CMOS圖像傳感器在質(zhì)子輻照下熱像素的產(chǎn)生和變化規(guī)律

王田琿， 李豫東， 文 林， 馮 婕， 蔡毓龍， 馬林東， 張 翔， 郭 旗

(1. 中國科學(xué)院 特殊環(huán)境功能材料與器件重點試驗室， 新疆電子信息材料與器件重點試驗室，中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所， 新疆 烏魯木齊 830011; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

1 引 言

CMOS圖像傳感器(CMOS image sensor，CIS)在空間光電探測中的應(yīng)用越來越廣泛，空間輻射導(dǎo)致的器件性能退化也越來越受關(guān)注?？臻g存在帶電粒子(質(zhì)子、電子、重粒子等)構(gòu)成的輻射環(huán)境，作用于CIS可產(chǎn)生電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)[1]。其中，CIS的電離總劑量效應(yīng)研究開展較多[2-6]，隨著工藝的進(jìn)步，針對電離總劑量效應(yīng)的抗輻射加固技術(shù)也逐漸成熟。但是，目前CIS的位移損傷研究相對電離總劑量效應(yīng)開展較少，在某些方面仍缺乏深入認(rèn)識，如位移損傷導(dǎo)致的熱像素問題。然而，在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(Hubble space telescope)、MSX衛(wèi)星的天基可見光相機(SBV)以及NEOssat等衛(wèi)星上都發(fā)現(xiàn)了空間位移損傷效應(yīng)導(dǎo)致圖像傳感器產(chǎn)生熱像素的現(xiàn)象，對衛(wèi)星的光電探測性能產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[7-8]。因此，需要針對位移損傷導(dǎo)致CIS熱像素的問題開展研究，為CIS的空間應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

位移損傷是由于粒子入射半導(dǎo)體器件的材料中，使材料的晶格原子位移，形成孤立缺陷或者團(tuán)簇缺陷，這些缺陷會導(dǎo)致少數(shù)載流子器件性能退化。對于成像器件，位移損傷使器件的載流子產(chǎn)生率增加，從而導(dǎo)致暗信號增大、電荷轉(zhuǎn)移效率下降等[9-10]。半導(dǎo)體器件空間位移損傷主要是質(zhì)子入射導(dǎo)致的，導(dǎo)致的暗信號增加是不均勻的，部分像素的暗信號非常高，可超過所有像素暗信號均值的數(shù)倍，在暗信號分布上體現(xiàn)為尖峰，通常稱為熱像素。CCD熱像素的研究開展較早[10-15]，近幾年隨著CIS在空間光電探測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，國際上也開始重視CIS熱像素的研究[16-18]。盡管位移損傷對CIS和CCD產(chǎn)生的影響有相似之處，CIS的研究可以部分參考CCD的研究成果，但是，兩類器件結(jié)構(gòu)有很大差異，并且由于位移損傷機制的復(fù)雜性，目前還無法以物理過程推導(dǎo)分析熱像素的形成，熱像素的分析需要基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蛯嶒灁?shù)據(jù)歸納得到的規(guī)律[12,13,15,19]。已有的研究主要是觀測整個焦平面像素暗信號的分布，針對單個像素的分析較少；但是位移損傷缺陷具有復(fù)雜性，熱像素可由不同位移損傷缺陷導(dǎo)致，因此需要對單個像素進(jìn)行相關(guān)分析。

本文采用3 MeV和10 MeV兩種能量的質(zhì)子束進(jìn)行CIS輻照試驗，對比不同能量質(zhì)子產(chǎn)生熱像素的差別，考察不同能量產(chǎn)生的熱像素的退火表現(xiàn)，分析了試驗規(guī)律及相關(guān)機理。

2 實 驗

試驗樣品采用4T像素鉗位二極管(Pinned photodiode,PPD)結(jié)構(gòu)的2k×2k像素 CIS，工藝為0.18 μm。輻照前，選取了6片暗信號等參數(shù)具有良好一致性的試驗樣品，其中3片用于10 MeV質(zhì)子輻照，3片用于3 MeV質(zhì)子輻照。輻照試驗選用的質(zhì)子能量分別為10 MeV和3 MeV，其中10 MeV也是軌道輻射環(huán)境估算中常采用的等效質(zhì)子能量。對于每種能量的3片器件，分別選取了3e8/cm2、5e8/cm2和1e9/cm23種注量，輻照過程中器件不加電。由于采用的質(zhì)子注量相對于一般位移損傷效應(yīng)試驗較低，這樣質(zhì)子輻照導(dǎo)致的電離劑量較小(3 MeV和10 MeV質(zhì)子1e9/cm2注量下分別為14 Gy(si)和6.15 Gy(si))，電離總劑量效應(yīng)對器件的影響很小[5]。而在低注量的情況下，位移損傷導(dǎo)致的熱像素依然可以有很明顯的體現(xiàn)。輻照在北京大學(xué)重離子研究所的2×6 MeV質(zhì)子加速器上進(jìn)行，輻照過程中，在每個注量點均進(jìn)行了熱像素的測試。輻照后對器件進(jìn)行常溫(約300 K)的退火試驗，退火時間為1，2，45，90 d。退火采用了溫度和濕度恒定的高低溫箱，退火過程中器件不加電。

