低能電子轟擊引起氧化鋁鈍化膜BCMOS傳感器暗電流變化研究

閆 磊，石 峰，程宏昌，焦崗成，楊 曄，肖 超，樊海波，鄭 舟，董海晨，何惠洋

〈微光技術(shù)〉

低能電子轟擊引起氧化鋁鈍化膜BCMOS傳感器暗電流變化研究

閆 磊1,2，石 峰1,2，程宏昌1,2，焦崗成1,2，楊 曄1,2，肖 超1,2，樊海波1,2，鄭 舟1,2，董海晨1,2，何惠洋1,2

（1. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

針對(duì)低能電子（電子能量為300～1500eV）轟擊引起氧化鋁鈍化層BCMOS（Back-thinned Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，BCMOS）圖像傳感器暗電流增加問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電子轟擊BCMOS圖像傳感器實(shí)驗(yàn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于厚度為10nm的氧化鋁鈍化層BCMOS圖像傳感器，轟擊能量大于600eV時(shí)暗電流增加速率明顯；轟擊電子能量不超過(guò)1.5keV時(shí)，暗電流存在最大值，約為12000e－/pixel/s；電子轟擊后的BCMOS圖像傳感器在電子干燥柜中靜置時(shí)，其暗電流呈指數(shù)趨勢(shì)下降。通過(guò)分析指出入射電子引起氧化鋁鈍化層與硅界面處缺陷態(tài)增加，是引起上述現(xiàn)象的主要原因。

暗電流；電子轟擊；背減薄CMOS；氧化鋁鈍化層

0 引言

微光圖像數(shù)字化是微光夜視技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)微光數(shù)字化主要有ICCD（Intensified Charge Coupled Device，ICCD）、EMCCD（Electron-Multiplying Charge Coupled Device，EMCCD）、EBCCD（Electron- BomBarded Charge Coupled Device）、EBCMOS（Electron-BomBarded CMOS，EBCMOS）等途徑[1-3]。EBCMOS器件利用電子敏感BCMOS圖像傳感器（以下將“BCMOS圖像傳感器”簡(jiǎn)稱為“BCMOS”）將傳統(tǒng)微光像增強(qiáng)器的微通道板（Microchannel Plate，MCP）和熒光屏部件替代，使光激發(fā)陰極產(chǎn)生的光電子在高壓電場(chǎng)作用下直接轟擊電子敏感BCMOS實(shí)現(xiàn)電子倍增及數(shù)字圖像信號(hào)輸出，其具有高靈敏度、低噪聲、較低功耗和可進(jìn)行單光子成像等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的新型微光成像器件[4-7]。

具有電子敏感特性的BCMOS作為EBCMOS探測(cè)器的核心部件，其電子倍增系數(shù)、暗電流等參數(shù)直接影響EBCMOS探測(cè)器最低可工作照度、信噪比等指標(biāo)。Barbier R.[8]等指出，將BCMOS的硅外延層厚度減薄至8mm左右，通過(guò)離子注入工藝在硅表面形成重?fù)诫sP＋層，并經(jīng)激光退火等工藝可實(shí)現(xiàn)具有電子敏感特性的BCMOS制備，但該工藝復(fù)雜、對(duì)設(shè)備依賴度高，難以在國(guó)內(nèi)開展類似研究。王生凱[9]、喬凱[10]等提出，采用氧化鋁鈍化層的BCMOS具有電子敏感特性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了厚度為10nm的氧化鋁鈍化層對(duì)提高電子倍增系數(shù)、抑制暗電流的有效性。EBCMOS探測(cè)器在工作時(shí)電子會(huì)持續(xù)轟擊BCMOS，Nathan Eric Howard[11]等對(duì)采用SiO2、Si3N4等材料做鈍化層的BCMOS在經(jīng)受離子、高能電子、高能射線照射后的暗電流增加原因進(jìn)行了分析，但低能電子轟擊對(duì)氧化鋁鈍化層的BCMOS暗電流的影響因素不完全清楚。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，模擬EBCMOS探測(cè)器制備工藝及工作條件，在特定入射電子能量、累計(jì)轟擊電子劑量條件下，對(duì)研制的厚度為10nm的氧化鋁鈍化膜BCMOS電子轟擊后暗電流變化規(guī)律進(jìn)行研究，并基于已有CMOS圖像傳感器暗電流產(chǎn)生理論，分析了暗電流增加的主要原因。

