CMOS图像传感器在质子辐照下热像素的产生和变化规律

王田珲， 李豫东， 文 林， 冯 婕， 蔡毓龙， 马林东， 张 翔， 郭 旗

(1. 中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点试验室， 新疆电子信息材料与器件重点试验室，中国科学院 新疆理化技术研究所， 新疆 乌鲁木齐 830011; 2. 中国科学院大学， 北京 100049)

1 引 言

CMOS图像传感器(CMOS image sensor，CIS)在空间光电探测中的应用越来越广泛，空间辐射导致的器件性能退化也越来越受关注。空间存在带电粒子(质子、电子、重粒子等)构成的辐射环境，作用于CIS可产生电离总剂量效应和位移损伤效应[1]。其中，CIS的电离总剂量效应研究开展较多[2-6]，随着工艺的进步，针对电离总剂量效应的抗辐射加固技术也逐渐成熟。但是，目前CIS的位移损伤研究相对电离总剂量效应开展较少，在某些方面仍缺乏深入认识，如位移损伤导致的热像素问题。然而，在哈勃空间望远镜(Hubble space telescope)、MSX卫星的天基可见光相机(SBV)以及NEOssat等卫星上都发现了空间位移损伤效应导致图像传感器产生热像素的现象，对卫星的光电探测性能产生了严重影响[7-8]。因此，需要针对位移损伤导致CIS热像素的问题开展研究，为CIS的空间应用提供科学依据与技术支撑。

位移损伤是由于粒子入射半导体器件的材料中，使材料的晶格原子位移，形成孤立缺陷或者团簇缺陷，这些缺陷会导致少数载流子器件性能退化。对于成像器件，位移损伤使器件的载流子产生率增加，从而导致暗信号增大、电荷转移效率下降等[9-10]。半导体器件空间位移损伤主要是质子入射导致的，导致的暗信号增加是不均匀的，部分像素的暗信号非常高，可超过所有像素暗信号均值的数倍，在暗信号分布上体现为尖峰，通常称为热像素。CCD热像素的研究开展较早[10-15]，近几年随着CIS在空间光电探测领域的应用越来越多，国际上也开始重视CIS热像素的研究[16-18]。尽管位移损伤对CIS和CCD产生的影响有相似之处，CIS的研究可以部分参考CCD的研究成果，但是，两类器件结构有很大差异，并且由于位移损伤机制的复杂性，目前还无法以物理过程推导分析热像素的形成，热像素的分析需要基于经验模型和实验数据归纳得到的规律[12,13,15,19]。已有的研究主要是观测整个焦平面像素暗信号的分布，针对单个像素的分析较少；但是位移损伤缺陷具有复杂性，热像素可由不同位移损伤缺陷导致，因此需要对单个像素进行相关分析。

本文采用3 MeV和10 MeV两种能量的质子束进行CIS辐照试验，对比不同能量质子产生热像素的差别，考察不同能量产生的热像素的退火表现，分析了试验规律及相关机理。

2 实 验

试验样品采用4T像素钳位二极管(Pinned photodiode,PPD)结构的2k×2k像素 CIS，工艺为0.18 μm。辐照前，选取了6片暗信号等参数具有良好一致性的试验样品，其中3片用于10 MeV质子辐照，3片用于3 MeV质子辐照。辐照试验选用的质子能量分别为10 MeV和3 MeV，其中10 MeV也是轨道辐射环境估算中常采用的等效质子能量。对于每种能量的3片器件，分别选取了3e8/cm2、5e8/cm2和1e9/cm23种注量，辐照过程中器件不加电。由于采用的质子注量相对于一般位移损伤效应试验较低，这样质子辐照导致的电离剂量较小(3 MeV和10 MeV质子1e9/cm2注量下分别为14 Gy(si)和6.15 Gy(si))，电离总剂量效应对器件的影响很小[5]。而在低注量的情况下，位移损伤导致的热像素依然可以有很明显的体现。辐照在北京大学重离子研究所的2×6 MeV质子加速器上进行，辐照过程中，在每个注量点均进行了热像素的测试。辐照后对器件进行常温(约300 K)的退火试验，退火时间为1，2，45，90 d。退火采用了温度和湿度恒定的高低温箱，退火过程中器件不加电。

每个注量点和退火点的器件测试采用离线测试的方法，即到达指定注量点和退火点时，将器件从辐射及退火环境中取出，转移到测试平台上进行测试。测试平台是该CIS器件配套的专用平台。本文主要以像素的灰度值(单位DN)来进行热像素计算，灰度值主要反映像素的暗信号大小。每次测试在暗场条件下连续采集100帧图像，积分时间固定为225 ms。对这100帧图像取均值，得到一张暗场图像，其计算过程如下：

(1)

