电子辐照导致CMOS图像传感器性能退化

马林东,郭 旗,李豫东,文 林,冯 婕,张 翔,王田珲

(1.中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点实验室,乌鲁木齐830011；2. 中国科学院 新疆理化技术研究所,乌鲁木齐830011；3.新疆电子信息材料与器件重点实验室,乌鲁木齐830011；4.中国科学院大学,北京100049)

近十余年来，随着CMOS电路制造工艺技术的发展以及设计水平的不断提高，采用亚微米和深亚微米工艺制造的CMOS图像传感器已经克服了发展初期的一些缺点[1-3]，在综合考虑系统功耗、体积、质量、成本等因素后，CMOS图像传感器在空间任务中得到了广泛应用，如在遥感相机、星敏感器、辅助着陆等领域，主要实现了星图采集、监控成像和导航等功能。但是,恶劣的空间辐射环境会导致CMOS图像传感器的性能严重退化[4-6]。

1997年, Hancock等最早开始对CMOS有源像素传感器(CMOS active pixel sensor，CMOS APS)进行了辐照效应研究，实验样品采用P-MOS和P+/N光电二极管。实验结果显示,CMOS APS的主要辐照损伤是暗电流大幅度增加，初步认为是由光电二极管周边的漏电流造成的。2008--2012年，Goiffon研究小组对0.18 μm工艺的CMOS APS进行γ射线辐照实验，证实了氧化物缺陷电荷是引起暗电流增大的主要原因，且和界面态引起暗电流相比，氧化物缺陷电荷引起的暗电流要高出两个数量级[7-9]。2012年,Tan等对4T晶体管(4 transistors, 4T)CMOS图像传感器进行了X射线辐照实验。结果表明，辐照后浅槽隔离(shallow trench isolation，STI)漏电是器件退化的重要原因[10]。

目前，国内主要对3T-CMOS图像传感器开展了一些辐射效应研究，而对主流的4T-CMOS图像传感器的辐射效应研究较少。本文以电子作为辐照源，对不同偏置条件下的4T-CMOS图像传感器进行了辐照，主要对暗电流、饱和输出和暗信号非均匀性等特征参数进行了分析，深入认识了电子辐照导致CMOS图像传感器性能退化的机理。

1 实验样品和过程

实验样品选用国产科学级4T-CMOS图像传感器，在0.18 μm CMOS图像传感器专用工艺线上流片。传感器分辨率为400万像素，像素结构为4 T，像素尺寸为11 μm×11 μm，读出方式为电子卷帘快门。和3T-CMOS相比，由于使用了真正的相关双采样(correlated double sampling, CDS)技术，读出噪声小于2个电子，且具有高于96 dB的动态范围，即使在强光条件下也可对微弱信号清晰成像。在600 nm波长处传感器的灵敏度为30 V·(lx·s)-1。片上集成了12位的A/D、温度传感器、锁相环和时序控制模块，芯片在全速工作下的功耗小于600 mW。图1为4T-CMOS像素结构图和实物图。

(a)Diagram of 4T-CMOS pixel unit structure

(b)Physical map

在江苏达胜加速器制造有限公司的加速器上进行了10 MeV电子辐照实验，电子束流在0.05～1 mA连续可调，束流控制精度较高。全过程用计算机控制，具有电子能量和电子束流稳定的优点。分别对注量为1.36×1012，2.73×1012，4.55×1012，6.82×1012，15.9×1012cm-2共5个点进行离线测试。辐照过程采用了2种辐照偏置条件：1)静态偏置。器件电源管脚接工作偏压，同时，其余时序管脚接固定偏压(偏压值选择驱动脉冲的高电平)，其中TX上电压为1.8 V；2)器件的所有管脚全部短接，并接地。10 MeV电子辐照后，5个测试点对应的电离损伤剂量和位移损伤剂量，如表1所列。

表110MeV电子辐照后的电离损伤剂量和位移损伤剂量

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 实验结果

2.1 暗电流随电子注量的变化关系

暗电流随电子辐照注量的变化关系，如图2所示。可以看出，静态辐照条件下暗电流退化比不加电辐照时退化更严重。暗电流的退化主要是由于电子辐照产生的电离损伤导致浅槽隔离(STI)界面复合电流、掩埋型光电二极管(PPD)表面缺陷复合电流、光电二极管与转移栅(TG)交叠区复合电流等三部分暗电流的增大造成的。由于10 MeV电子辐照还产生了位移损伤，因此暗电流的增大有一部分是由于体缺陷导致耗尽区载流子产生率增大所致。此外，γ射线辐照偏置效应不明显[11]，因此认为位移损伤效应表现出一定的偏置效应。

