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(huán)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(fā)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(jīng)克服了發(fā)展初期的一些缺點[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(xiàn)了星圖采集、監(jiān)控成像和導航等功能。但是,惡劣的空間輻射環(huán)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(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數(shù)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(nèi)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(shù)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(chǎn)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(tài)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(huán)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(xù)可調(diào)，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(wěn)定的優(yōu)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(tài)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(qū)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?？梢钥闯觯o態(tài)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(chǎn)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(zhuǎn)移柵(TG)交疊區(qū)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(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射線輻照偏置效應不明顯[11]，因此認為位移損傷效應表現(xiàn)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(guī)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(guī)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(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(chǎn)生氧化物陷阱電荷，還在Si-SiO2界面產(chǎn)生界面態(tài)，同時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的計算公式分別為[12]

(1)

(2)

界面態(tài)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(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，在像素單元體耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的體缺陷，這些缺陷能級在禁帶中起到產(chǎn)生-復合中心的作用，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TG轉(zhuǎn)移柵周邊的STI在電子輻照致電離總劑量效應條件下產(chǎn)生陷阱正電荷后，將在STI的Si-SiO2表面產(chǎn)生感應的負電荷，即此區(qū)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(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溝道勢壘下降后，部分本來可以容納光電子的摻雜區(qū)電勢將高于溝道勢壘，這部分光電子不會積累在PD區(qū)域，而是會經(jīng)過TG流出PD，這在一定程度上降低了PD中可存儲的電荷總?cè)萘?，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(fā)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(shù)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(zhì)量退化。

實驗結果顯示，對位移效應敏感的參數(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，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(shù)，飽和輸出灰度值并沒有表現(xiàn)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(nèi)部附加電場，而電子在不同電場下運動會有差別，因此表現(xiàn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)，電子輻照存在偏置效應。