CMOS图像传感器单粒子效应及加固技术研究进展

蔡毓龙 李豫东 文 林 郭 旗

1（中国科学院新疆理化技术研究所 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（新疆电子信息材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011）

3（中国科学院大学 北京 100049）

CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器首次报道于20世纪60年代［1］，比 电 荷 耦 合器件（Charge-coupled Device，CCD）出现的早，但因CCD特有的性能优势，起初研究人员研究焦点集中在CCD发展上。20世纪90年代初，来自美国国家航空航天局和爱丁堡大学科研人员的努力使得CMOS图像传感器的发展得以复苏［2］。近年来，CMOS图像传感器性能快速提升，有些已经追赶甚至超过CCD性能，而且CMOS图像传感器有着体积小、集成度高、低功耗、质量轻等独特优势。因此，在遥感成像、星敏感器和太阳敏感器等卫星图像采集方面正逐步取代原有的CCD［3］。空间中主要辐射环境包括银河宇宙射线、太阳辐射和范·艾伦辐射带。上述空间环境会对CMOS集成电路引起辐射损伤效应，主要分为：位移效应、总剂量效应和单粒子效应。其中单粒子效应越来越成为CMOS集成电路关注焦点［4-6］。不同于其他CMOS集成电路，CMOS图像传感器有其专用的像素单元，而且像素周边集成更加复杂的外围电路。因此CIS（CMOS Image Sensor）对单粒子效应更加敏感，也呈现出不同于其他CMOS集成电路的表现形式。CIS的单粒子效应主要分为SET（Single Event Transient）、SEU（Single Event Upset）、SEFI（Single Event Functional Interrupt）和 SEL（Single Event Latch-up）。其中SET和SEU会导致局部图像异常，影响图像质量。SEFI往往导致图像全局异常，采集图像完全失真，或出现CIS采图功能中断现象。SEL会导致器件工作电流增加，图像异常，若图像传感器没有SEL自保护装置，严重时器件将无法正常工作。国内外已对CIS遭受的总剂量效应和位移效应开展了深入研究［7-8］，2009年国外Goiffon等［9］综述了CIS总剂量辐射效应研究进展。目前，国内外均对CIS单粒子效应开展相关研究，但因CIS电路结构复杂，单粒子效应对应异常图像表现形式多样化，以及CIS工艺节点不断缩小，CIS的单粒子效应研究还有很多问题有待深入研究。

本文梳理了国内外CIS单粒子效应试验和理论研究成果，从CIS容易发生的单粒子效应类型：SET、SEU、SEL、SEFI，不同粒子种类：重离子、高能质子、电子和中子等方面综述了近20年来CIS单粒子效应研究进展。介绍了国内外CIS抗辐射加固技术研究进展，比较了国内外CIS抗辐射加固水平。分析了国内目前CIS单粒子效应及加固技术中亟待解决的问题，为今后深入开展相关理论研究提供理论参考。

1 CIS单粒子效应研究进展

CMOS图像传感器像素单元主要包括无源像素结构（Passive Pixel Sensor，PPS）、有源像素结构（Active Pixel Sensor，APS）和数字像素结构（Digital Pixel Sensor，DPS）。凭借着工艺兼容标准CMOS工艺的优势，除了像素单元，CIS集成了复杂的信号处理电路［2］，包括行选逻辑、列选逻辑、时序控制电路、模拟信号处理电路、模数转换电路、低压差分信号（Low-Voltage Different Signaling，LVDS）输出接口电路和串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）控制电路等，这些部分被集成在同一硅片上，其典型结构图如图1所示。其中行选通和列选通逻辑可以是移位寄存器，也可以是译码器。像元阵列按X方向和Y方向排列成方阵，方阵中每一个像素单元都能被这两个方向的地址译码器选择。在Y方向地址译码器的控制下，控制行的每个像素信号将通过行开关传送到模拟信号处理电路（放大、去噪音等）。模拟信号经过模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）转换成数字信号，再通过X方向译码器选择传输到LVDS接口电路输出。时序控制电路为整个CMOS图像传感器提供各种工作脉冲，这些脉冲可通过SPI接口电路控制信号控制。

