星敏感器用4T像素CMOS圖像傳感器總劑量效應(yīng)研究*

曹中祥，鐘紅軍，張運方，李全良

0 引 言

星敏感器通過對空間恒星成像，獲得恒星觀測矢量，采用星圖匹配的方法確定星敏感器光軸在慣性空間的指向，利用敏感器本體坐標(biāo)系和載體姿態(tài)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定載體姿態(tài)，是三軸穩(wěn)定航天器必不可少的姿態(tài)敏感器.星敏感器中核心元器件為圖像傳感器芯片，早期星敏感器都是以CCD圖像傳感器作為恒星成像器件，隨著星敏感器低功耗、微小型化的需求日趨增多以及CMOS工藝的進(jìn)步，基于CMOS圖像傳感器的星敏感器成為目前市場上的主流產(chǎn)品[1].星敏感器在軌工作時，太空環(huán)境中存在著大量的高能粒子、質(zhì)子、中子、X射線、γ射線等輻射源[2]，會對星敏感器中的CMOS圖像傳感器造成輻射損傷.目前國內(nèi)外很多研究小組對CMOS圖像傳感器的輻射效應(yīng)進(jìn)行大量研究[3-6]，由于空間輻射效應(yīng)的復(fù)雜性及圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)的多樣性，多數(shù)研究工作僅對CMOS圖像傳感器的輻射效應(yīng)進(jìn)行獨立分析，未對由于CMOS圖像傳感器總劑量效應(yīng)導(dǎo)致星敏感器整機性能退化進(jìn)行系統(tǒng)分析.

對星敏感器用典型的4T(transistor, T)像素CMOS圖像傳感器進(jìn)行電離總劑量機理研究，進(jìn)而通過輻照試驗，獲得器件相關(guān)參數(shù)隨輻照劑量的退化規(guī)律，最后分析了由于CMOS圖像傳感器性能退化導(dǎo)致星敏感器整機性能的退化，并給出可提升性能的措施.

1 總劑量效應(yīng)機理研究

4T像素結(jié)構(gòu)見圖1所示，包含1個掩埋型光電二極管(pinned photodiode, PPD)、1個傳輸管(transfer gate, MTG)、1個復(fù)位管(reset gate, MRST)、1個源跟隨器(source follower, MSF)以及一個行選擇管(select gate, MSEL)，由于像素內(nèi)包含4個晶體管，因此該像素結(jié)構(gòu)被稱為4T像素.4T像素由于將光生電荷區(qū)PPD和電荷存儲區(qū)(float diffusion, FD)通過傳輸管隔離，從而可以實現(xiàn)相關(guān)雙采樣(correlated double sampling, CDS)，消除像素復(fù)位噪聲及固定模式噪聲等，從而使得基于4T像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器性能優(yōu)于早期3T像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器[7].后來提出的多種像素結(jié)構(gòu)，包含5T像素結(jié)構(gòu)[8]、6T像素結(jié)構(gòu)[9]、8T像素結(jié)構(gòu)[10]以及9T像素結(jié)構(gòu)[11]等，基本都是由4T像素結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來，因此研究4T像素CMOS圖像傳感器的總劑量效應(yīng)非常典型，研究結(jié)果對于采用其他像素結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器的星敏感器總劑量效應(yīng)評估具有很好的借鑒意義.

圖1 4T像素結(jié)構(gòu)Fig.1 4T pixel schematic

4T像素光生電荷產(chǎn)生區(qū)在PPD區(qū)域內(nèi)，光生電荷存儲區(qū)及光生電荷到電壓的轉(zhuǎn)換區(qū)在FD點，中間由傳輸管MTG實現(xiàn)光生電荷的轉(zhuǎn)移，因此，對于該部分區(qū)域的總劑量效應(yīng)分析可以解釋4T像素由于總劑量效應(yīng)導(dǎo)致的性能下降.圖2所示為PPD、MTG及FD點物理橫截面圖.