其中，m和n表示像素在器件的位置坐标，μy[m][n]表示这个像素位置100帧图像的平均灰度值，q表示帧数的编号，从1到100，yq[m][n]表示第q帧[m][n]像素位置的灰度值，最后得到μy这一张平均灰度值图像。之后通过MATLAB读取这张图像每个像素点的灰度值，即可获得在这个测试点器件的暗信号分布。图1为整个辐照试验的流程图。热像素的统计部分参考了HST上CCD的热像素统计方式[7]，采用多灰度阈值的方法进行了统计。

图1 试验流程图

3 实验结果与讨论

3.1 辐照后热像素的变化

辐照前器件的暗信号也不是完全均匀的分布，如图2所示，器件的灰度值在一个范围内浮动。经过统计可以得到，初值在170～185(数字化的灰度值)范围的像素数量占比超过了99%，所以，可将170～185的灰度值范围认为是器件的本底值，所有灰度值大于这个范围的主要是辐射引起的暗信号增大。同时，前面已提到辐照的注量较低，造成的电离总剂量效应不显著(与位移损伤相比可忽略)，因此，可近似认为辐照导致的暗信号变化是位移损伤引起的。

图2 3 MeV质子和10 MeV质子辐照前后暗信号的分布

表1 辐照后不同阈值下热像素数量占所有像素的比例

质子辐照后，部分像素的暗信号显著增大，3 MeV和10 MeV质子辐照后的暗信号分布如图2所示，不同阈值下的热像素数量的占比(占像素总数比例)如表1所示。像素总数不变，采用热像素数量的占比来表示像素数量也比较方便。通过图2和表1可以看出3 MeV质子产生的热像素数量大约是10 MeV质子的2.3倍，这是因为：

D=KNIEL×φ,

(2)

其中,D(Displacement damage dose，DDD)为位移损伤剂量，表示入射粒子在器件内通过位移损伤沉积的能量；φ表示入射粒子的注量；KNIEL(Non-ionizing energy loss，NIEL)为非电离能损，和受辐照器件的材料、入射粒子类型、粒子能量有关。

对于相同器件，相同质子注量下位移损伤导致的热像素数量和NIEL有关，根据Dale等的研究[20]，3 MeV质子的NIEL是10 MeV质子的2.8倍，所以导致3 MeV产生的热像素数量高出10 MeV很多。但是从图2和表1中也可以看出，3 MeV质子产生的热像素主要集中在DN值(数字化的灰度值)185～285范围内，DN值超过285的热像素不如10 MeV质子产生的多。根据之前的研究：

(3)

其中，σe为入射粒子与器件内的原子发生的弹性相互作用(包括库仑作用和弹性碰撞)的反应截面，σi为入射粒子与原子发生的非弹性相互作用的反应截面，Te和Ti分别表示弹性相互作用和非弹性相互作用的有效平均沉积能量，N表示阿伏伽德罗常数，A表示受辐射器件材料的原子序数。由于3 MeV质子的运动速度低于10 MeV质子，与器件发生相互作用时主要为库仑散射。而10 MeV质子运动速度较快，与器件相互作用时以弹性碰撞、非弹性碰撞为主导。库仑散射在器件中产生孤立缺陷，弹性碰撞和非弹性碰撞在器件中都可产生较大的团簇缺陷，而团簇缺陷对暗信号的影响远远超过孤立缺陷，所以在相同注量下，尽管3 MeV质子沉积的位移损伤剂量比10 MeV质子高，但是产生的高DN值的热像素却不如10 MeV质子多。

但是可以注意到，虽然3 MeV质子产生的高DN值的热像素没有10 MeV质子的多，但还是有一定比例的高DN值热像素存在。由于3 MeV质子不能产生团簇缺陷[21]，所以这些热像素可能是由于像素内积累了大量的孤立缺陷，导致暗信号非常大。在下文中还将进一步讨论。

不同注量对CIS的影响如图3、图4所示。随着质子注量的累积热像素数量也逐渐增加。由表1可以看出，热像素的数量相对于整体像素来说还是非常少的，所以虽然热像素有增长，但是对整体像素的影响不大。如图5所示，CIS的暗信号DN均值在经过3个注量点后没有明显变化，而热像素的数量却增加了超过200%。将不同注量辐照后的热像素的暗信号分布除以热像素的数量，进行归一化处理，可以得到图6的结果，即不同注量的暗信号分布曲线基本重合在一起，仅曲线末端因为像素数量过少而有一些偏差。这也表明每个质子对于器件的相互作用是彼此独立的，注量的累积并不会导致单个质子与器件的作用过程产生影响。这也是图5中热像素数量为何与注量呈线性的原因。对于3 MeV质子的不同注量辐照后有同样的结果，这里不再重复说明。