CMOS图像传感器已成为体积小功能强大的片上系统芯片，复杂的电路结构使得其空间应用时，更容易受到单粒子效应的影响，其中软错误通常会导致采集图像局部异常，硬错误会导致采集图像全局异常，严重时器件无法正常工作。为此，国外和国内先后开展了CIS单个粒子辐照试验研究，包括重离子、高能质子、中子和电子地面模拟试验，以及激光模拟单粒子效应试验。辐照试验结果表明：国外抗辐射型CIS抗SEL的线性能量传递(Linear Energy Transfer，LET)阈值很高，但还是容易受SET、SEU和SEFI的影响。相比抗辐射型CIS，国内外商用CIS都表现出对单个粒子辐照非常敏感现象。另外，不同粒子对CIS造成的单粒子效应存在明显差别。同种粒子，不同器件类型，也表现出不同的单粒子异常现象，这受器件工艺尺寸、工作模式和电路结构等参数影响。

图1 CMOS图像传感器结构Fig.1 Architecture of CMOS image sensor

1.1 重离子诱导单粒子效应

1.1.1 单粒子瞬态

重离子辐照CIS像素阵列会使得采集图像出现瞬态亮斑，下一幅图像就会消失，这被称为像素阵列单粒子瞬态现象。美国宇航局Marshall等在2002年对4种具有不同抗辐照设计的0.35 μm工艺CIS进行了重离子辐照试验［10］，试验中改变粒子入射角度。试验结果表明：亮斑收集的电荷数量受粒子入射角度影响，入射角度越大，亮斑总的收集电荷越多，这是因为更长的粒子径迹，且亮斑中的电荷数量和大小还和采用的像素类型有关，如图2所示。

Hopkinson等［11］在 2004年对比利时 Fillfactory公司抗辐射型STAR-250 CIS进行了重离子评估试验 ，该 CIS 使 用 Alcatel Microelectronics 0.5 μm CMOS工艺，采用滚动曝光方式，片上集成了10位ADC（5 MHz）。重离子试验结果表明：暗场条件下在线采集的所有图像上都出现了许多白色亮点。这是由于重离子穿过像素单元电离产生的电子空穴对引起，而且相邻的像素也收集了电荷，这是电荷在没有电场的外延层扩散的结果。

图2 Ar正入射4种像素结构瞬态亮斑对比Fig.2 Atypical image of four kinds of pixel structure transient bright spots in normally incidentAr

Lalucaa等［12］在2013年对三个晶体管有源像素传感器（Three Transistor Active Pixel Sensor，3TAPS）进行了重离子辐照试验，为了研究亮斑的电荷收集，选择了不同设计参数的样品。样品采用滚动曝光模式，试验中设置积分时间等于一幅图像读出时间，获得瞬态亮斑如图3所示，图3中前后两幅图像上的瞬态亮斑可以构建一个完整的圆形亮斑。他们使用STARDUST软件仿真亮斑电荷收集，结果表明：仿真结果很好地预测了体衬底器件上产生的亮斑，而对于外延层器件误差较大。文中讨论了溢出效应，即饱和二极管没有收集电荷会扩散到相邻的二极管，分析认为对于该型号CIS，溢出效应只会影响1～2个像素，使用抗溢出电路来消除亮斑是没有实际意义的。Lalucaa等［12］继续讨论了像素尺寸、衬底类型和光电二极管版图设计对亮斑的影响，试验分析表明：亮斑的形状和像素的尺寸无明显关系，但他们发现使用外延层衬底可以减小亮斑尺寸和总的收集电荷。通过比较加固光电二极管和普通二极管形成亮斑的不同，这些器件的不同之处仅是电容不同，电容越大，电阻减小的越多，饱和电荷增加。结果显示：光电二极管版图变化对SET没有明显改变。除了瞬态亮斑，还发现行列地址译码器发生单粒子瞬态引起异常图像，如图4所示。

图3 两张连续图像中的瞬态亮斑Fig.3 Transient bright spots in two successive frames of a cut cluster

图4 译码器导致的瞬态事件 (a)行扰动，(b)列扰动Fig.4 Transient events on addressing decoders(a)Line disturbance,(b)Column disturbance