1 實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)基于國(guó)內(nèi)某款CMOS，通過(guò)對(duì)其表面進(jìn)行減薄處理后，將該芯片與基座進(jìn)行共晶粘接、打線，獲得減薄BCMOS，然后采用電子束蒸鍍的方式進(jìn)行鈍化層制備。利用高能電子轟擊鋁靶產(chǎn)生鋁蒸汽，在腔體中通入高純氧與鋁蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生氧化鋁，氧化鋁膜沉積在基底上，沉積速率為0.5?/s，鍍膜中采用晶體膜厚儀對(duì)氧化鋁膜層厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍膜速率和厚度的自動(dòng)控制。電子束蒸鍍法具有薄膜均勻性好、孔洞少、工藝條件簡(jiǎn)單、適合于批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，本次實(shí)驗(yàn)氧化鋁膜層厚度為10nm。

本次實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)裝置是自主研制的低能電子轟擊BCMOS圖像傳感器測(cè)試設(shè)備，測(cè)試設(shè)備如圖1所示。其中多級(jí)連微通道板（MCP）組、BCMOS放置于真空腔體內(nèi)部，腔體真空度優(yōu)于5×10－8Pa。真空腔室外部設(shè)置有紫外光源、透紫外玻璃窗口、多路高壓偏置電路、微電流計(jì)、BCMOS圖像傳感器信號(hào)讀出裝置及其成像測(cè)試板，以及計(jì)算機(jī)。其中BCMOS信號(hào)讀出裝置可實(shí)現(xiàn)真空腔體內(nèi)部BCMOS信號(hào)與真空腔體外部成像測(cè)試板的電信號(hào)連通，通過(guò)上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BCMOS光電參數(shù)的控制以及測(cè)試數(shù)據(jù)的快速處理，可實(shí)現(xiàn)暗電流、平均輸出灰度值、信噪比等參數(shù)的測(cè)量。

圖1 低能電子轟擊BCMOS圖像傳感器測(cè)試設(shè)備

測(cè)量方法為：①將待測(cè)試的BCMOS安裝在真空腔室內(nèi)，利用超高真空排氣系統(tǒng)對(duì)真空腔室排氣，待真空腔室內(nèi)部真空度優(yōu)于1×10－6Pa時(shí)，利用烘箱對(duì)真空腔室進(jìn)行200℃的烘烤除氣處理，將真空腔室內(nèi)部真空度提高至5×10－8Pa以上，使得電子敏感BCMOS所處狀態(tài)盡可能接近其在EBCMOS探測(cè)器內(nèi)部工作的狀態(tài)；②真空腔室烘烤結(jié)束且溫度恢復(fù)室溫后，如圖1連接所示，開啟紫外燈光，使得紫外光經(jīng)過(guò)石英玻璃觀察窗進(jìn)入真空腔室內(nèi)部，激發(fā)MCP發(fā)射光電子，激發(fā)的光電子在多級(jí)聯(lián)MCP倍增后形成轟擊電子束源，通過(guò)調(diào)節(jié)多級(jí)連MCP倍增電壓和輸出電壓參數(shù)，可以控制入射至BCMOS表面的電子束密度和轟擊能量，并通過(guò)BCMOS地引線可獲得轟擊到BCMOS表面電子束密度的測(cè)量；③在特定劑量電子束轟擊BCMOS后，通過(guò)成像測(cè)試板監(jiān)測(cè)BCMOS的暗電流數(shù)值，獲得轟擊電子能量、累計(jì)轟擊電子數(shù)與BCMOS暗電流對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)包括3方面內(nèi)容：①同一樣品在不同電壓轟擊時(shí)暗電流變化情況；②相同鈍化層厚度的2只樣品在不同電壓轟擊時(shí)暗電流變化情況；③電子轟擊后BCMOS靜置狀態(tài)下暗電流變化情況。

