傅婧 蔡毓龍 李豫東 馮婕? 文林 周東 郭旗?

1) (中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所,烏魯木齊 830011)

2) (新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011)

3) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

4) (中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 200011)

1 引言

近年來(lái),快速發(fā)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(dú)特優(yōu)勢(shì),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(yáng)敏感器等空間任務(wù)應(yīng)用中的主流成像器件[1].對(duì)于傳統(tǒng)的前照式(Front-side illuminated,FSI)圖像傳感器,光線入射后先經(jīng)過(guò)片上透鏡和濾光片,然后再通過(guò)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(shí)現(xiàn)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(yīng)運(yùn)而生,其具有更高的量子效率、靈敏度,在空間成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2].

在空間輻射環(huán)境中,各種粒子會(huì)在電子元器件中引發(fā)電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)以及單粒子效應(yīng)[3,4].針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝生產(chǎn)的CIS,國(guó)內(nèi)外已對(duì)其空間累積輻射效應(yīng)進(jìn)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(fā)現(xiàn)了許多瞬態(tài)白色亮斑.Goffion 團(tuán)隊(duì)[8,9]于2013 年對(duì)分別對(duì)兩款商用3T 和4T CIS 進(jìn)行重離子實(shí)驗(yàn),研究了部分典型的SEU 和SEL 現(xiàn)象.中國(guó)科學(xué)院新疆理化所蔡毓龍等[10-11]對(duì)商用CIS 進(jìn)行了重離子實(shí)驗(yàn),首次全面研究了重離子輻照CIS像素陣列產(chǎn)生不同形狀單粒子瞬態(tài)亮斑形成機(jī)理,同時(shí)首次報(bào)道分析了一些復(fù)雜單粒子SEL現(xiàn)象.除了重離子誘導(dǎo)CIS 單粒子效應(yīng),Beaumel 等[12]通過(guò)選用不同能量的質(zhì)子輻照?qǐng)D像傳感器,也發(fā)現(xiàn)了瞬態(tài)亮斑.目前研究雖然發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子輻照誘導(dǎo)CIS 瞬態(tài)亮斑現(xiàn)象,但缺少對(duì)其特征參數(shù)的分析提取.同時(shí),國(guó)內(nèi)外尚未有公開(kāi)報(bào)道BSI CIS質(zhì)子單粒子效應(yīng)的研究.

本文主要分析不同能量質(zhì)子輻照下FSI 和BSI CIS 的單粒子效應(yīng).首先描述了CIS 外圍電路質(zhì)子輻照評(píng)估結(jié)果.接著對(duì)不同質(zhì)子能量輻照下,FSI和BSI CIS 的瞬態(tài)亮斑進(jìn)行分析比較.最后通過(guò)仿真分析預(yù)測(cè)質(zhì)子輻照FSI 和BSI CIS 瞬態(tài)亮斑沉積能量分布,討論了不同參數(shù)對(duì)質(zhì)子在CIS 中沉積能量的分布的影響.

2 實(shí)驗(yàn)樣品與條件

實(shí)驗(yàn)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(shí)序控制器、模擬信號(hào)處理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換、輸出接口等不同功能的讀出電路,CIS 整體電路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.像素單元設(shè)計(jì)采用4T 結(jié)構(gòu),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(fù)位管、源跟隨器以及一個(gè)行選擇管,4T 像素由于將光生電荷區(qū)PPD 和電荷存儲(chǔ)區(qū)通過(guò)傳輸管隔離,從而實(shí)現(xiàn)了相關(guān)雙采樣.

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

實(shí)驗(yàn)在瑞士保羅謝勒研究所(PSI) 質(zhì)子加速器上進(jìn)行,選用質(zhì)子特性如表1 所示.輻照外圍電路時(shí),注量率為1 × 106particle/(cm2·s).輻照CIS像素陣列時(shí),為避免注量率過(guò)大導(dǎo)致瞬態(tài)亮斑互相重疊,選用的注量率為1 × 105particle/(cm2·s).實(shí)驗(yàn)中粒子垂直入射器件表面,實(shí)驗(yàn)中器件已開(kāi)蓋,輻照在暗場(chǎng)下進(jìn)行.

表1 質(zhì)子輻照信息Table 1.Proton irradiation information.

