0.5 μm工艺CMOS有源像素传感器的总剂量辐射效应

汪 波，李豫东，郭 旗*，刘昌举，文 林，孙 静，玛丽娅

(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;3.重庆光电技术研究所，重庆 400060)

1 引 言

CMOS图像传感器(APS)以其在系统功耗、体积、重量、成本、功能性以及可靠性等方面的优势在空间成像领域中得到越来越广泛的应用[1-2]。宇宙空间的辐射环境中存在多种粒子(电子、质子、带电重粒子)与宇宙射线[3-5]，对CMOS图像传感器会产生总剂量辐射效应、位移损伤效应和单粒子效应等影响，其中总剂量辐射效应会导致器件的饱和输出电压、响应度、暗信号等关键参数退化，引起成像质量变差，严重的会使器件功能失效。

国外较早开展了CMOS APS的辐射效应模拟试验，取得了一些可指导工程应用的研究成果。Goiffon等[6]通过γ射线辐射试验研究了不同类型像素单元内光敏二极管的变化，设计出通用的抗辐射加固CMOS APS像素单元布局。Bogaerts[7]等通过γ射线辐照试验，研究了商用CMOS APS整体电路的总剂量辐射效应，提出了电离辐射使电路的寄生漏电流及光敏二极管结构的漏电流增长，从而导致整体电路的暗电流参数退化的辐射损伤机制。电离辐射损伤诱发暗信号的退化主要由空间电荷区和隔离氧化层之间的界面态缺陷引起，界面态缺陷促进了Shockley-Read-Hall(SRH)的产生。目前国内对CMOS APS辐射损伤的研究由于受制于器件设计与测试条件，相关的文献报道很少。孟祥提等[8]采用γ射线对CMOS图像传感器进行了电离辐射效应研究，但只是定性分析了无光照时器件输出图像的退化机制。

由于以上研究没有测试CMOS APS在光照条件下参数的变化趋势，所以无法获得辐射损伤对光生载流子的收集、输运的影响，很难从本质上揭示器件的辐射损伤机理。本文以单独封装的像素单元以及CMOS APS整体电路为研究对象，对某国产CMOS APS进行了γ辐射试验，分析了电离总剂量辐射效应导致CMOS APS参数退化的原因。

2 实 验

2.1 试验样品和试验过程

试验样品为国产0.5 μm CMOS N阱工艺CMOS图像传感器，图像采集区域由256×256个像元组成，像元尺寸为25 μm×25 μm。像元结构如图1所示，每个像元由光敏二极管、复位管M1、源极跟随器M2、行选通管M3组成，其中光敏二极管采用N阱/P衬底结构，各有源区采用LOCOS技术进行隔离，隔离场氧化物厚度约为500 nm，栅极氧化物厚度为12.5 nm。

图1 像素单元结构示意图Fig.1 Diagram of the pixel unit structure

为了研究像素单元辐射后的感光性能，建立像素单元辐射损伤与整体电路辐射损伤的相关性，我们设计并制作了像素单元测试结构，如图2所示。像素单元测试结构与CMOS APS芯片是封装在一起的，并在芯片上引出了独立的像素单元测试管脚。

图2 CMOS APS芯片及其像素单元测试结构Fig.2 CMOS APS chip and its pixel unit test structure

图3 CMOS APS的辐射试验示意图Fig.3 Schematic diagram of the irradiation experiment for CMOS APS

辐射试验是在中科院新疆理化所的60Co-γ射线源上进行的，射线源为柱状结构。辐射试验示意图如图3所示，整个试验过程中器件处于工作状态，温度为室温。将驱动电路置于铅室内，以免γ射线对驱动偏置电路造成辐射损伤。在辐射完成后对CMOS APS依次进行室温和100℃高温退火试验，所用偏置条件与辐射时相同。

2.2 参数测试方法

CMOS APS参数提取采用新疆理化所自主研制的“光电成像器件辐射效应测试系统”，图4为该设备的组成框图。设备采用光机一体化结构设计，包括光电响应性能检测、光谱检测、控制及数据处理3个分系统，可对器件的光电响应性能、光谱特性进行全面的定量测试与分析[9]。

图4 测试系统的组成框图Fig.4 Constitution of testing system

CMOS APS的饱和输出信号是指器件在正常工作状态下输出电压的最大值。器件光响应输出信号是曝光量和曝光时间的线性函数，当光强一定时，不同的积分时间对应不同的曝光量，因此，通过改变积分时间可以测试不同曝光量的输出信号值。在二维坐标系中画出“曝光量-输出信号”曲线，在线性区拟合出直线L1、饱和区拟合出直线L2，直线L1、L2交点的纵坐标即为器件的饱和输出信号。

