信號尖峰是指在光電成像器件的單個(gè)像元中的暗信號值很大，至少是平均暗信號值的3倍以上，在圖像上呈現(xiàn)白斑或亮點(diǎn)。位移損傷會(huì)誘發(fā)光電成像器件產(chǎn)生大量的暗信號尖峰。

圖4給出了7 MeV H-輻照前后，PPD CIS像元陣列中的暗信號尖峰及其分布情況。由圖4可見，隨著H-輻照注量增大，PPD CIS像元中的暗信號尖峰數(shù)顯著增多，且暗信號尖峰的幅值也隨輻照注量增大而明顯增大。7 MeV H-輻照PPD CIS后，在像元陣列中沉積能量，主要以非電離能量損失ENIEL的形式導(dǎo)致位移損傷，而位移損傷誘發(fā)的體缺陷導(dǎo)致像元中的暗信號顯著增大，即在暗場圖像中呈現(xiàn)出暗信號尖峰。隨著輻照注量Ф增大，位移損傷劑量Dd(Dd=ENIEL×Ф)也增大，從而呈現(xiàn)出暗信號尖峰數(shù)量顯著增多、幅值顯著增大的現(xiàn)象。

圖4 7 MeV H-輻照前后，PPD CIS像元陣列中暗信號尖峰及其分布Fig.4 The dark signal peak and the distributions of the PPDCIS array pixels before and after 7 MeV H- irradiation

為進(jìn)一步分析H-輻照后PPD CIS像元中產(chǎn)生大量暗信號尖峰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，圖5給出了7 MeV H-輻照前后，PPD CIS像元陣列中的暗信號分布及168 h常溫退火后的測試結(jié)果。由圖5可見，輻照前，PPD CIS像元中的暗信號幅值較小，幾乎沒有暗信號尖峰；當(dāng)輻照注量為1×1011cm-2時(shí)，PPD CIS像元中的暗信號分布曲線中出現(xiàn)了明顯的“拖尾”現(xiàn)象，這主要是因?yàn)橐欢〝?shù)量像元中的暗信號幅值顯著增大，即產(chǎn)生了暗信號尖峰；當(dāng)輻照注量大于5×1011cm-2時(shí)，PPD CIS像元中的暗信號尖峰的數(shù)量和幅值都顯著增大，這主要是由于隨著輻照注量增大，位移損傷劑量也增大。當(dāng)注量達(dá)到1×1012cm-2輻照后，對PPD CIS進(jìn)行了168 h的常溫退火測試。由圖5中的退火測試結(jié)果可見，PPD CIS像元中的暗信號分布曲線基本上沒有變化，這主要是由于短期內(nèi)的常溫退火對位移損傷影響不大。

圖5 7 MeV H-輻照前后，PPD CIS像元陣列中的暗信號分布及168 h常溫退火后的測試結(jié)果Fig.5 The dark signal distributions of the PPD CIS vs.radiation fluence before and after 7 MeV H- irradiation,and 168 h annealing test

2.3 輻照誘發(fā)PPD CIS暗信號不均勻性增大

PPD CIS的暗信號不均勻性(DSNU)是指暗信號在器件各個(gè)像元中分布的不一致性。參考EMVA1288國際標(biāo)準(zhǔn)，DSNU的灰度值GDSNU的計(jì)算公式為[11]

(2)

(3)

GDSNU=sy,dark

(4)

圖6為在積分時(shí)間為14.92 ms時(shí)，7 MeV H-輻照前后，PPD CIS的GDSNU隨輻照注量的變化關(guān)系曲線。由圖6可見，H-輻照后，PPD CIS的GDSNU隨輻照注量增大而顯著增大，這主要是由于H-輻照后產(chǎn)生的位移損傷誘發(fā)PPD CIS像元中產(chǎn)生大量暗信號尖峰，這些暗信號尖峰產(chǎn)生導(dǎo)致PPD CIS各像元中的暗信號分布不一致性增大。輻照注量越大，暗信號尖峰越多，導(dǎo)致PPD CIS各像元中的暗信號分布的不一致性也越大。

圖6 7 MeV H-輻照前后，PPD CIS的暗信號不均勻性隨輻照注量的變化關(guān)系Fig.6 The DSNU of the PPD CIS vs. radiationfluence before and after 7 MeV H- irradiation

2.4 輻照誘發(fā)PPD CIS系統(tǒng)總增益減小

PPD CIS的系統(tǒng)總增益(overall system gain)表示每個(gè)有效光電子引起的輸出圖像灰度值增量,通常用光子轉(zhuǎn)移曲線的線性區(qū)斜率表示。按照EMVA1288國際標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)總增益K的計(jì)算公式為[11]

(5)

圖7為7 MeV H-輻照前后PPD CIS的光子轉(zhuǎn)移曲線及常溫168 h退火后的測試結(jié)果。

圖7 7 MeV H-輻照前后，PPD CIS的光子轉(zhuǎn)移曲線及常溫168 h退火后的測試結(jié)果Fig.7 The photon transfer curves of the PPD CIS before andafter 7 MeV H- irradiation, and 168 h annealing test

由圖7可見，H-輻照注量為1×1012cm-2時(shí)，PPD CIS的光子轉(zhuǎn)移曲線與輻照前相比出現(xiàn)了明顯的退化，PPD CIS的系統(tǒng)總增益減小。PPD CIS系統(tǒng)總增益的退化與其CMOS讀出電路參數(shù)相關(guān)，這些參數(shù)包括像元收集節(jié)點(diǎn)電容及源跟隨器讀出電路相關(guān)參數(shù)等。由于CMOS讀出電路對位移損傷不太敏感，對電離總劑量損傷較為敏感，所以PPD CIS系統(tǒng)總增益的退化主要源于H-輻照誘發(fā)的電離總劑量損傷。文獻(xiàn) [12] 對中子、質(zhì)子、γ輻照誘發(fā)PPD CIS系統(tǒng)總增益變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，PPD CIS系統(tǒng)總增益的退化主要受電離總劑量損傷的影響，這與本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

3 結(jié)論

在XiPAF上開展了65 nm工藝PPD CIS的7 MeV H-輻照實(shí)驗(yàn)，得到了輻照注量為1×1011～1×1012cm-2時(shí)，H-輻照誘發(fā)65 nm工藝PPD CIS性能退化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，H-輻照后， PPD CIS的平均暗信號及DSNU均隨輻照注量增大而增大；PPD CIS像元中產(chǎn)生大量暗信號尖峰，且隨著輻照注量增大，暗信號尖峰數(shù)量顯著增多；當(dāng)H-注量為1×1012cm-2時(shí)，輻照后PPD CIS的系統(tǒng)總增益顯著減小。對輻照后的PPD CIS進(jìn)行常溫168 h退火測試表明，與退火前相比，退火后PPD CIS像元中的暗信號分布曲線和光子轉(zhuǎn)移曲線基本上沒有變化。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為比較XiPAF上產(chǎn)生的H-、質(zhì)子及氫原子的輻照損傷效應(yīng)，提供實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)支持。