3 結(jié)果分析

3.1 外圍電路

之前的重離子實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)重離子LET約為21 MeV/(mg·cm—2)時(shí),CMOS 圖像傳感器出現(xiàn)單粒子閂鎖效應(yīng)(SEL)[11].為了研究實(shí)驗(yàn)樣品的質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性,質(zhì)子能量選擇最大值200 MeV,注量率為1 × 106particle/(cm2·s),輻照總注量達(dá)1×1010particle/cm2,未觀察到單粒子閂鎖現(xiàn)象,同時(shí)也未監(jiān)測(cè)到外圍電路發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)和功能中斷現(xiàn)象.所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于本文所采用的樣品的外圍電路,當(dāng)質(zhì)子能量小于200 MeV 時(shí),不會(huì)發(fā)生單粒子閂鎖和單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)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(méi)有存儲(chǔ)電路和CMOS 電路,因此不會(huì)發(fā)生SEL 和SEU 現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)中在圖像上觀察到不同形狀的亮斑,如圖2 所示.在CIS 整個(gè)工作流程中,像素陣列光敏單元中光電二極管工作時(shí)序可大致分為信號(hào)積分、信號(hào)讀出和重新復(fù)位光電二極管電勢(shì)3 個(gè)階段.在信號(hào)積分階段,質(zhì)子在樣品敏感層中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)被光電二極管耗盡區(qū)收集,引起PPD 區(qū)域電勢(shì)變化,變化的電勢(shì)通過(guò)晶體管讀出,表現(xiàn)在圖像上即出現(xiàn)灰度值大于背景值的亮斑.一次粒子入射會(huì)改變當(dāng)前積分階段的PPD 中的電勢(shì),在下一次積分前,PPD 中電勢(shì)被重新復(fù)位到高電平.因此當(dāng)前圖像中出現(xiàn)的亮斑,在下一幀會(huì)消失,這種亮斑被稱為單粒子瞬態(tài)亮斑.像素陣列相鄰像素之間通過(guò)淺溝槽(STI)進(jìn)行隔離,入射在某像素敏感層中粒子徑跡上的電子空穴對(duì),除了被該像素單元PPD 收集,可能還會(huì)通過(guò)漂移/擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到相鄰的像素,因此表現(xiàn)在圖像上就是一個(gè)個(gè)亮斑,而不是亮點(diǎn).

圖2 質(zhì)子輻照FSI CIS 誘導(dǎo)單粒子瞬態(tài)亮斑Fig.2.Single event transient bright spot of FSI CIS irradiated by proton.

質(zhì)子誘導(dǎo)半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)主要通過(guò)兩種方式:一是通過(guò)直接電離,使核外電子獲得能量,從而被激發(fā)釋放;二是通過(guò)核反應(yīng),即高能質(zhì)子直接與原子核發(fā)生碰撞,使原子發(fā)生位移,同時(shí)產(chǎn)生光子、輕粒子以及一些反沖原子[13].依據(jù)瞬態(tài)亮斑的形狀和總的灰度值大小,可將質(zhì)子輻照CIS 像素陣列誘導(dǎo)的單粒子瞬態(tài)亮斑分為三類.第一種如圖2(b),(c)中紅色標(biāo)注所示,這種瞬態(tài)亮斑灰度值最低,占據(jù)像素單元個(gè)數(shù)最小,但是數(shù)量最多.因此可以判斷這種瞬態(tài)亮斑由質(zhì)子直接電離導(dǎo)致.因?yàn)閹缀跛械馁|(zhì)子入射CIS 進(jìn)入敏感層,都會(huì)和硅通過(guò)庫(kù)侖相互作用激發(fā)釋放硅核外電子,產(chǎn)生電子空穴對(duì).第二種瞬態(tài)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(tài)亮斑大,且數(shù)量很少.這種亮斑是由高能質(zhì)子與CIS 像素單元發(fā)生核反應(yīng)導(dǎo)致.第三種瞬態(tài)現(xiàn)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(tài)現(xiàn)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(tài)亮線.和第二種亮斑一樣,瞬態(tài)亮線數(shù)量很少.因此可以判斷瞬態(tài)亮線也是由于高能質(zhì)子和CIS 像素單元發(fā)生核反應(yīng)導(dǎo)致.當(dāng)核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子和像素單元垂直面夾角較小,這種瞬態(tài)現(xiàn)象表現(xiàn)在圖像上就是亮斑.而當(dāng)產(chǎn)生次級(jí)粒子出射角度大,次級(jí)粒子會(huì)經(jīng)過(guò)多個(gè)像素,產(chǎn)生的電子空穴對(duì)會(huì)被粒子徑跡周圍像素收集,表現(xiàn)在圖像上就是單粒子瞬態(tài)亮線.