每個注量點和退火點的器件測試采用離線測試的方法，即到達(dá)指定注量點和退火點時，將器件從輻射及退火環(huán)境中取出，轉(zhuǎn)移到測試平臺上進(jìn)行測試。測試平臺是該CIS器件配套的專用平臺。本文主要以像素的灰度值(單位DN)來進(jìn)行熱像素計算，灰度值主要反映像素的暗信號大小。每次測試在暗場條件下連續(xù)采集100幀圖像，積分時間固定為225 ms。對這100幀圖像取均值，得到一張暗場圖像，其計算過程如下：

(1)

其中，m和n表示像素在器件的位置坐標(biāo)，μy[m][n]表示這個像素位置100幀圖像的平均灰度值，q表示幀數(shù)的編號，從1到100，yq[m][n]表示第q幀[m][n]像素位置的灰度值，最后得到μy這一張平均灰度值圖像。之后通過MATLAB讀取這張圖像每個像素點的灰度值，即可獲得在這個測試點器件的暗信號分布。圖1為整個輻照試驗的流程圖。熱像素的統(tǒng)計部分參考了HST上CCD的熱像素統(tǒng)計方式[7]，采用多灰度閾值的方法進(jìn)行了統(tǒng)計。

圖1 試驗流程圖

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 輻照后熱像素的變化

輻照前器件的暗信號也不是完全均勻的分布，如圖2所示，器件的灰度值在一個范圍內(nèi)浮動。經(jīng)過統(tǒng)計可以得到，初值在170～185(數(shù)字化的灰度值)范圍的像素數(shù)量占比超過了99%，所以，可將170～185的灰度值范圍認(rèn)為是器件的本底值，所有灰度值大于這個范圍的主要是輻射引起的暗信號增大。同時，前面已提到輻照的注量較低，造成的電離總劑量效應(yīng)不顯著(與位移損傷相比可忽略)，因此，可近似認(rèn)為輻照導(dǎo)致的暗信號變化是位移損傷引起的。

圖2 3 MeV質(zhì)子和10 MeV質(zhì)子輻照前后暗信號的分布

表1 輻照后不同閾值下熱像素數(shù)量占所有像素的比例

質(zhì)子輻照后，部分像素的暗信號顯著增大，3 MeV和10 MeV質(zhì)子輻照后的暗信號分布如圖2所示，不同閾值下的熱像素數(shù)量的占比(占像素總數(shù)比例)如表1所示。像素總數(shù)不變，采用熱像素數(shù)量的占比來表示像素數(shù)量也比較方便。通過圖2和表1可以看出3 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的熱像素數(shù)量大約是10 MeV質(zhì)子的2.3倍，這是因為：

D=KNIEL×φ,

(2)

其中,D(Displacement damage dose，DDD)為位移損傷劑量，表示入射粒子在器件內(nèi)通過位移損傷沉積的能量；φ表示入射粒子的注量；KNIEL(Non-ionizing energy loss，NIEL)為非電離能損，和受輻照器件的材料、入射粒子類型、粒子能量有關(guān)。

對于相同器件，相同質(zhì)子注量下位移損傷導(dǎo)致的熱像素數(shù)量和NIEL有關(guān)，根據(jù)Dale等的研究[20]，3 MeV質(zhì)子的NIEL是10 MeV質(zhì)子的2.8倍，所以導(dǎo)致3 MeV產(chǎn)生的熱像素數(shù)量高出10 MeV很多。但是從圖2和表1中也可以看出，3 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的熱像素主要集中在DN值(數(shù)字化的灰度值)185～285范圍內(nèi)，DN值超過285的熱像素不如10 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的多。根據(jù)之前的研究：

(3)

