0.5 μm工藝CMOS有源像素傳感器的總劑量輻射效應(yīng)

汪 波，李豫東，郭 旗*，劉昌舉，文 林，孫 靜，瑪麗婭

(1.中國科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點試驗室，新疆電子信息材料與器件重點試驗室，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆烏魯木齊 830011;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060)

1 引 言

CMOS圖像傳感器(APS)以其在系統(tǒng)功耗、體積、重量、成本、功能性以及可靠性等方面的優(yōu)勢在空間成像領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。宇宙空間的輻射環(huán)境中存在多種粒子(電子、質(zhì)子、帶電重粒子)與宇宙射線[3-5]，對CMOS圖像傳感器會產(chǎn)生總劑量輻射效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)和單粒子效應(yīng)等影響，其中總劑量輻射效應(yīng)會導(dǎo)致器件的飽和輸出電壓、響應(yīng)度、暗信號等關(guān)鍵參數(shù)退化，引起成像質(zhì)量變差，嚴(yán)重的會使器件功能失效。

國外較早開展了CMOS APS的輻射效應(yīng)模擬試驗，取得了一些可指導(dǎo)工程應(yīng)用的研究成果。Goiffon等[6]通過γ射線輻射試驗研究了不同類型像素單元內(nèi)光敏二極管的變化，設(shè)計出通用的抗輻射加固CMOS APS像素單元布局。Bogaerts[7]等通過γ射線輻照試驗，研究了商用CMOS APS整體電路的總劑量輻射效應(yīng)，提出了電離輻射使電路的寄生漏電流及光敏二極管結(jié)構(gòu)的漏電流增長，從而導(dǎo)致整體電路的暗電流參數(shù)退化的輻射損傷機(jī)制。電離輻射損傷誘發(fā)暗信號的退化主要由空間電荷區(qū)和隔離氧化層之間的界面態(tài)缺陷引起，界面態(tài)缺陷促進(jìn)了Shockley-Read-Hall(SRH)的產(chǎn)生。目前國內(nèi)對CMOS APS輻射損傷的研究由于受制于器件設(shè)計與測試條件，相關(guān)的文獻(xiàn)報道很少。孟祥提等[8]采用γ射線對CMOS圖像傳感器進(jìn)行了電離輻射效應(yīng)研究，但只是定性分析了無光照時器件輸出圖像的退化機(jī)制。

由于以上研究沒有測試CMOS APS在光照條件下參數(shù)的變化趨勢，所以無法獲得輻射損傷對光生載流子的收集、輸運(yùn)的影響，很難從本質(zhì)上揭示器件的輻射損傷機(jī)理。本文以單獨封裝的像素單元以及CMOS APS整體電路為研究對象，對某國產(chǎn)CMOS APS進(jìn)行了γ輻射試驗，分析了電離總劑量輻射效應(yīng)導(dǎo)致CMOS APS參數(shù)退化的原因。

2 實 驗

2.1 試驗樣品和試驗過程

試驗樣品為國產(chǎn)0.5 μm CMOS N阱工藝CMOS圖像傳感器，圖像采集區(qū)域由256×256個像元組成，像元尺寸為25 μm×25 μm。像元結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個像元由光敏二極管、復(fù)位管M1、源極跟隨器M2、行選通管M3組成，其中光敏二極管采用N阱/P襯底結(jié)構(gòu)，各有源區(qū)采用LOCOS技術(shù)進(jìn)行隔離，隔離場氧化物厚度約為500 nm，柵極氧化物厚度為12.5 nm。

圖1 像素單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of the pixel unit structure

為了研究像素單元輻射后的感光性能，建立像素單元輻射損傷與整體電路輻射損傷的相關(guān)性，我們設(shè)計并制作了像素單元測試結(jié)構(gòu)，如圖2所示。像素單元測試結(jié)構(gòu)與CMOS APS芯片是封裝在一起的，并在芯片上引出了獨立的像素單元測試管腳。

圖2 CMOS APS芯片及其像素單元測試結(jié)構(gòu)Fig.2 CMOS APS chip and its pixel unit test structure

圖3 CMOS APS的輻射試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of the irradiation experiment for CMOS APS

輻射試驗是在中科院新疆理化所的60Co-γ射線源上進(jìn)行的，射線源為柱狀結(jié)構(gòu)。輻射試驗示意圖如圖3所示，整個試驗過程中器件處于工作狀態(tài)，溫度為室溫。將驅(qū)動電路置于鉛室內(nèi)，以免γ射線對驅(qū)動偏置電路造成輻射損傷。在輻射完成后對CMOS APS依次進(jìn)行室溫和100℃高溫退火試驗，所用偏置條件與輻射時相同。

2.2 參數(shù)測試方法

CMOS APS參數(shù)提取采用新疆理化所自主研制的“光電成像器件輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)”，圖4為該設(shè)備的組成框圖。設(shè)備采用光機(jī)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括光電響應(yīng)性能檢測、光譜檢測、控制及數(shù)據(jù)處理3個分系統(tǒng)，可對器件的光電響應(yīng)性能、光譜特性進(jìn)行全面的定量測試與分析[9]。