圖3 不同能量質(zhì)子輻照FSI CIS 瞬態(tài)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(jìn)一步分析瞬態(tài)亮斑特征,提取瞬態(tài)亮斑兩個(gè)重要參數(shù),亮斑覆蓋像素單元數(shù)量和亮斑總的沉積能量.測(cè)試時(shí),采集的圖像信號(hào)值為灰度值,單位為DN(digital number),表示由AD 轉(zhuǎn)換后直接得到的數(shù)字信號(hào)值.一個(gè)亮斑總的沉積能量Ed為

其中,ycluster是亮斑中一個(gè)像素單元灰度值,N和M分別為某個(gè)亮斑的長(zhǎng)和寬,μy,dark為輻照前暗場(chǎng)條件下圖像平均灰度值,K為轉(zhuǎn)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(guò)取多幀圖像求得,這樣可以減小測(cè)試數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和降低噪聲的數(shù)量級(jí).隨機(jī)選取輻照后連續(xù)8 幀圖像,統(tǒng)計(jì)其中瞬態(tài)亮斑特性,得出不同能量質(zhì)子輻照FSI 和BSI CIS 瞬態(tài)亮斑沉積能量和亮斑覆蓋像素單元數(shù)量分布圖,分別如圖3 和圖4 所示.由于實(shí)際注量率的波動(dòng),不同能量下統(tǒng)計(jì)的亮斑數(shù)量在52000—56000 之間波動(dòng).實(shí)驗(yàn)獲得的瞬態(tài)亮斑沉積能量分布特征符合Landau 分布,即分布顯示為一個(gè)窄峰和長(zhǎng)的拖尾.峰值左側(cè),沉積能量快速增大,峰值右側(cè),沉積能量緩慢下降.沉積能量峰值表示著質(zhì)子在CIS 像素陣列最可能沉積的能量值.隨著質(zhì)子能量的增大,沉積能量峰值左移,這是因?yàn)殡S著質(zhì)子能量的增大,質(zhì)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?yàn)槟芰扛叩馁|(zhì)子和材料相互作用將產(chǎn)生具有更高LET 的次級(jí)粒子.從圖3(b)可見(jiàn),瞬態(tài)亮斑尺寸分布逐漸減小,尾部出現(xiàn)小幅度波動(dòng).隨著質(zhì)子能量的增大,質(zhì)子直接電離導(dǎo)致的瞬態(tài)亮斑尺寸逐漸減小,尾部核反應(yīng)產(chǎn)生的亮斑尺寸明顯增大,200 MeV 質(zhì)子產(chǎn)生的瞬態(tài)亮斑最大覆蓋80 多個(gè)像素單元,這說(shuō)明次級(jí)粒子產(chǎn)生的電荷被80 多個(gè)像素單元共享.

圖4 不同能量質(zhì)子輻照BSI CIS 瞬態(tài)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(tài)亮斑沉積能量和尺寸大小分布趨勢(shì)和FSI CIS 相同,區(qū)別是亮斑沉積能量和尺寸大小分布范圍發(fā)生明顯左移.圖5 比較了60 MeV質(zhì)子輻照FSI 和BSI CIS 沉積能量和尺寸大小分布.實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)子輻照FSI 和BSI CIS 瞬態(tài)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(jié)構(gòu)

利用Geant 4 模擬了質(zhì)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(chǔ)上,通過(guò)識(shí)別不同能量粒子入射后初級(jí)粒子以及其在材料中通過(guò)核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子,追蹤直接電離過(guò)程和核反應(yīng)過(guò)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(jié)構(gòu),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(shí)際結(jié)構(gòu)中外延層下還有厚度達(dá)幾百微米的襯底,但考慮到襯底摻雜濃度高,襯底中產(chǎn)生的載流子基本都被復(fù)合,因此近似外延層厚度為電荷收集敏感層厚度.和FSI CIS 結(jié)構(gòu)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(shí)際亮斑尺寸最大值,選擇建立10 × 10 大小的像素陣列,每個(gè)像素大小為11 μm× 11 μm,因此建立的FSI 和BSI CIS 陣列長(zhǎng)寬為110 μm × 110 μm.

