星敏感器用4T像素CMOS图像传感器总剂量效应研究*

曹中祥，钟红军，张运方，李全良

0 引 言

星敏感器通过对空间恒星成像，获得恒星观测矢量，采用星图匹配的方法确定星敏感器光轴在惯性空间的指向，利用敏感器本体坐标系和载体姿态坐标系的转换关系，确定载体姿态，是三轴稳定航天器必不可少的姿态敏感器.星敏感器中核心元器件为图像传感器芯片，早期星敏感器都是以CCD图像传感器作为恒星成像器件，随着星敏感器低功耗、微小型化的需求日趋增多以及CMOS工艺的进步，基于CMOS图像传感器的星敏感器成为目前市场上的主流产品[1].星敏感器在轨工作时，太空环境中存在着大量的高能粒子、质子、中子、X射线、γ射线等辐射源[2]，会对星敏感器中的CMOS图像传感器造成辐射损伤.目前国内外很多研究小组对CMOS图像传感器的辐射效应进行大量研究[3-6]，由于空间辐射效应的复杂性及图像传感器像素结构的多样性，多数研究工作仅对CMOS图像传感器的辐射效应进行独立分析，未对由于CMOS图像传感器总剂量效应导致星敏感器整机性能退化进行系统分析.

对星敏感器用典型的4T(transistor, T)像素CMOS图像传感器进行电离总剂量机理研究，进而通过辐照试验，获得器件相关参数随辐照剂量的退化规律，最后分析了由于CMOS图像传感器性能退化导致星敏感器整机性能的退化，并给出可提升性能的措施.

1 总剂量效应机理研究

4T像素结构见图1所示，包含1个掩埋型光电二极管(pinned photodiode, PPD)、1个传输管(transfer gate, MTG)、1个复位管(reset gate, MRST)、1个源跟随器(source follower, MSF)以及一个行选择管(select gate, MSEL)，由于像素内包含4个晶体管，因此该像素结构被称为4T像素.4T像素由于将光生电荷区PPD和电荷存储区(float diffusion, FD)通过传输管隔离，从而可以实现相关双采样(correlated double sampling, CDS)，消除像素复位噪声及固定模式噪声等，从而使得基于4T像素结构的CMOS图像传感器性能优于早期3T像素结构的CMOS图像传感器[7].后来提出的多种像素结构，包含5T像素结构[8]、6T像素结构[9]、8T像素结构[10]以及9T像素结构[11]等，基本都是由4T像素结构改进而来，因此研究4T像素CMOS图像传感器的总剂量效应非常典型，研究结果对于采用其他像素结构CMOS图像传感器的星敏感器总剂量效应评估具有很好的借鉴意义.

图1 4T像素结构Fig.1 4T pixel schematic

4T像素光生电荷产生区在PPD区域内，光生电荷存储区及光生电荷到电压的转换区在FD点，中间由传输管MTG实现光生电荷的转移，因此，对于该部分区域的总剂量效应分析可以解释4T像素由于总剂量效应导致的性能下降.图2所示为PPD、MTG及FD点物理横截面图.

如图2所示，总剂量效应对器件的影响主要为4个区域，从而导致器件性能下降，这4个区域分别为浅槽隔离区(shallow trench isolation, STI)、Si-SiO2界面区、TG栅氧层区域以及PPD-TG交叠区.下面分别对这4个区域的总剂量效应进行分析，然后再对这4个区域的总剂量效应对器件性能的影响进行总结.

图2 PPD、MTG及FD点物理横截面图Fig.2 Cross sectional view of 4T pixel

CMOS图像传感器像素内STI区域作用为像素内晶体管及像素间PPD区域的物理隔离.一般设计中，STI区域需要完全包住PPD，因此PPD区域与STI区域界面区域面积很大.STI区域在半导体制造工艺中实现方式为在晶圆中通过刻蚀的方式刻蚀出沟槽，然后通过淀积的方式在沟槽内填充绝缘物，一般为SiO2等，因此STI区域与PPD区域的界面全是由Si-SiO2组成.在γ射线辐照下，随着总剂量的累积效应，在Si-SiO2界面形成大量的界面态和陷阱电荷，随着辐射总剂量的增加界面态和陷阱电荷的密度增加，从而在暗场情况下产生暗电流.

PPD表面的Si-SiO2区域辐照效应机理与STI区域一致，均为辐照后界面态及陷阱电荷密度增加.但由于在PPD表面有层重掺杂的P+区域，该部分重掺杂区域可以将N-PPD区域与Si-SiO2的界面态和陷阱电荷进行隔离，因此该部分区域对暗电流影响较小.由于短波基本在Si表面吸收，因此该部分区域的短波吸收产生的光生电荷将被复合或者被俘获，导致光生电荷减少，表现为器件光强减弱.

TG栅氧层区域由于PPD内的光生电荷需要通过TG下方沟道转移到FD点，因此该区域的界面态和陷阱电荷将导致转移的电荷部分在该区域被复合或者被陷阱电荷俘获，从而导致转移到FD点的光生电荷数量减少，表现为光强响应减弱.另外，由于栅氧化层受辐照后的电荷积累，导致TG管的阈值电压发生偏移[12]，从而对PPD内电荷最大收集能力产生影响.