如圖2所示，總劑量效應(yīng)對器件的影響主要為4個區(qū)域，從而導(dǎo)致器件性能下降，這4個區(qū)域分別為淺槽隔離區(qū)(shallow trench isolation, STI)、Si-SiO2界面區(qū)、TG柵氧層區(qū)域以及PPD-TG交疊區(qū).下面分別對這4個區(qū)域的總劑量效應(yīng)進(jìn)行分析，然后再對這4個區(qū)域的總劑量效應(yīng)對器件性能的影響進(jìn)行總結(jié).

圖2 PPD、MTG及FD點物理橫截面圖Fig.2 Cross sectional view of 4T pixel

CMOS圖像傳感器像素內(nèi)STI區(qū)域作用為像素內(nèi)晶體管及像素間PPD區(qū)域的物理隔離.一般設(shè)計中，STI區(qū)域需要完全包住PPD，因此PPD區(qū)域與STI區(qū)域界面區(qū)域面積很大.STI區(qū)域在半導(dǎo)體制造工藝中實現(xiàn)方式為在晶圓中通過刻蝕的方式刻蝕出溝槽，然后通過淀積的方式在溝槽內(nèi)填充絕緣物，一般為SiO2等，因此STI區(qū)域與PPD區(qū)域的界面全是由Si-SiO2組成.在γ射線輻照下，隨著總劑量的累積效應(yīng)，在Si-SiO2界面形成大量的界面態(tài)和陷阱電荷，隨著輻射總劑量的增加界面態(tài)和陷阱電荷的密度增加，從而在暗場情況下產(chǎn)生暗電流.

PPD表面的Si-SiO2區(qū)域輻照效應(yīng)機理與STI區(qū)域一致，均為輻照后界面態(tài)及陷阱電荷密度增加.但由于在PPD表面有層重?fù)诫s的P+區(qū)域，該部分重?fù)诫s區(qū)域可以將N-PPD區(qū)域與Si-SiO2的界面態(tài)和陷阱電荷進(jìn)行隔離，因此該部分區(qū)域?qū)Π惦娏饔绊戄^小.由于短波基本在Si表面吸收，因此該部分區(qū)域的短波吸收產(chǎn)生的光生電荷將被復(fù)合或者被俘獲，導(dǎo)致光生電荷減少，表現(xiàn)為器件光強減弱.

TG柵氧層區(qū)域由于PPD內(nèi)的光生電荷需要通過TG下方溝道轉(zhuǎn)移到FD點，因此該區(qū)域的界面態(tài)和陷阱電荷將導(dǎo)致轉(zhuǎn)移的電荷部分在該區(qū)域被復(fù)合或者被陷阱電荷俘獲，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)移到FD點的光生電荷數(shù)量減少，表現(xiàn)為光強響應(yīng)減弱.另外，由于柵氧化層受輻照后的電荷積累，導(dǎo)致TG管的閾值電壓發(fā)生偏移[12]，從而對PPD內(nèi)電荷最大收集能力產(chǎn)生影響.

圖3所示為PPD、MTG及FD點電勢圖，其中PPD的滿阱容量定義為：

滿阱容量=(?TG-?PPD)CPPD

(1)

式中，?PPD是PPD復(fù)位狀態(tài)下所能達(dá)到的最高電勢，?TG是TG管關(guān)閉狀態(tài)下TG管溝道的最低電勢，CPPD是PPD耗盡區(qū)所形成等效電容.?PPD與CPPD不隨輻照總劑量增加而變化，而?TG隨輻照總劑量增加而降低，因此導(dǎo)致滿阱容量下降.