图3 不同注量的10 MeV质子辐照后的暗信号分布

图4 由上至下分别为注量3e8/cm2、5e8/cm2和1e9/cm2的10 MeV质子辐照后的暗场图片。

图5 热像素数量(DN>185)和CIS暗信号DN均值随注量的变化

图6 10 MeV质子辐照产生的不同DN值的热像素数量占所有热像素的比例

3.2 热像素的退火过程

退火对于位移损伤的分析非常重要，因为位移损伤造成的缺陷类型很复杂，无法从微观层面上分析缺陷，而不同缺陷在退火过程中往往有不同的表现。图7表示的是3 MeV质子辐射后热像素数量随着退火时间的变化(常温(300 K)退火)，10 MeV质子的退火趋势和3 MeV质子情况类似，都呈近似指数衰减的规律。根据Srour的退火试验及分析[20-21]，退火在辐照结束后一个小时内最明显，大多数的缺陷在该时间段发生了退火，这段过程称为短期退火。而在这之后进入长期退火过程，退火速度逐渐减缓。Srour在对退火分析的时候采用的是针对器件整体的暗信号变化，而如果仅考虑热像素，在这之后依然有明显的退火现象。如图7所示，经过45 d的退火，热像素的数量减少了50%以上。

图7 3 MeV质子辐射后热像素数量(阈值为185)的退火情况

仅仅考虑热像素数量的退火趋势的不足在于，DN值在185～245之间热像素数量占比比较高，而在退火过程中，这部分的变化却不明显，所以整体的退火趋势就比较缓慢。综上所述，需要将整个DN值分布曲线进行分割，从而获得较为准确的退火趋势，这里以DN值20为单位，对灰度值范围进行划分。若粗略地分为185～245区域和大于245区域，则两个区域内部也是由多种成分组成，所以需要将其区分开来，而一个区域内的像素可以认为特征是一致的。图8所示的是3 MeV质子辐照后DN值范围在285～305内退火一天后结果的展示。发现在经过一天退火后，原本DN值在较窄(20)范围内的像素点，其DN值分布变为一个类似高斯函数的分布。DN均值有一定的减少，说明缺陷随着时间的推移发生了退火；但是，也可以看到DN值出现了很大的浮动，有些像素点的DN值甚至增加了。这是由于热像素存在随即电报信号(RTS)的现象，其DN值会在一个范围内浮动。

图8 3 MeV质子辐照后暗信号DN值在285～305范围内的像素经过1 d退火后的情况

由于退火后的分布类似于高斯分布，可以用DN均值和方差来描述。均值和方差的计算方式为：

(4)

(5)

图9 3 MeV质子辐照后各个区间的热像素的DN均值随着退火进行的变化

图10 3 MeV质子辐照后各个区间的热像素的DN值方差随着退火进行的变化

图11 10 MeV质子辐照后各个区间的热像素的DN均值随着退火进行的变化

图12 10 MeV质子辐照后各个区间的热像素的DN值方差随着退火进行的变化

图13 10 MeV质子和3 MeV辐照后产生热像素的各个区间在经过45 d退火后DN均值的变化情况

图14 10 MeV质子和3 MeV辐照后产生的热像素各个区间在经过45 d退火后DN方差的变化情况

通过退火试验，可以看出辐照后热像素的DN值越大，越不稳定。而3 MeV质子辐照后热像素相对于10 MeV质子更易发生退火。结合3.1的分析，由于孤立缺陷相对于团簇缺陷更容易复合，所以3 MeV质子产生的热像素更不稳定，所以3 MeV质子产生的高DN值热像素是由于像素内积累了大量的孤立缺陷。对此还需要其他粒子比如电子和中子的试验进行对比，以确认缺陷的特性。

4 结 论

对某国产CIS器件进行了10 MeV质子和3 MeV质子辐照试验，并采用了3e8/cm2、5e8/cm2和1e9/cm23种注量进行对比，在辐照结束后又进行了长时间的常温退火，测试并分析了辐照产生的热像素在辐照和退火过程中的变化。结果表明，在相同注量下，3 MeV质子产生的热像素数量是10 MeV质子的2.3倍，但是3 MeV质子产生的高DN值的热像素数量却不如10 MeV质子。这是因为3 MeV质子虽然在器件中沉积的位移损伤剂量大于10 MeV质子，但是主要以通过库伦力作用产生孤立缺陷的形式沉积，而10 MeV质子则主要以通过非弹性核碰撞产生团簇缺陷的方式来沉积能量，孤立缺陷导致的器件暗信号增量远不如团簇缺陷。通过不同注量的对比，得到了热像素的数量和注量呈线性关系，3e8/cm2到1e9/cm2增长了200%，表明每个质子在器件中的反应都是相互独立的。退火试验表明， 3 MeV和10 MeV的热像素整体退火趋势类似，呈指数形式，但是对于高亮度的热像素来说，由3 MeV产生的退火比由10 MeV产生的更不稳定，原因在于3 MeV质子的主导缺陷为孤立缺陷，相比于10 MeV产生的团簇缺陷更容易被复合。

不同能量和类型的粒子产生的缺陷类型不同，而不同缺陷在不同温度的退火表现也不一样，所以为了进一步对热像素进行研究，需要进行不同类型(比如电子和中子)、不同能量的粒子辐射试验，并对辐照后的器件进行变温退火试验。