2013年，Lalucaa等［13］进一步对四晶体管有源像素传感器（Four Transistor Active Pixel Sensor，4TAPS）进行了重离子辐照试验，对于单粒子瞬态亮斑，本文讨论了抗溢出能力对亮斑的影响。结果表明：可以通过改变传输栅电压或增加一个晶体管实现部分减小瞬态亮斑。2019年，Cai等［14］对4T国产商用科学级CIS进行了重离子辐照试验，研究了像素阵列单粒子瞬态亮斑。试验样品采用滚动曝光模式，积分时间设置小于等于一幅图像读出时间，获得了所有不同的单粒子瞬态亮斑形状，如图5、图6所示。

图5 不同积分时间下瞬态亮斑 (a)1行积分时间，(b)4行积分时间，(c)7行积分时间Fig.5 Pixel cluster captured during irradiation with an exposure time of 1 line time(a),4 lines time(b),7 lines time(c)

1.1.2 单粒子翻转和功能中断

图6 100行积分时间下不同形状瞬态亮斑(a)完整圆形亮斑，(b)下半部分，(c)上半部分Fig.6 Different shape transient cluster full cluster(a),upper cluster(b),below cluster with exposure time of 100 lines time(c)

对于CIS，如果粒子辐照导致其内部集成的寄存器出现翻转，就有可能会引起采集图像出现异常。因为CIS中不同寄存器功能不同，因此不同寄存器出现翻转后导致的图像异常也不同，所以可以通过分析异常图像倒推是何种寄存器出现翻转。如果一些重要寄存器发生翻转，并导致图像出现全局异常，且异常图像无法自动恢复，导致采集图像一直完全失真，这种现象被称为功能中断。而对于其他寄存器翻转，会导致局部图像异常，这被称为单粒子翻转。

Beaumel等［15］在2014年对安森美半导体公司生产的抗辐射型HAS2 CIS进行了重离子辐照试验，试验中改变CIS寻址方式和工作模式。试验结果表明：在LET高达67.8 MeV·（mg·cm-2）-1，辐照注量达到1.4×107p·cm-2时，该款CIS没有发生SEFI，但发生了SEU。当该CIS寻址方式为一幅图像寻址，出现两种图像异常，如图7所示。Beaumel分析认为图7（a）中一部分像素灰度值变暗是由于行置位移位寄存器翻转所致，其对应的饱和截面如图8所示。图7（b）中局部灰度值达到饱和时由于可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）寄存器或者多路选择器出现翻转所致。当CIS寻址方式为行寻址，只观察到一种图像异常，如图7（c）所示，Beaumel分析认为多种原因可能导致这一现象，没有最终定位具体寄存器。

图7 单粒子翻转导致异常图 (a)一片区域变暗，(b)一片区域达到饱和，(c)一行变亮Fig.7 SEU-induced corrupted image (a)Ahigh density of spots with a low level of signal,(b)Apart of the image was blanked out,(c)Abrighter line

2018年，兰州空间技术物理所张晨光等［16］对美国美光（Micron）MT9T001C12STC型号CMOS图像传感器进行了重离子辐照试验，结果显示：器件发生单粒子翻转 LET 阈值约为 42 MeV·（mg·cm-2）-1。2019年，汪波等［17］对CMSSIS公司设计的CMV4000型8T全局曝光CIS进行了重离子诱导SEU研究，发现了4种单粒子翻转现象。

图8 行地址移位寄存器翻转截面Fig.8 Line address shift register SEU cross-section

1.1.3 单粒子闩锁

SEL会导致CIS工作电流升高，采集图像异常，器件功能失效，因此是公认的对CIS危害最为严重的一种单粒子效应。美国宇航局Marshall等在2002年对抗辐照设计的CIS进行了重离子辐照试验［10］，结果发现LET 高达106 MeV·（mg·cm-2）-1，注量达到2×107p·cm-2，没有单粒子SEL现象发生。

Hopkinson 等［18］在 2000 年对欧洲微电子中心（Inter-university Microelectronics Center，IMEC）设计的用于星追踪器和激光追踪应用的0.7 μm Alcatel Microelectronics双阱P衬底工艺CIS进行了重离子评估试验，试验中芯片上ADC单独供电，结果表明：ADC发生SEL的LET阈值为14.1～19.9 MeV·（mg·cm-2）-1。4年后，Hopkinson等对第二代产品STAR-250进行了重离子评估试验，和第一代器件相比，经过加固的STAR-250抗SEL能力达到68 MeV·（mg·cm-2）-1。