圖3 PPD、MTG及FD點電勢圖Fig.3 Potential diagram of the 4T pixel

PPD-TG區(qū)域在TG管溝道下方Si-SiO2界面處，由于無P+重?fù)诫s隔離，該部分輻照后對暗電流增加起到明顯作用.其次由于該部分為PPD內(nèi)電荷向TG管溝道轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵區(qū)域，該區(qū)域的電勢分布對電荷轉(zhuǎn)移影響較大[13-14].圖8所示為輻照后的PPD-TG區(qū)域電勢分布圖，理想狀態(tài)下，PPD-TG的電勢分布為梯度遞減，使得PPD內(nèi)電荷由于電勢差向TG轉(zhuǎn)移，由于總劑量效應(yīng)導(dǎo)致PPD-TG區(qū)域電勢分布發(fā)生變化，產(chǎn)生電荷勢壘或勢阱，使得PPD內(nèi)的電荷無法完全轉(zhuǎn)移到FD點，表現(xiàn)為器件光強響應(yīng)減弱.

圖4 輻照后PPD、MTG及FD點電勢圖Fig.4 Potential diagram of the 4T pixel after TID

綜上，針對所述4個區(qū)域輻照后對器件性能影響匯總見表1所示.

表1 輻照后器件性能影響Tab.1 Degradation of 4T pixel induced by radiation

2 試驗方案及試驗結(jié)果

電離總劑量輻照實驗是在北京大學(xué)鈷源室進(jìn)行，輻照源為鈷-60γ射線源.實驗的總劑量為100 krad(Si)，測試點分別為0 krad(Si)，30 krad(Si)，50 krad(Si)及100 krad(Si)，劑量率為0.1 rad(Si)/s，劑量率計量不確定度小于5%.

試驗樣品為某進(jìn)口工業(yè)級CMOS圖像傳感器，分辨率為1 024×1 024，內(nèi)部集成12位ADC(analog-to-digital convertor)，工作方式為卷簾曝光方式.試驗樣品數(shù)量為5只，在各個測試點需要進(jìn)行性能測試，通過性能測試對比找出器件性能隨輻照劑量變化的規(guī)律.采用基于光子轉(zhuǎn)移曲線(photon transfer curve, PTC)方法進(jìn)行器件性能測試，基于PTC理論，可測試得到器件的相關(guān)光電性能參數(shù)，從而可以獲得器件相關(guān)性能參數(shù)隨輻照劑量變化的規(guī)律.下文分別給出暗電流及暗電流不一致性、光強響應(yīng)及滿阱容量隨輻照劑量變化的規(guī)律，并對其物理產(chǎn)生機理進(jìn)行了分析.

2.1 暗電流及暗電流不一致性

暗電流指的是像素在暗場情況下，像素內(nèi)部由于缺陷等產(chǎn)生的熱載流子而形成的電流，暗電流的表現(xiàn)為像素在暗場情況下隨曝光時間增加，像素輸出幅值也增加.暗電流計量單位為e-/pixel/s.暗電流不一致性指的是像素陣列中由于工藝制造等的偏差，導(dǎo)致每個像素暗電流大小不一致.暗電流不一致性的表現(xiàn)為像素在暗場情況下隨曝光時間增加，每個像素輸出幅值增加不一致.暗電流不一致性的計量單位為e-/s.

圖5所示為被測樣品平均暗電流輸出隨輻射劑量的變化曲線，圖中橫坐標(biāo)為輻照累計總劑量，圖中縱坐標(biāo)為平均暗電流，由于暗電流與器件溫度相關(guān)性較大，因此測試時，選擇在25 ℃條件下進(jìn)行測試.從曲線可以看出，隨著輻照總劑量增加，暗電流呈近似線性增長.

圖6所示為被測樣品暗電流不一致性輸出隨輻射劑量的變化曲線，圖中橫坐標(biāo)為輻照累計總劑量，圖中縱坐標(biāo)為暗電流不一致，同樣選擇在25 ℃條件下進(jìn)行暗電流不一致性測試.從曲線可以看出，總劑量較小時，暗電流不一致性增加明顯，隨著輻照總劑量增加，暗電流不一致性增長速度放緩.