1）同一樣品在不同電壓轟擊時(shí)暗電流變化

將制備的氧化鋁鈍化層BCMOS裝入低能電子轟擊BCMOS圖像傳感器測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行烘烤除氣處理，系統(tǒng)真空度達(dá)到4.5×10－8Pa后，測(cè)量該傳感器初始暗電流為150e－/pixel/s，然后通過(guò)調(diào)節(jié)紫外光源強(qiáng)度、多級(jí)聯(lián)MCP電壓，使得入射到BCMOS表面的電子密度達(dá)到(40±1)nA/cm2；通過(guò)調(diào)節(jié)MCP輸出端電壓，使得輸出電壓分別達(dá)到－300V、－600V、－900V、－1200V和－1500V，且在每個(gè)電壓條件下轟擊時(shí)間均為4h，當(dāng)轟擊時(shí)間達(dá)到4h時(shí)，關(guān)閉上述紫外光源和MCP輸出端各極電壓，監(jiān)測(cè)BCMOS的暗電流數(shù)值，暗電流數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，當(dāng)轟擊電子能量為300eV時(shí)，BCMOS暗電流增長(zhǎng)不足5%，轟擊電壓調(diào)制600eV后，BCMOS暗電流逐漸增加，增長(zhǎng)超過(guò)5倍，且隨著累計(jì)轟擊電子數(shù)增加，暗電流明顯增加，但增長(zhǎng)速率有所減小，最后達(dá)到最大值12000e－/pixel/s。

表1 不同電壓條件轟擊后暗電流監(jiān)測(cè)值

2）不同樣品在不同電壓轟擊條件下暗電流變化

為了驗(yàn)證電壓對(duì)暗電流影響，將制備的2只厚度為10nm的氧化鋁鈍化層BCMOS分別裝入低能電子轟擊BCMOS圖像傳感器測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行烘烤除氣處理，系統(tǒng)真空度達(dá)到4.5×10－8Pa后，通過(guò)調(diào)節(jié)紫外光源強(qiáng)度、多級(jí)聯(lián)MCP電壓，使得入射到BCMOS表面的電子密度達(dá)到(40±1)nA，并調(diào)節(jié)MCP輸出端電壓，使得輸出電壓分別達(dá)到－1200V和－1500V，并在轟擊過(guò)程中監(jiān)測(cè)BCMOS圖像傳感器的暗電流數(shù)值，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖2可知，在轟擊初始時(shí)刻，暗電流隨累計(jì)轟擊電子數(shù)成線性增加，且電子轟擊能量越大，暗電流增加速率越大，隨著累計(jì)電子轟擊數(shù)增加，暗電流增加速率減小，且最終均趨于飽和，飽和值約為12000e－/pixel/s。

3）電子轟擊樣品大氣環(huán)境靜置后暗電流變化數(shù)據(jù)

將電子轟擊后BCMOS存儲(chǔ)在電子干燥柜中，并每隔24h在大氣條件下，按照通用測(cè)試方法對(duì)其暗電流數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其暗電流變化如圖3所示，其在靜置初期，暗電流減小速率較大，隨著靜置時(shí)間延長(zhǎng)，暗電流減小速率減小，并趨于穩(wěn)定值，其整體衰減趨勢(shì)為指數(shù)衰減。

圖2 不同電壓參數(shù)時(shí)BCMOS圖像傳感器暗電流變化曲線

圖3 電子轟擊樣品大氣環(huán)境靜置后暗電流變化數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

電子轟擊BCMOS圖像傳感器時(shí)，入射電子首先進(jìn)入鈍化層內(nèi)部，通過(guò)電離、晶格碰撞散射等方式損傷部分能量，然后進(jìn)入硅材料內(nèi)部，通過(guò)與硅原子碰撞散射，或使硅電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并在內(nèi)建電場(chǎng)作用下使得電子向體內(nèi)漂移，由于本實(shí)驗(yàn)僅研究1.5keV以內(nèi)電子轟擊情況，根據(jù)前期研究，入射電子能量為2keV時(shí)其入射深度約為50nm[8]，因此上述碰撞電離過(guò)程均發(fā)生在表面50nm以內(nèi)的深度。