其中，σe為入射粒子與器件內(nèi)的原子發(fā)生的彈性相互作用(包括庫侖作用和彈性碰撞)的反應(yīng)截面，σi為入射粒子與原子發(fā)生的非彈性相互作用的反應(yīng)截面，Te和Ti分別表示彈性相互作用和非彈性相互作用的有效平均沉積能量，N表示阿伏伽德羅常數(shù)，A表示受輻射器件材料的原子序數(shù)。由于3 MeV質(zhì)子的運動速度低于10 MeV質(zhì)子，與器件發(fā)生相互作用時主要為庫侖散射。而10 MeV質(zhì)子運動速度較快，與器件相互作用時以彈性碰撞、非彈性碰撞為主導(dǎo)。庫侖散射在器件中產(chǎn)生孤立缺陷，彈性碰撞和非彈性碰撞在器件中都可產(chǎn)生較大的團(tuán)簇缺陷，而團(tuán)簇缺陷對暗信號的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過孤立缺陷，所以在相同注量下，盡管3 MeV質(zhì)子沉積的位移損傷劑量比10 MeV質(zhì)子高，但是產(chǎn)生的高DN值的熱像素卻不如10 MeV質(zhì)子多。

但是可以注意到，雖然3 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的高DN值的熱像素沒有10 MeV質(zhì)子的多，但還是有一定比例的高DN值熱像素存在。由于3 MeV質(zhì)子不能產(chǎn)生團(tuán)簇缺陷[21]，所以這些熱像素可能是由于像素內(nèi)積累了大量的孤立缺陷，導(dǎo)致暗信號非常大。在下文中還將進(jìn)一步討論。

不同注量對CIS的影響如圖3、圖4所示。隨著質(zhì)子注量的累積熱像素數(shù)量也逐漸增加。由表1可以看出，熱像素的數(shù)量相對于整體像素來說還是非常少的，所以雖然熱像素有增長，但是對整體像素的影響不大。如圖5所示，CIS的暗信號DN均值在經(jīng)過3個注量點后沒有明顯變化，而熱像素的數(shù)量卻增加了超過200%。將不同注量輻照后的熱像素的暗信號分布除以熱像素的數(shù)量，進(jìn)行歸一化處理，可以得到圖6的結(jié)果，即不同注量的暗信號分布曲線基本重合在一起，僅曲線末端因為像素數(shù)量過少而有一些偏差。這也表明每個質(zhì)子對于器件的相互作用是彼此獨立的，注量的累積并不會導(dǎo)致單個質(zhì)子與器件的作用過程產(chǎn)生影響。這也是圖5中熱像素數(shù)量為何與注量呈線性的原因。對于3 MeV質(zhì)子的不同注量輻照后有同樣的結(jié)果，這里不再重復(fù)說明。

圖3 不同注量的10 MeV質(zhì)子輻照后的暗信號分布

圖4 由上至下分別為注量3e8/cm2、5e8/cm2和1e9/cm2的10 MeV質(zhì)子輻照后的暗場圖片。

圖5 熱像素數(shù)量(DN>185)和CIS暗信號DN均值隨注量的變化

圖6 10 MeV質(zhì)子輻照產(chǎn)生的不同DN值的熱像素數(shù)量占所有熱像素的比例

3.2 熱像素的退火過程

退火對于位移損傷的分析非常重要，因為位移損傷造成的缺陷類型很復(fù)雜，無法從微觀層面上分析缺陷，而不同缺陷在退火過程中往往有不同的表現(xiàn)。圖7表示的是3 MeV質(zhì)子輻射后熱像素數(shù)量隨著退火時間的變化(常溫(300 K)退火)，10 MeV質(zhì)子的退火趨勢和3 MeV質(zhì)子情況類似，都呈近似指數(shù)衰減的規(guī)律。根據(jù)Srour的退火試驗及分析[20-21]，退火在輻照結(jié)束后一個小時內(nèi)最明顯，大多數(shù)的缺陷在該時間段發(fā)生了退火，這段過程稱為短期退火。而在這之后進(jìn)入長期退火過程，退火速度逐漸減緩。Srour在對退火分析的時候采用的是針對器件整體的暗信號變化，而如果僅考慮熱像素，在這之后依然有明顯的退火現(xiàn)象。如圖7所示，經(jīng)過45 d的退火，熱像素的數(shù)量減少了50%以上。

圖7 3 MeV質(zhì)子輻射后熱像素數(shù)量(閾值為185)的退火情況

僅僅考慮熱像素數(shù)量的退火趨勢的不足在于，DN值在185～245之間熱像素數(shù)量占比比較高，而在退火過程中，這部分的變化卻不明顯，所以整體的退火趨勢就比較緩慢。綜上所述，需要將整個DN值分布曲線進(jìn)行分割，從而獲得較為準(zhǔn)確的退火趨勢，這里以DN值20為單位，對灰度值范圍進(jìn)行劃分。若粗略地分為185～245區(qū)域和大于245區(qū)域，則兩個區(qū)域內(nèi)部也是由多種成分組成，所以需要將其區(qū)分開來，而一個區(qū)域內(nèi)的像素可以認(rèn)為特征是一致的。圖8所示的是3 MeV質(zhì)子輻照后DN值范圍在285～305內(nèi)退火一天后結(jié)果的展示。發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過一天退火后，原本DN值在較窄(20)范圍內(nèi)的像素點，其DN值分布變?yōu)橐粋€類似高斯函數(shù)的分布。DN均值有一定的減少，說明缺陷隨著時間的推移發(fā)生了退火；但是，也可以看到DN值出現(xiàn)了很大的浮動，有些像素點的DN值甚至增加了。這是由于熱像素存在隨即電報信號(RTS)的現(xiàn)象，其DN值會在一個范圍內(nèi)浮動。