2.2 光強響應(yīng)及滿阱容量

CMOS圖像傳感器的光強響應(yīng)反映的器件收集光子并轉(zhuǎn)換為電子的能力，測試中，采用固定光照強度，調(diào)整曝光時間的方法進(jìn)行測試，為了剔除暗電流影響，光強響應(yīng)每個曝光點均減去暗場圖像.滿阱容量指的是像素最大可容納電子數(shù)量的能力，現(xiàn)象為在器件輸出增大到一定值后，隨著曝光時間增加，器件輸出值不再增大.

圖7所示為被測樣品在0krad(Si)、30krad(Si)、50krad(Si)及100krad(Si)總劑量下的光強響應(yīng)曲線.圖中橫坐標(biāo)為曝光時間，圖中縱坐標(biāo)為像素平均輸出，從圖中可以看出，隨著輻照總劑量增加，被測樣品光強響應(yīng)呈下降趨勢.

圖5 平均暗電流隨輻照總劑量變化圖Fig.5 Change of dark current versus different dose

圖6 暗電流不一致性隨輻照總劑量變化圖Fig.6 Change of DSNU versus different dose

圖7 不同輻照總劑量條件下的光強響應(yīng)曲線Fig.7 Change of photo response versus different dose

圖8所示為被測樣品滿阱容量隨輻射劑量的變化曲線，圖中橫坐標(biāo)為輻照累計總劑量，圖中縱坐標(biāo)為像素飽和輸出，從曲線可以看出，隨著輻照總劑量增加，滿阱容量呈近似線性下降.

圖8 滿阱容量隨輻照總劑量變化圖Fig.8 Change of full well capacity versus different dose

3 對星敏感器性能影響及應(yīng)對措施

由上述CMOS圖像傳感器輻照試驗結(jié)果及機理分析可知，星敏感器用CMOS圖像傳感器輻照后性能明顯下降，主要表現(xiàn)為暗電流及暗電流不一致性增加、光強響應(yīng)減弱以及滿阱容量降低.這些性能參數(shù)的下降均會對星敏感器的整機性能造成影響.下面主要針對星敏感器的一項重要性能指標(biāo)—星點定位誤差的總劑量效應(yīng)影響進(jìn)行分析.

3.1 星點提取的亞像元質(zhì)心算法

目前星點提取算法很多，主要對經(jīng)典的亞像元質(zhì)心算法進(jìn)行分析.理論上，星點的能量分布服從二維高斯分布[15]，其表達(dá)式為：

I(x,y)=

(2)

式中，I(x,y)為質(zhì)心在(x0,y0)的星點在坐標(biāo)(x,y)處的能量值，I0為星點總能量，δPSF為高斯寬度.根據(jù)亞像元質(zhì)心算法，計算得到的星點位置(xδ,yδ)為：

(3)

其中，(xij,yij)為實際星點中每個像元的坐標(biāo)值，Uij為實際星點中每個像元的灰度值.理論上，計算得到的星點質(zhì)心(xδ,yδ)與(x0,y0)一致，實際上，由于噪聲的存在及星點能量的分布影響，計算得到的星點質(zhì)心(xδ,yδ)與(x0,y0)存在一定偏差，該偏差一般用星點定位誤差評價.

3.2 總劑量效應(yīng)對星點定位誤差影響

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，采用亞像元質(zhì)心算法時，星點定位誤差與開窗大小、星點高斯寬度、像元大小以及噪聲等均有關(guān)系.直接引用其結(jié)論，采用5×5開窗大小時，星點定位誤差與噪聲及星點能量的關(guān)系見表2所示，為了簡化分析過程，只引用與輻照后性能下降相關(guān)的參數(shù)對星點定位誤差的影響，其中暗電流引起的噪聲為暗電流散粒噪聲，其大小為暗電流的平方根.