電子轟擊固體材料表面時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生X射線，Nathan Eric Howard給出了電子轟擊硅基材料時(shí)X射線發(fā)生率，如圖4所示[11]，入射電子能量超過(guò)1.8keV時(shí)，會(huì)產(chǎn)生軟X射線，本實(shí)驗(yàn)所研究的轟擊電子能量不超過(guò)1.5keV，則可不考慮X射線對(duì)BCMOS造成的影響。

圖4 軟X射線產(chǎn)生效率與入射電子能量關(guān)系

根據(jù)上述分析，本實(shí)驗(yàn)電子轟擊后引起的BCMOS暗電流增加，主要與BCMOS鈍化層、鈍化層與硅界面或硅表面晶格損傷有關(guān)，為進(jìn)一步明確暗電流增加的內(nèi)在原因，特基于蒙特卡洛仿真、電子轟擊造成硅晶格損傷機(jī)理，以及Shockley-Read-Hall理論3個(gè)方面進(jìn)行了分析，具體如下：

1）鈍化層電子模擬仿真

為分析電子轟擊引起鈍化層變化對(duì)暗電流的影響，特利用CASINO軟件對(duì)入射電子在鈍化層內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真研究。仿真基本參數(shù)條件為：P型硅襯底厚度10mm，氧化鋁厚度10nm，入射電子能量分別為300eV、600eV，入射角度為90°，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 電子在鈍化層內(nèi)部軌跡仿真

如圖5(a)所示，當(dāng)電子能量為300eV時(shí)，電子最大入射深度約為7nm，無(wú)法到達(dá)鈍化層與硅界面；如圖5(b)所示，當(dāng)電子入射能量為600eV時(shí)，部分電子可穿過(guò)鈍化層。根據(jù)電子轟擊過(guò)程中當(dāng)電子能量為300eV時(shí)，暗電流幾乎不變，而電子轟擊能量增加至600eV以后時(shí)，暗電流開始增加，據(jù)此可以推斷，暗電流增加與透過(guò)鈍化層的電子有關(guān)系。

2）入射至硅晶體內(nèi)部電子引起硅晶格損傷分析

當(dāng)晶格原子接受的能量達(dá)到某一臨界值（稱為原子位移閾值），晶格原子將離開原來(lái)的格點(diǎn)位置，發(fā)生原子位移，產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，這種晶格損傷是永久損傷。

位移損傷會(huì)誘發(fā)CMOS體Si禁帶中的空位-間隙對(duì)和體缺陷的產(chǎn)生，入射粒子能量越大，晶格內(nèi)發(fā)生位移的原子就越多，從而形成新的復(fù)合中心，從而使載流子的遷移率減小，電阻率增加，少數(shù)載流子壽命降低，體缺陷會(huì)成為載流子的散射中心，從而使載流子遷移率降低，這相應(yīng)地增加了耗盡區(qū)的寬度，少子壽命隨輻照注量的增加而減少，這都會(huì)造成CMOS體暗電流增大[12]。

晶格原子的位移閾值能量d描述晶體受輻照損傷的難易程度，d取決于晶體結(jié)構(gòu)/摻雜等情況，對(duì)硅和鍺等四面鍵合結(jié)構(gòu)，Baiierlein和Sigmund給出了d＝6～16eV的結(jié)果，Lofershi給出的結(jié)果為12.9eV[12]。而本實(shí)驗(yàn)入射電子能量最大為1.5keV，可利用公式(1)計(jì)算碰撞能量傳遞。

A＝2(＋2e2)/(2) (1)

式中：為晶格原子靜止質(zhì)量；e為入射電子質(zhì)量；為入射電子能量；為光速。

根據(jù)公式(1)計(jì)算可得，當(dāng)入射電子能量為1.5keV時(shí)，A約為0.15eV，遠(yuǎn)小于位移閾值能量d，并且在本實(shí)驗(yàn)中，電子轟擊后暗電流有恢復(fù)至初始狀態(tài)的趨勢(shì)，這與晶格損傷為永久損傷的特性相悖，具體判斷，本實(shí)驗(yàn)暗電流增加主要是由于鈍化層與硅界面處缺陷增加所致。