2.2 饱和输出灰度值随电子注量的变化关系

饱和输出灰度值随电子注量的变化规律，如图3所示，不同辐照偏置条件下器件的退化趋势相似，即随电子注量增加饱和输出灰度值不断减小,说明饱和输出灰度值对电离总剂量敏感。

2.3 暗信号非均匀性随电子注量的变化关系

暗信号非均匀性的变化规律如图4所示，其随电子注量的变化趋势与暗电流的退化趋势类似。为了更加明显地给出暗信号非均匀性的退化趋势，图5绘出了辐照前后暗电流谱呈高斯曲线分布的情况。

图4暗信号非均匀性随电子注量的变化关系Fig.4Dark signal nonuniformity vs. electron fluences

可以看出，随着辐照电子注量的增大，曲线逐渐展宽，并且伴有较小的拖尾，同时整个谱线逐渐右移。谱线展宽表面暗信号非均匀性逐渐增大，谱线右移表面辐照后,暗电流整体抬升，这是由于10 MeV电子辐照后产生了一定的位移损伤。

图5电子辐照后暗电流分布变化Fig.5The distributions of dark signal after electron irradiation

3 辐射损伤机理分析

暗电流由表面暗电流和体暗电流构成，电子是带电粒子，CMOS APS 受电子辐射后不但在栅氧化物、STI氧化物中产生氧化物陷阱电荷，还在Si-SiO2界面产生界面态，同时在像素单元体耗尽层产生体缺陷。CMOS APS 表面暗电流密度Js和体暗电流密度Jg的计算公式分别为[12]

(1)

(2)

界面态位于靠近Si-SiO2界面1～2个原子键约0.5 nm的距离处，可以较快地与硅导带和价带交换电荷,促进了电子通过热运动由价带跃迁到导带，导致表面有效产生速度se增大。由式(1)可知，se增大，Js将增大。电子辐射引起的位移效应，在像素单元体耗尽区内产生大量的体缺陷，这些缺陷能级在禁带中起到产生-复合中心的作用，使耗尽区载流子寿命τg显著减小，由式(2)可知，τg显著减小，Jg将显著增大。

当TG转移栅周边的STI在电子辐照致电离总剂量效应条件下产生陷阱正电荷后，将在STI的Si-SiO2表面产生感应的负电荷，即此区域的电子浓度增加，空穴浓度下降。这些负电荷将使得TG的沟道电势势垒下降，由于4 T像素光电二极管PD结构设计上需要将占阱容量主要部分的重掺杂N区放置在比较靠近TG和表面钳位Pinned层的位置上，以便于电荷的转移读出，因此TG沟道势垒下降后，部分本来可以容纳光电子的掺杂区电势将高于沟道势垒，这部分光电子不会积累在PD区域，而是会经过TG流出PD，这在一定程度上降低了PD中可存储的电荷总容量，导致饱和输出灰度值降低。满阱容量的下降和电子辐照致位移效应无关。

暗信号非均匀性的增大主要是电子入射后,与CMOS APS体Si发生相对稀少的非弹性碰撞,导致大量的位移能量沉积在某些像元里,从而使单个像元的暗电流显著增大，这些像元称为热像素。随着电子注量的增大，热像素的数量逐渐增多，导致暗信号非均匀性的增大，使得图像传感器成像质量退化。

实验结果显示，对位移效应敏感的参数，如暗电流和暗电流非均匀性表现出了明显的偏置效应，加偏压辐照要比不加电退化更加严重。而对位移效应不敏感，仅对电离效应敏感的参数，饱和输出灰度值并没有表现出明显的偏置效应。主要原因是相对于不加电，加电会在光电二极管内部附加电场，而电子在不同电场下运动会有差别，因此表现出了电子辐照偏置效应。

4 结论

本文以10 MeV电子作为辐照源，对科学级4T-CMOS图像传感器辐照效应进行研究。实验结果证明，电子辐照CMOS图像传感器后产生了电离损伤和位移损伤，导致暗电流增加、饱和输出灰度值下降，暗电流非均匀性增长；实验中还发现，电子辐照存在偏置效应。