2013年，Lalucaa等［12］对4T商用CIS器件进行了重离子辐照试验，发现两种SEL现象，如图9所示，分析认为这两种异常分别是由行、列译码器的电平转换电路发生闩锁导致，闩锁阈值在15.9～40.4 MeV·（mg·cm-2）-1。

图9 行(a)、列(b)电平转换电路闩锁导致异常图Fig.9 Line(a)and column(b)level shifter latch-up corruption image

1.2 质子、电子和中子诱导单粒子效应

质子诱导半导体器件单粒子效应有两种方式［19］：一是通过直接电离；二是通过与材料发生核反应引起。高能质子核反应经常导致发射光子、轻粒子和一些重反冲原子。质子除了和硅发生核反应，随着现代集成电路密度提高，质子也会和金属层发生核反应，产生LET值更大的重离子。质子在CMOS集成电路有着宽能量沉积谱，且随着质子能量增大，通过核反应沉积能量越多，也更容易发生单粒子效应［20-21］。随着半导体工艺尺寸缩小，其单粒子敏感度增加，质子、电子直接电离也会导致单粒子效应［22］。不同于带电粒子，中子不能通过直接电离诱发单粒子效应，但其可通过核反应产生次级粒子诱导单粒子效应［23］。

根据目前国内外对不同工艺尺寸，不同结构CIS开展的质子、电子和中子辐照试验可知，几种粒子辐照CIS外围电路都没有出现单粒子效应，表现为CIS各路电流正常，在线采集图像无相关异常变化。但当质子和中子辐照像素阵列，在线采集图像出现大量瞬态亮点，瞬态亮线异常现象，电子则主要产生瞬态亮点。

Aken等［24］在2014年对安森美半导体公司生产的抗辐射型HAS2 CIS进行了综合的单粒子评估试验，试验中选用不同能量的质子辐照，获得了瞬态亮点，如图10所示。为了研究瞬态亮点尺寸大小和收集电荷的影响因素，试验中改变的变量有：入射角度、环境温度和CIS工作模式。试验结果表明：质子能量越高，亮点尺寸减小，这是因为能量越高的质子LET和沉积的能量越少。温度和入射角度对亮点尺寸和收集电荷没有明显的影响。除了质子，Beaumel还进行了电子辐照HAS2 CIS试验，电子产生的瞬态信号分布如图11所示。

图10 质子诱导单粒子瞬态Fig.10 Proton-induced single event transient

图11 电子辐照下像素信号分布Fig.11 Distribution of pixel signal after electron radiation

目前国外还没有关于中子辐照诱导CIS单粒子效应的相关报道。国内Wang等［25］于2019年在广州散列中子源上对索尼IMX249 CIS进行了中子辐照试验，在线采集了该CIS图像，发现了顺态亮线和暗信号顺态峰值，如图12所示。高能中子和CIS的体硅晶格相互作用产生的次级粒子能够在传输路径上产生电子空穴对。瞬态电离的电荷能够被一个像素收集，形成暗信号峰值。也会被多个相邻像素收集，形成亮线。

图12 中子诱导的瞬态亮线(a)和亮点(b)Fig.12 Neutron-induced transient bright lines(a)and bright spots(b)

1.3 激光模拟单粒子效应

脉冲激光模拟SEE手段在世界范围得到认可并得到推广，主要原因是激光能够模拟和重离子在半导体器件输出端产生相近的SEE电学特征，且满足SEE地面评估的技术要求［26-27］。利用脉冲激光进行SEE测试的突出优势是能够高效准确地实现敏感区域定位，这可对像CIS这样的大规模集成电路实现SEE故障特征诊断的微区定位。

兰州空间技术物理所安恒等［28］利用激光聚焦定位的优势，结合CMOS图像传感器的内部结构特点，分析了某国产CIS内部不同功能单元对单粒子效应的敏感性，结果如表1所示。试验中通过示波器监测CIS输出波形，和电源电流变化判断器件发生何种单粒子现象。然后通过采用能量渐近的方法确定CIS发生单粒子效应的阈值。