图3所示为PPD、MTG及FD点电势图，其中PPD的满阱容量定义为：

满阱容量=(⊄TG-⊄PPD)CPPD

(1)

式中，⊄PPD是PPD复位状态下所能达到的最高电势，⊄TG是TG管关闭状态下TG管沟道的最低电势，CPPD是PPD耗尽区所形成等效电容.⊄PPD与CPPD不随辐照总剂量增加而变化，而⊄TG随辐照总剂量增加而降低，因此导致满阱容量下降.

图3 PPD、MTG及FD点电势图Fig.3 Potential diagram of the 4T pixel

PPD-TG区域在TG管沟道下方Si-SiO2界面处，由于无P+重掺杂隔离，该部分辐照后对暗电流增加起到明显作用.其次由于该部分为PPD内电荷向TG管沟道转移的关键区域，该区域的电势分布对电荷转移影响较大[13-14].图8所示为辐照后的PPD-TG区域电势分布图，理想状态下，PPD-TG的电势分布为梯度递减，使得PPD内电荷由于电势差向TG转移，由于总剂量效应导致PPD-TG区域电势分布发生变化，产生电荷势垒或势阱，使得PPD内的电荷无法完全转移到FD点，表现为器件光强响应减弱.

图4 辐照后PPD、MTG及FD点电势图Fig.4 Potential diagram of the 4T pixel after TID

综上，针对所述4个区域辐照后对器件性能影响汇总见表1所示.

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

2 试验方案及试验结果

电离总剂量辐照实验是在北京大学钴源室进行，辐照源为钴-60γ射线源.实验的总剂量为100 krad(Si)，测试点分别为0 krad(Si)，30 krad(Si)，50 krad(Si)及100 krad(Si)，剂量率为0.1 rad(Si)/s，剂量率计量不确定度小于5%.

试验样品为某进口工业级CMOS图像传感器，分辨率为1 024×1 024，内部集成12位ADC(analog-to-digital convertor)，工作方式为卷帘曝光方式.试验样品数量为5只，在各个测试点需要进行性能测试，通过性能测试对比找出器件性能随辐照剂量变化的规律.采用基于光子转移曲线(photon transfer curve, PTC)方法进行器件性能测试，基于PTC理论，可测试得到器件的相关光电性能参数，从而可以获得器件相关性能参数随辐照剂量变化的规律.下文分别给出暗电流及暗电流不一致性、光强响应及满阱容量随辐照剂量变化的规律，并对其物理产生机理进行了分析.

2.1 暗电流及暗电流不一致性

暗电流指的是像素在暗场情况下，像素内部由于缺陷等产生的热载流子而形成的电流，暗电流的表现为像素在暗场情况下随曝光时间增加，像素输出幅值也增加.暗电流计量单位为e-/pixel/s.暗电流不一致性指的是像素阵列中由于工艺制造等的偏差，导致每个像素暗电流大小不一致.暗电流不一致性的表现为像素在暗场情况下随曝光时间增加，每个像素输出幅值增加不一致.暗电流不一致性的计量单位为e-/s.

图5所示为被测样品平均暗电流输出随辐射剂量的变化曲线，图中横坐标为辐照累计总剂量，图中纵坐标为平均暗电流，由于暗电流与器件温度相关性较大，因此测试时，选择在25 ℃条件下进行测试.从曲线可以看出，随着辐照总剂量增加，暗电流呈近似线性增长.

图6所示为被测样品暗电流不一致性输出随辐射剂量的变化曲线，图中横坐标为辐照累计总剂量，图中纵坐标为暗电流不一致，同样选择在25 ℃条件下进行暗电流不一致性测试.从曲线可以看出，总剂量较小时，暗电流不一致性增加明显，随着辐照总剂量增加，暗电流不一致性增长速度放缓.

2.2 光强响应及满阱容量

CMOS图像传感器的光强响应反映的器件收集光子并转换为电子的能力，测试中，采用固定光照强度，调整曝光时间的方法进行测试，为了剔除暗电流影响，光强响应每个曝光点均减去暗场图像.满阱容量指的是像素最大可容纳电子数量的能力，现象为在器件输出增大到一定值后，随着曝光时间增加，器件输出值不再增大.

图7所示为被测样品在0krad(Si)、30krad(Si)、50krad(Si)及100krad(Si)总剂量下的光强响应曲线.图中横坐标为曝光时间，图中纵坐标为像素平均输出，从图中可以看出，随着辐照总剂量增加，被测样品光强响应呈下降趋势.

图5 平均暗电流随辐照总剂量变化图Fig.5 Change of dark current versus different dose

图6 暗电流不一致性随辐照总剂量变化图Fig.6 Change of DSNU versus different dose

图7 不同辐照总剂量条件下的光强响应曲线Fig.7 Change of photo response versus different dose

图8所示为被测样品满阱容量随辐射剂量的变化曲线，图中横坐标为辐照累计总剂量，图中纵坐标为像素饱和输出，从曲线可以看出，随着辐照总剂量增加，满阱容量呈近似线性下降.