表2 星點定位誤差公式Tab.2 Summary of accuracy formula

表中，L0為星點5×5窗口內(nèi)的總能量，ND為暗電流散粒噪聲，大小為暗電流的平方根，NDCNU為暗電流不一致性噪聲.由于暗電流散粒噪聲及暗電流不一致噪聲與曝光時間及溫度有關(guān)系，分析時溫度設(shè)定為25 ℃，曝光時間設(shè)定為200 ms.根據(jù)樣品的輻照試驗結(jié)果，下面分別分析L0、ND及NDCNU與輻照總劑量的關(guān)系，最后得到星點定位誤差與輻照總劑量的關(guān)系.

考慮星點亮星與暗星能量差異較大，取星點最大能量為滿阱容量的30%.根據(jù)星點能量的分布，5×5窗口內(nèi)每個像素坐標(biāo)的星點能量近似高斯分布，從圖4所示光強響應(yīng)曲線找出對應(yīng)曝光點能量進(jìn)行統(tǒng)計，可以得到星點總能量隨輻照總劑量關(guān)系如圖9所示.

圖9 星點總能量隨輻照總劑量變化圖Fig.9 Change of full well capacity versus different dose

由圖5可知，暗電流隨輻照總劑量呈線性增長關(guān)系.由表2試驗數(shù)據(jù)，可以計算得到暗電流散粒噪聲隨輻照總劑量變化關(guān)系.由圖6可得到暗電流不一致性隨輻照總劑量的變化關(guān)系.根據(jù)圖9計算得到的星點總能量隨輻照總劑量變化關(guān)系，可計算得到由于暗電流散粒噪聲、暗電流不一致噪聲以及這兩者噪聲疊加導(dǎo)致星點定位誤差隨輻照總劑量的變化關(guān)系，如圖10所示，隨輻照總劑量增加，星點定位誤差增大，在100 krad(Si)總劑量下，星點定位誤差相比輻照前增加約3倍.

圖10 星點定位誤差隨輻照總劑量變化圖Fig.10 Change of full well capacity versus different dose

3.3 總劑量效應(yīng)應(yīng)對措施

綜上所述，基于4T像素CMOS圖像傳感器的星敏感器由于總劑量效應(yīng)導(dǎo)致星點定位誤差隨輻照劑量增加持續(xù)增大，為了減小星敏感器在軌工作性能受輻照影響，除結(jié)構(gòu)屏蔽等常規(guī)措施外，根據(jù)分析的器件性能退化機理在電路及時序設(shè)計上，留出一定余量.根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]，CMOS圖像傳感器電荷轉(zhuǎn)移不完全可以通過增加TG管電荷轉(zhuǎn)移的開啟時間以及調(diào)整TG管控制電壓和FD點的復(fù)位電壓實現(xiàn).因此，可通過地面試驗，在滿足電壓及時序降額設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加TG管電荷轉(zhuǎn)移的開啟時間、提高TG管的控制電壓以及提高FD點的復(fù)位電壓，從而提高受輻照后的器件的電荷轉(zhuǎn)移效率，降低由于輻照效應(yīng)導(dǎo)致的器件光強響應(yīng)減弱.

4 結(jié) 論

本文研究了星敏感器用典型的4T像素CMOS圖像傳感器電離總劑量效應(yīng)產(chǎn)生機理，輻照試驗結(jié)果表明，由于像素內(nèi)部界面態(tài)及陷阱電荷等受輻照影響而增加，導(dǎo)致暗電流及暗電流不一致性增加；像素內(nèi)部TG管受輻照影響，導(dǎo)致TG管閾值電壓偏移以及PPD-TG處溝道電勢分布發(fā)生變化，使得像素光強響應(yīng)減弱以及滿阱容量降低.針對總劑量效應(yīng)引起CMOS圖像傳感器性能退化導(dǎo)致星敏感器星點定位誤差增大問題，提出在軌使用時CMOS圖像傳感器采用增加像素內(nèi)TG管電荷轉(zhuǎn)移的開啟時間、提高TG管的控制電壓以及提高FD點的復(fù)位電壓等措施，可降低總劑量效應(yīng)引起的星點定位誤差.