3）界面缺陷密度增加對(duì)暗電流影響分析

根據(jù)Shockley-Read-Hall理論模型，界面缺陷態(tài)引起的電子產(chǎn)生率滿足公式(2)，而電子產(chǎn)生率與BCMOS圖像傳感器的暗電流成正比[11]。

式中：為電子產(chǎn)生率；p是空穴俘獲截面；n是電子俘獲截面；t是缺陷能級(jí)密度；th是電子和空穴運(yùn)動(dòng)速率；t是缺陷能級(jí)能量；i是硅的本征費(fèi)米能級(jí)；是玻爾茲曼常數(shù)；是絕對(duì)溫度；i為本征載流子濃度。

由公式(2)可得，暗電流與缺陷態(tài)密度成正比，根據(jù)半導(dǎo)體物理理論[13]，半導(dǎo)體表面缺陷態(tài)密度最大為1015原子/cm2，其存在最大值，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的暗電流存在最大值的現(xiàn)象吻合，根據(jù)上述分析，入射電子引起氧化鋁鈍化層與硅界面處缺陷態(tài)增加，是引起上述現(xiàn)象的主要原因。

3 結(jié)論

本文采用電子束密度為40nA/cm2，電子能量為300～1500eV的電子束對(duì)厚度為10nm的氧化鋁鈍化層的BCMOS圖像傳感器開展電子轟擊實(shí)驗(yàn)，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得，當(dāng)電子能量超過(guò)600eV時(shí)，入射電子會(huì)造成BCMOS圖像傳感器暗電流增加，且隨著入射電子能量增加，暗電流增加速率增加，其暗電流存在最大值，約為12000e－/pixel/s；然后根據(jù)蒙特卡洛仿真結(jié)果分析指出入射電子能量為300eV時(shí)，電子無(wú)法達(dá)到氧化鋁與硅界面，而當(dāng)入射電子能量達(dá)到600eV時(shí)，入射電子可到達(dá)氧化鋁與硅界面；之后根據(jù)電子轟擊硅晶格能量傳遞計(jì)算判斷，入射能量≤1.5keV時(shí)電子碰撞不會(huì)造成硅晶格損傷；最后根據(jù)Shockley-Read-Hall理論分析指出入射電子引起氧化鋁鈍化層與硅界面處缺陷態(tài)增加，是引起上述現(xiàn)象的主要原因。

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Dark Current of Aluminum Oxide Passivation Film BCMOS Sensor Increased by Low Energy Electron Bombardment

YAN Lei1,2，SHI Feng1,2，CHENG Hongchang1,2，JIAO Gangcheng1,2，YANG Ye1,2，XIAO Chao1,2，F(xiàn)AN Haibo1,2，ZHEN Zhou1,2，DONG Haichen1,2，HE Huiyang1,2

(1. Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision Laboratory, Xi’an 710065, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

This study designed a buried channel metal-oxide-semiconductor (BCMOS) image sensor experiment to address increased dark current caused by low-energy electron bombardment (300eV to 1500eV) on the alumina passivation layer. For a CMOS image sensor with a 10nm alumina passivation layer, an increase in the dark current rate is obvious when the bombardment energy is greater than 600eV. When the bombardment electron energy does not exceed 1.5keV, the dark current has a maximum value of about 12000 e-/pixel/s. Finally, after electron bombardment, the dark current of the CMOS image sensor decreased exponentially when the sensor was placed in an electronic drying cabinet. The main reason for the above phenomenon is the increased defect states at the interface between alumina passivation layer and silicon caused by incident electrons.

dark current, electron bombardment, back-thinned CMOS, aluminum oxide passivation film

TN223

A

1001-8891(2024)03-0342-05

2022-05-06；

2022-06-29.

閆磊（1986-），男，正高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事數(shù)字微光技術(shù)等方面的研究。E-mail：13572495775@163.com。

石峰（1968-），男，研究員級(jí)高工，博士生導(dǎo)師，主要從事微光夜視等方面的研究。E-mail：shfyf@126.com。

微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（J20210104）。