不同积分时间下的像素单元与不同光照条件下的光电转换输出信号相对应。单元像素的测试波形如图5所示，图中的波形从上到下依次是复位信号(Reset)、读出使能信号(Read)、输出的积分信号。

图5 像素单元的测试波形Fig.5 Test waveforms of the pixel unit

暗信号是指CMOS APS像元在无光照条件下产生的输出信号。将器件置于暗箱中，测试不同积分时间下CMOS APS的输出信号，在二维坐标系中画出“积分时间-输出信号”散点图，并拟合出直线L，该直线的斜率即为CMOS APS单位时间内的暗信号。

3 结果与讨论

3.1 饱和输出信号随γ辐射的变化及其退火特性

图6给出了器件受γ辐射后饱和输出信号的变化规律。从图中可以看出:当辐射总剂量小于300 Gy时，饱和输出信号变化不大。随着辐射总剂量的增加，饱和输出信号迅速减小。在室温退火期间，饱和输出信号有一定程度的恢复，之后变化趋于平缓，在高温退火期间逐步恢复到接近初始值。

图6 饱和输出信号随总剂量及退火时间的变化关系Fig.6 Variation of the saturated output signal of CMOS APS with γ-irradiation and annealing time

试验样品的栅氧化物厚度只有12.5 nm，并且本次试验的总剂量只有700 Gy，不会导致可观的阈值电压漂移，因此像素单元后端数字电路部分不会发生显著的退化。文献[10-11]的研究结果也表明，CMOS APS受辐射后的数字电路部分不会发生显著的退化。分析认为，饱和输出信号的下降主要是由像素单元的辐射损伤引起。为了证实该假设，我们在试验过程中测试了像素单元积分至饱和时的输出信号，结果如图7所示。

图7 像素单元积分至饱和时的输出信号随总剂量及退火时间的变化关系Fig.7 Variation of the pixel unit output signal integral to saturation with γ-irradiation and annealing time

从图中可以看出，像素单元的辐射退化、退火规律与饱和输出信号的变化规律与图6基本一致，可判断CMOS APS饱和输出信号的退化与像素单元输出信号的衰减直接相关。

图8 光敏二极管耗尽区在辐射前后的截面图Fig.8 Depletion region sectional views of the photodiode before and after irradiation

当γ射线辐射到光敏二极管时，在LOCOS隔离氧化物和栅氧化物中形成大量的电子-空穴对。在无电场作用时，这些电子-空穴对将重新复合。但实际上，SiO2中存在一个外加电场与氧化层内建电场(如原有氧化层电荷及功函数差形成的电场)的叠加场。室温下，电子在SiO2内的迁移率比空穴高出百万倍，因此，电子将在1 ps内被电场扫出氧化物，留下的空穴则向SiO2/Si界面进行相对较慢的受电场和温度激励的输运。在这个过程中，一部分空穴被近界面处的空穴陷阱(正电中心)俘获形成辐射感生氧化物陷阱电荷，氧化物陷阱电荷带正电，从而使光敏二极管表面耗尽区展宽(展宽厚度Δx的大小与氧化物陷阱电荷量成正比)，导致光敏二极管耗尽区的厚度WD变大，如图8所示。

光敏二极管的耗尽层电容和复位后的电量由式(1)、(2)给出:

式中CD为耗尽层电容，εs为半导体电容率，Q为光敏二极管储存电量，WD为耗尽层厚度，Vres为二极管复位电压。

由以上两式可知，随着 WD的增大，CD将减小，从而导致光敏二极管复位后的电量Q变少，即满阱容量(Full well)变小，因此像素单元积分至饱和时的输出信号减小。由以上分析可知，CMOS APS饱和输出信号受辐射后减小，主要是由于光敏二极管pn结表面边界的SiO2里产生了大量的氧化物陷阱电荷引起耗尽层厚度WD增大、电容减小导致满阱容量变小，这一观点在随后的退火试验中得到了验证。文献[12]的研究工作表明，MOS受辐射后，氧化物陷阱电荷的产生速度很快，在辐射停止之后不再增长且在常温下退火可以逐渐消除，在100℃高温下退火其消除速度更快。图6、图7所示的输出信号在室温退火下有一定程度的恢复，在高温退火前期恢复到接近初始值，这一变化趋势同辐射感生氧化物陷阱电荷的变化规律相符合。

3.2 暗信号随γ辐射的变化关系及其退火特性

暗信号随总剂量及退火时间的变化曲线如图9所示。在辐射过程中，暗信号随辐射剂量的增加而线性增大。在随后的室温退火中，暗信号继续增大，随着时间的延长增幅趋于平缓。在高温退火前期，暗信号继续增大，之后基本保持不变。

图9 暗信号随总剂量及退火时间的变化关系Fig.9 Variation of the dark signal of CMOS APS with γ-irradiation and annealing