图8 满阱容量随辐照总剂量变化图Fig.8 Change of full well capacity versus different dose

3 对星敏感器性能影响及应对措施

由上述CMOS图像传感器辐照试验结果及机理分析可知，星敏感器用CMOS图像传感器辐照后性能明显下降，主要表现为暗电流及暗电流不一致性增加、光强响应减弱以及满阱容量降低.这些性能参数的下降均会对星敏感器的整机性能造成影响.下面主要针对星敏感器的一项重要性能指标—星点定位误差的总剂量效应影响进行分析.

3.1 星点提取的亚像元质心算法

目前星点提取算法很多，主要对经典的亚像元质心算法进行分析.理论上，星点的能量分布服从二维高斯分布[15]，其表达式为：

I(x,y)=

(2)

式中，I(x,y)为质心在(x0,y0)的星点在坐标(x,y)处的能量值，I0为星点总能量，δPSF为高斯宽度.根据亚像元质心算法，计算得到的星点位置(xδ,yδ)为：

(3)

其中，(xij,yij)为实际星点中每个像元的坐标值，Uij为实际星点中每个像元的灰度值.理论上，计算得到的星点质心(xδ,yδ)与(x0,y0)一致，实际上，由于噪声的存在及星点能量的分布影响，计算得到的星点质心(xδ,yδ)与(x0,y0)存在一定偏差，该偏差一般用星点定位误差评价.

3.2 总剂量效应对星点定位误差影响

根据文献[13]，采用亚像元质心算法时，星点定位误差与开窗大小、星点高斯宽度、像元大小以及噪声等均有关系.直接引用其结论，采用5×5开窗大小时，星点定位误差与噪声及星点能量的关系见表2所示，为了简化分析过程，只引用与辐照后性能下降相关的参数对星点定位误差的影响，其中暗电流引起的噪声为暗电流散粒噪声，其大小为暗电流的平方根.

表2 星点定位误差公式Tab.2 Summary of accuracy formula

表中，L0为星点5×5窗口内的总能量，ND为暗电流散粒噪声，大小为暗电流的平方根，NDCNU为暗电流不一致性噪声.由于暗电流散粒噪声及暗电流不一致噪声与曝光时间及温度有关系，分析时温度设定为25 ℃，曝光时间设定为200 ms.根据样品的辐照试验结果，下面分别分析L0、ND及NDCNU与辐照总剂量的关系，最后得到星点定位误差与辐照总剂量的关系.

考虑星点亮星与暗星能量差异较大，取星点最大能量为满阱容量的30%.根据星点能量的分布，5×5窗口内每个像素坐标的星点能量近似高斯分布，从图4所示光强响应曲线找出对应曝光点能量进行统计，可以得到星点总能量随辐照总剂量关系如图9所示.

图9 星点总能量随辐照总剂量变化图Fig.9 Change of full well capacity versus different dose

由图5可知，暗电流随辐照总剂量呈线性增长关系.由表2试验数据，可以计算得到暗电流散粒噪声随辐照总剂量变化关系.由图6可得到暗电流不一致性随辐照总剂量的变化关系.根据图9计算得到的星点总能量随辐照总剂量变化关系，可计算得到由于暗电流散粒噪声、暗电流不一致噪声以及这两者噪声叠加导致星点定位误差随辐照总剂量的变化关系，如图10所示，随辐照总剂量增加，星点定位误差增大，在100 krad(Si)总剂量下，星点定位误差相比辐照前增加约3倍.

图10 星点定位误差随辐照总剂量变化图Fig.10 Change of full well capacity versus different dose

3.3 总剂量效应应对措施

综上所述，基于4T像素CMOS图像传感器的星敏感器由于总剂量效应导致星点定位误差随辐照剂量增加持续增大，为了减小星敏感器在轨工作性能受辐照影响，除结构屏蔽等常规措施外，根据分析的器件性能退化机理在电路及时序设计上，留出一定余量.根据文献[14-15]，CMOS图像传感器电荷转移不完全可以通过增加TG管电荷转移的开启时间以及调整TG管控制电压和FD点的复位电压实现.因此，可通过地面试验，在满足电压及时序降额设计的基础上，增加TG管电荷转移的开启时间、提高TG管的控制电压以及提高FD点的复位电压，从而提高受辐照后的器件的电荷转移效率，降低由于辐照效应导致的器件光强响应减弱.

4 结 论

本文研究了星敏感器用典型的4T像素CMOS图像传感器电离总剂量效应产生机理，辐照试验结果表明，由于像素内部界面态及陷阱电荷等受辐照影响而增加，导致暗电流及暗电流不一致性增加；像素内部TG管受辐照影响，导致TG管阈值电压偏移以及PPD-TG处沟道电势分布发生变化，使得像素光强响应减弱以及满阱容量降低.针对总剂量效应引起CMOS图像传感器性能退化导致星敏感器星点定位误差增大问题，提出在轨使用时CMOS图像传感器采用增加像素内TG管电荷转移的开启时间、提高TG管的控制电压以及提高FD点的复位电压等措施，可降低总剂量效应引起的星点定位误差.