2 抗单粒子效应加固技术研究进展

SEL会引起CIS采集图像出现严重异常，如果系统中没有断电重启保护电路，SEL会导致器件功能失效。因此在CIS抗单粒子效应方面，设计者主要关注如何避免引起器件功能失效的SEL，这也是CIS空间应用时考核抗辐射性能首要指标。公开报道的抗辐射型CIS在单粒子效应上主要针对SEL进行加固，典型的抗辐射CIS包括FillFactory的STAR-250、STAR-1000［29］和HAS2，它们抗SEL能力分别达到 68 MeV·（mg·cm-2）-1、67.8 MeV·（mg·cm-2）-1和79.1 MeV·（mg·cm-2）-1。而美国宇航局评估的某款抗辐射型CIS抗SEL的LET阈值更是高达106 MeV·（mg·cm-2）-1。北京微电子所Zhao等［30］在2015年研究了某款CIS，抗SEL的LET阈值达到110 MeV·（mg·cm-2）-1。目前的研究表明：有很多加固技术可以用来降低CMOS集成电路SEL敏感性［31-33］，包括通过降低寄生晶体管的基级电阻，或降低寄生晶体管的增益，还有通过增加保护环来限制器件敏感区电荷收集量。其中降低寄生晶体管的基级电阻通常是指增大阱和衬底接触的数量和尺寸，研究表明这种加固措施是降低SEL LET阈值的有效方法。因此对于CMOS集成电路，已有的加固措施已能够使其抗SEL LET阈值达到一个较高水平。但是因为CIS集成了复杂的外围电路，因此不论商用型，还是抗辐射型CIS，实验结果显示：其外围电路抗SET、SEU和SEFI效应问题仍然突出，这些单粒子效应同样会引起图像异常，干扰系统正常工作。比如抗辐射型CIS STAR-250的单粒子翻转LET阈值在10～20 MeV·（mg·cm-2）-1［15］。

表1 CMOS光电器件单粒子效应敏感性对比Table 1 Sensitiveness of CMOS image sensor

不同于CIS外围电路，其像素单元只包含N型金属氧化物半导体（N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS）或P型金属氧化物半导体（P-Metal-Oxide-Semiconductor），因此不会发生SEL。试验中，单个粒子辐照像素单元会产生单粒子瞬态亮斑，目前的研究主要关注如何减小亮斑的大小和收集电荷。美国宇航局Marshall等对4种具有不同抗辐照设计的0.35 μm工艺CIS进行了重离子辐照试验，结果表明：使用Recedded N+掺杂光电探测器设计的像素形成的单粒子瞬态亮斑最小［10］。Lalucaa等［12］研究结果表明：像素尺寸变化不会改变瞬态亮斑大小，但在高掺杂体硅上生长外延层可以减小亮斑大小和收集电荷数量，这是因为外延层有更高的电阻率，载流子扩散长度减小。同时可以通过改变传输栅电压或者增加一个晶体管实现部分减小瞬态亮斑。

鉴于CIS对于单个粒子辐照特别敏感，为提高CIS抗辐照能力，国内外主要从器件工艺结构、版图和电路设计等方面对CIS进行抗辐射加固。相比国外CIS抗单粒子效应研究方面，国内在CIS抗单粒子加固技术方面的研究还需要在不断探索中前进。

3 研究展望

目前针对CIS抗单粒子效应研究，国内外主要对CIS开展了不同粒子的单粒子效应试验，以及典型的抗辐射型CIS单粒子闩锁评估。但国内外公开报道的CIS单粒子试验中测试方法还不统一，主要通过测试输出端口波形和在线采集图像来推断单粒子异常种类，这些方法很难准确判断试验中单粒子异常种类。与其他大规模集成电路（FPGA（Field-Programmable Gate Array）、SRAM（Static Random-Access Memor））单粒子效应测试相比，CIS在功能和结构上具有明显的区别，因此需要建立一套自己的单粒子试验评估方法。另外CIS是一款大规模集成电路，除了像素单元，还集成了时序电路、模拟信号读出电路、A/D转换、时序控制电路和接口电路，因此如何定位CIS上单粒子效应到具体敏感电路是研究CIS单粒子效应的一个难点。其次随着CIS制造工艺尺寸不断减小，芯片集成度越来越高，器件对单粒子效应会更加敏感，这也会带来新的损伤现象。同时其对高能质子、中子和电子的单粒子敏感性也在增加。此外，CIS单粒子效应的仿真模拟工作国内外开展的较少，需要结合器件结构，逐步开展不同SEE仿真建模工作。