从3.1节分析可知，辐射感生的氧化物陷阱电荷可以展宽耗尽区的厚度，从而增加了单位时间内在耗尽区内少数载流子总的产生率，导致反向电流增大。此外，辐射产生的空穴在极化输运的过程中除了产生大量的氧化物陷阱电荷外，还有剩余的空穴产生质子(H+)，H+随后将输运到Si-SiO2界面处，从而形成界面态。界面态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，导致表面电流增大。因此，随着辐射剂量的增加，暗电流不断增大[13]。

从图9可以看出，暗信号在室温退火过程中继续增大，随着时间的延长增幅趋于平缓;在高温退火前期继续增大，之后基本保持不变。辐射感生的氧化物陷阱电荷和界面态的退火与温度有较强的依赖关系。氧化物陷阱电荷不稳定，室温条件下就会发生部分退火;温度升高后，氧化物陷阱电荷俘获的空穴从SiO2的禁带向价带的热发射变快，从而使退火加速[14-15]。与此相反，界面态比较稳定，它跟器件的结构、生产工艺及缺陷密度等有关。一般而言，温度升高，辐射感生的空穴和H+运动加快，从而使界面态随着温度的升高继续生长。文献[16]的研究表明:当温度低于100℃时，界面态的退火基本可以忽略不计;只有温度达到175℃时，才会引发大量的界面态退火。所以，经室温24 h退火和100℃高温退火后，大部分氧化物陷阱电荷已退去，但仍有大量的界面态在增长。因此，在整个室温退火期间和高温退火前期，暗信号不断增大。继续延长高温退火时间，氧化物陷阱电荷将进一步减少，与此同时界面态不再增长，因此暗信号在高温退火后期缓慢减小，但仍远远大于初始值。

综合上述分析可知，电离辐射损伤导致的CMOS APS暗信号增大的原因，主要是由于感光区光敏二极管和复位管M1源端周边的LOCOS隔离氧化物中产生了大量的辐射感生界面态导致表面电流增大。

3.3 像素单元光电响应随γ辐射的变化关系

图10所示为不同积分时间下像素单元输出信号随总剂量的变化关系，测试时选择了20 ms和30 ms两个积分时间。从图中可以看出，随着总剂量的增加，输出信号不断下降。当总剂量累积到700 Gy时，20 ms积分时间下的像素单元输出信号较辐射前下降了17%，30 ms积分时间下的输出信号较辐射前下降了14%。输出信号的下降表明像素单元响应度的退化，即响应度随辐射剂量的增加而减小。

图10 像素单元输出信号随总剂量的变化关系Fig.10 Variation of pixel unit output signal with γ-irradiation

像素单元受γ辐射后，光敏二极管pn结表面边界周围的SiO2里产生了大量的界面态，界面态的能级在禁带中，这些能级起到复合中心的作用，从而使表面复合速度增加，导致光生载流子复合寿命缩短。载流子的扩散长度由式(3)给出:

式中L为载流子的扩散长度，D为扩散系数，τ为载流子的复合寿命。

由式(3)可知，扩散长度随着载流子复合寿命的缩短而减小，从而使Si-SiO2界面附近的光生载流子漂移至耗尽区被收集的效率下降[17-18]，响应度降低。响应度退化的物理机制尚不能完全确定，其退化原因可能是像素单元的输出结构由于阈值电压漂移和电容的变化导致晶体管的转换增益下降[17]，从而使响应度降低;也有可能是光敏二极管上面的层间电介质(Dielectric layers)受γ射线辐射后，透射率和折射率减小，导致单位时间内入射光强减少。对此还需要进一步开展相关试验，以确定响应度退化的物理机制。

4 结 论

通过对CMOS有源像素传感器和像素单元进行60Co-γ 射线辐射试验，结合 0.5 μm CMOS APS的工艺与结构，分析了LOCOS隔离氧化物辐射感生缺陷的产生与退火规律，获得了像素单元辐射损伤与整体电路辐射损伤的相关性。饱和输出信号、暗信号等参数是器件的电离辐射敏感参数，参数退化的主要原因是由于光敏二极管周围整个LOCOS隔离氧化层产生了大量的辐射感生电荷。其中饱和输出电压退化主要是因为像敏区表面SiO2里产生了大量的氧化物陷阱电荷，引起耗尽层厚度增大、电容减小导致满阱容量变小;暗信号退化主要由界面陷阱引起，界面陷阱缺陷促进了SRH的产生。

通过测试像素单元不同积分时间下输出信号的变化，还观察到CMOS APS响应度的退化。分析认为这是由于辐射在Si-SiO2界面引入了大量的界面陷阱，导致表面复合速度增大进而表面光生载流子收集效率下降所致。响应度退化的物理机制尚不能完全确定，为揭示其辐射损伤机理，下一步将通过设计单管深入研究像素单元的辐射损伤规律。

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