圖6 (a) FSI 和(b) BSI CIS 像素單元仿真模型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖.對(duì)于試驗(yàn)樣品,像素單元的PPD 區(qū)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(qū)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(gè)像素單元結(jié)構(gòu)Fig.7.Structure of single pixel cell.

4.2 結(jié)果分析

入射質(zhì)子導(dǎo)致像素單元發(fā)生單粒子瞬態(tài),這實(shí)際上是單個(gè)粒子與光電二極管中不同結(jié)構(gòu)反應(yīng)后沉積的能量總和.如果簡(jiǎn)單的采用敏感區(qū)域模型,忽略外延層的作用,會(huì)發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差甚遠(yuǎn).所以本文根據(jù)2010 年Warren 等[14]提出的復(fù)合模型,將不同區(qū)域與質(zhì)子的作用體現(xiàn)為不同的電荷收集效率,以呈現(xiàn)對(duì)亮斑沉積能量的不同貢獻(xiàn),通過(guò)調(diào)整電荷收集效率,提高復(fù)合模型的準(zhǔn)確性,可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)不同能量質(zhì)子在器件中的亮斑沉積能量分布.同時(shí)本文將模擬區(qū)域以內(nèi)外層的方式交疊排列,每個(gè)區(qū)域設(shè)定不同的電荷收集效率α.對(duì)于本文中的實(shí)驗(yàn)樣品,模型主要包含兩個(gè)區(qū)域,分別為V1 和V2,其中V1 定義為PPD 區(qū)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(qū)域,厚度為從耗盡區(qū)下邊界到外延層下邊界.

圖8 顯示了V2 收集效率分別設(shè)置為0.6 和0.2 時(shí)FSI CIS 60 MeV 質(zhì)子在亮斑中沉積能量的分布.結(jié)果表明V2 收集效率為0.6 時(shí),仿真結(jié)果明顯高估了實(shí)際亮斑沉積能量值.當(dāng)V2 收集效率減小到0.2 時(shí),仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合.為驗(yàn)證建立的復(fù)合模型的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步仿真了100 MeV 和200 MeV 質(zhì)子產(chǎn)生的亮斑沉積能量分布,如圖9 所示.結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果能夠較好地預(yù)測(cè)不同能量質(zhì)子在實(shí)驗(yàn)樣品中通過(guò)直接電離產(chǎn)生的亮斑沉積能量分布.同時(shí)結(jié)果顯示仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一些差異,首先實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有呈現(xiàn)沉積能量小于0.002 MeV 左右亮斑,這是因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)設(shè)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(shè)置的灰度值閾值不能過(guò)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(jié)果直接電離部分統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)略微大于實(shí)驗(yàn)值,尤其是沉積能量峰值部分,這是因?yàn)闉榱颂岣叻抡鏀?shù)據(jù)準(zhǔn)確性,又便于和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,仿真入射粒子總數(shù)設(shè)為106,比實(shí)驗(yàn)粒子注量高一個(gè)數(shù)量級(jí).而對(duì)于核反應(yīng)導(dǎo)致亮斑沉積能量部分,仿真結(jié)果沉積能量為一段連續(xù)分布,其每個(gè)沉積能量點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)小于實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)能量點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù).這是因?yàn)楹朔磻?yīng)的反應(yīng)截面很低,仿真的方法是統(tǒng)計(jì)每一個(gè)能量點(diǎn)截面,而因?yàn)閷?shí)驗(yàn)粒子注量約105,器件尺寸為3 cm × 3 cm,因此出現(xiàn)核反應(yīng)事件數(shù)量很少,表現(xiàn)在圖像上就是少數(shù)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(shí)驗(yàn)獲得亮斑沉積能量最大值,這是因?yàn)楫a(chǎn)生高沉積能量的次級(jí)粒子較少,所以實(shí)驗(yàn)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(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,60 MeV 質(zhì)子輻照后,沉積能量大于0.077 MeV 左右的部分為核反應(yīng)過(guò)程,小于0.077 MeV 的部分為直接電離過(guò)程.