圖8 3 MeV質(zhì)子輻照后暗信號DN值在285～305范圍內(nèi)的像素經(jīng)過1 d退火后的情況

由于退火后的分布類似于高斯分布，可以用DN均值和方差來描述。均值和方差的計算方式為：

(4)

(5)

圖9 3 MeV質(zhì)子輻照后各個區(qū)間的熱像素的DN均值隨著退火進(jìn)行的變化

圖10 3 MeV質(zhì)子輻照后各個區(qū)間的熱像素的DN值方差隨著退火進(jìn)行的變化

圖11 10 MeV質(zhì)子輻照后各個區(qū)間的熱像素的DN均值隨著退火進(jìn)行的變化

圖12 10 MeV質(zhì)子輻照后各個區(qū)間的熱像素的DN值方差隨著退火進(jìn)行的變化

圖13 10 MeV質(zhì)子和3 MeV輻照后產(chǎn)生熱像素的各個區(qū)間在經(jīng)過45 d退火后DN均值的變化情況

圖14 10 MeV質(zhì)子和3 MeV輻照后產(chǎn)生的熱像素各個區(qū)間在經(jīng)過45 d退火后DN方差的變化情況

通過退火試驗，可以看出輻照后熱像素的DN值越大，越不穩(wěn)定。而3 MeV質(zhì)子輻照后熱像素相對于10 MeV質(zhì)子更易發(fā)生退火。結(jié)合3.1的分析，由于孤立缺陷相對于團(tuán)簇缺陷更容易復(fù)合，所以3 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的熱像素更不穩(wěn)定，所以3 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的高DN值熱像素是由于像素內(nèi)積累了大量的孤立缺陷。對此還需要其他粒子比如電子和中子的試驗進(jìn)行對比，以確認(rèn)缺陷的特性。

4 結(jié) 論

對某國產(chǎn)CIS器件進(jìn)行了10 MeV質(zhì)子和3 MeV質(zhì)子輻照試驗，并采用了3e8/cm2、5e8/cm2和1e9/cm23種注量進(jìn)行對比，在輻照結(jié)束后又進(jìn)行了長時間的常溫退火，測試并分析了輻照產(chǎn)生的熱像素在輻照和退火過程中的變化。結(jié)果表明，在相同注量下，3 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的熱像素數(shù)量是10 MeV質(zhì)子的2.3倍，但是3 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的高DN值的熱像素數(shù)量卻不如10 MeV質(zhì)子。這是因為3 MeV質(zhì)子雖然在器件中沉積的位移損傷劑量大于10 MeV質(zhì)子，但是主要以通過庫倫力作用產(chǎn)生孤立缺陷的形式沉積，而10 MeV質(zhì)子則主要以通過非彈性核碰撞產(chǎn)生團(tuán)簇缺陷的方式來沉積能量，孤立缺陷導(dǎo)致的器件暗信號增量遠(yuǎn)不如團(tuán)簇缺陷。通過不同注量的對比，得到了熱像素的數(shù)量和注量呈線性關(guān)系，3e8/cm2到1e9/cm2增長了200%，表明每個質(zhì)子在器件中的反應(yīng)都是相互獨立的。退火試驗表明， 3 MeV和10 MeV的熱像素整體退火趨勢類似，呈指數(shù)形式，但是對于高亮度的熱像素來說，由3 MeV產(chǎn)生的退火比由10 MeV產(chǎn)生的更不穩(wěn)定，原因在于3 MeV質(zhì)子的主導(dǎo)缺陷為孤立缺陷，相比于10 MeV產(chǎn)生的團(tuán)簇缺陷更容易被復(fù)合。

不同能量和類型的粒子產(chǎn)生的缺陷類型不同，而不同缺陷在不同溫度的退火表現(xiàn)也不一樣，所以為了進(jìn)一步對熱像素進(jìn)行研究，需要進(jìn)行不同類型(比如電子和中子)、不同能量的粒子輻射試驗，并對輻照后的器件進(jìn)行變溫退火試驗。