圖8 FSI CIS 敏感體V2 收集效率分別為 (a) 0.6 和(b) 0.2 時(shí)亮斑沉積能量分布的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)子輻照FSI CIS 瞬態(tài)亮斑沉積能量分布仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu),BSI CIS 像素單元外延層厚度約4 μm,PPD 耗盡區(qū)厚度約2 μm.因此對(duì)于BSI,仿真建立的探測(cè)器復(fù)合敏感體V1 和V2 厚度較FSI CIS 較小.但BSI CIS 中復(fù)合敏感體收集效率設(shè)置和FSI CIS 相同.注量率為1.5 ×105時(shí),60 MeV 質(zhì)子亮斑沉積能量的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較如圖10 所示.結(jié)果驗(yàn)證了建立的仿真模型不僅能夠預(yù)測(cè)FSI CIS,而且能夠很好預(yù)測(cè)質(zhì)子在BSI CIS 中直接電離后導(dǎo)致的亮斑沉積能量分布.為了進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果中質(zhì)子在FSI 和BSI CIS 中沉積能量不同原因,基于已有的BSI CIS 探測(cè)器結(jié)構(gòu),分別通過(guò)在該探測(cè)器模型上增大金屬和氧化層、改變PPD 耗盡區(qū)厚度、改變外延層厚度三種方法,構(gòu)建新的探測(cè)器結(jié)構(gòu),進(jìn)行質(zhì)子沉積能量仿真計(jì)算,結(jié)果如圖11 所示.結(jié)果顯示,分別只改變BSI CIS 外延層厚度和PPD 耗盡區(qū)厚度,質(zhì)子沉積能量分布發(fā)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(cè)部分略微減小,核反應(yīng)分布部分未見(jiàn)變化,能量分布也未發(fā)生偏移.這表明BSI CIS 實(shí)驗(yàn)樣品亮斑沉積能量分布相比FSI CIS 發(fā)生左移,主要是受PPD 區(qū)域耗盡區(qū)厚度減小和外延層減薄的影響.

圖10 60MeV 質(zhì)子輻照BSI CIS 瞬態(tài)亮斑沉積能量分布仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)子輻照具有不同敏感層結(jié)構(gòu)BSI CIS 后瞬態(tài)亮斑沉積能量分布仿真結(jié)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(jié)論

本文研究了質(zhì)子輻照在FSI 和BSI CMOS 圖像傳感器中誘導(dǎo)產(chǎn)生的單粒子效應(yīng).質(zhì)子最高能量為200 MeV,試驗(yàn)中未觀察到外圍電路的SEL 和SEU 現(xiàn)象.質(zhì)子輻照CIS 像素陣列后,發(fā)現(xiàn)不同形狀的單粒子瞬態(tài)亮斑.其中亮斑形狀和灰度值大小由質(zhì)子直接電離,以及質(zhì)子和材料發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子電離導(dǎo)致.質(zhì)子輻照CIS 產(chǎn)生的瞬態(tài)亮斑沉積能量分布具有一個(gè)窄峰和長(zhǎng)的拖尾.峰值左側(cè),沉積能量快速增大,峰值右側(cè),沉積能量緩慢下降,其分布特征符合Landau 分布.隨著質(zhì)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(tài)亮斑沉積能量分布和尺寸大小分布趨勢(shì)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(fā)生明顯左移.通過(guò)仿真建立了像素結(jié)構(gòu)模型,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,能夠預(yù)測(cè)不同能量質(zhì)子在實(shí)驗(yàn)樣品中直接電離產(chǎn)生的亮斑沉積能量分布.同時(shí),通過(guò)仿真工具改變探測(cè)器的結(jié)構(gòu)參數(shù),驗(yàn)證了BSI CIS 樣品中亮斑沉積能量分布相較FSI CIS 發(fā)生左移,主要是受PPD 耗盡區(qū)以及外延層厚度的影響.