圖4 測試系統(tǒng)的組成框圖Fig.4 Constitution of testing system

CMOS APS的飽和輸出信號是指器件在正常工作狀態(tài)下輸出電壓的最大值。器件光響應(yīng)輸出信號是曝光量和曝光時間的線性函數(shù)，當(dāng)光強(qiáng)一定時，不同的積分時間對應(yīng)不同的曝光量，因此，通過改變積分時間可以測試不同曝光量的輸出信號值。在二維坐標(biāo)系中畫出“曝光量-輸出信號”曲線，在線性區(qū)擬合出直線L1、飽和區(qū)擬合出直線L2，直線L1、L2交點的縱坐標(biāo)即為器件的飽和輸出信號。

不同積分時間下的像素單元與不同光照條件下的光電轉(zhuǎn)換輸出信號相對應(yīng)。單元像素的測試波形如圖5所示，圖中的波形從上到下依次是復(fù)位信號(Reset)、讀出使能信號(Read)、輸出的積分信號。

圖5 像素單元的測試波形Fig.5 Test waveforms of the pixel unit

暗信號是指CMOS APS像元在無光照條件下產(chǎn)生的輸出信號。將器件置于暗箱中，測試不同積分時間下CMOS APS的輸出信號，在二維坐標(biāo)系中畫出“積分時間-輸出信號”散點圖，并擬合出直線L，該直線的斜率即為CMOS APS單位時間內(nèi)的暗信號。

3 結(jié)果與討論

3.1 飽和輸出信號隨γ輻射的變化及其退火特性

圖6給出了器件受γ輻射后飽和輸出信號的變化規(guī)律。從圖中可以看出:當(dāng)輻射總劑量小于300 Gy時，飽和輸出信號變化不大。隨著輻射總劑量的增加，飽和輸出信號迅速減小。在室溫退火期間，飽和輸出信號有一定程度的恢復(fù)，之后變化趨于平緩，在高溫退火期間逐步恢復(fù)到接近初始值。

圖6 飽和輸出信號隨總劑量及退火時間的變化關(guān)系Fig.6 Variation of the saturated output signal of CMOS APS with γ-irradiation and annealing time

試驗樣品的柵氧化物厚度只有12.5 nm，并且本次試驗的總劑量只有700 Gy，不會導(dǎo)致可觀的閾值電壓漂移，因此像素單元后端數(shù)字電路部分不會發(fā)生顯著的退化。文獻(xiàn)[10-11]的研究結(jié)果也表明，CMOS APS受輻射后的數(shù)字電路部分不會發(fā)生顯著的退化。分析認(rèn)為，飽和輸出信號的下降主要是由像素單元的輻射損傷引起。為了證實該假設(shè)，我們在試驗過程中測試了像素單元積分至飽和時的輸出信號，結(jié)果如圖7所示。

圖7 像素單元積分至飽和時的輸出信號隨總劑量及退火時間的變化關(guān)系Fig.7 Variation of the pixel unit output signal integral to saturation with γ-irradiation and annealing time

從圖中可以看出，像素單元的輻射退化、退火規(guī)律與飽和輸出信號的變化規(guī)律與圖6基本一致，可判斷CMOS APS飽和輸出信號的退化與像素單元輸出信號的衰減直接相關(guān)。

圖8 光敏二極管耗盡區(qū)在輻射前后的截面圖Fig.8 Depletion region sectional views of the photodiode before and after irradiation

當(dāng)γ射線輻射到光敏二極管時，在LOCOS隔離氧化物和柵氧化物中形成大量的電子-空穴對。在無電場作用時，這些電子-空穴對將重新復(fù)合。但實際上，SiO2中存在一個外加電場與氧化層內(nèi)建電場(如原有氧化層電荷及功函數(shù)差形成的電場)的疊加場。室溫下，電子在SiO2內(nèi)的遷移率比空穴高出百萬倍，因此，電子將在1 ps內(nèi)被電場掃出氧化物，留下的空穴則向SiO2/Si界面進(jìn)行相對較慢的受電場和溫度激勵的輸運(yùn)。在這個過程中，一部分空穴被近界面處的空穴陷阱(正電中心)俘獲形成輻射感生氧化物陷阱電荷，氧化物陷阱電荷帶正電，從而使光敏二極管表面耗盡區(qū)展寬(展寬厚度Δx的大小與氧化物陷阱電荷量成正比)，導(dǎo)致光敏二極管耗盡區(qū)的厚度WD變大，如圖8所示。

光敏二極管的耗盡層電容和復(fù)位后的電量由式(1)、(2)給出:

式中CD為耗盡層電容，εs為半導(dǎo)體電容率，Q為光敏二極管儲存電量，WD為耗盡層厚度，Vres為二極管復(fù)位電壓。

由以上兩式可知，隨著 WD的增大，CD將減小，從而導(dǎo)致光敏二極管復(fù)位后的電量Q變少，即滿阱容量(Full well)變小，因此像素單元積分至飽和時的輸出信號減小。由以上分析可知，CMOS APS飽和輸出信號受輻射后減小，主要是由于光敏二極管pn結(jié)表面邊界的SiO2里產(chǎn)生了大量的氧化物陷阱電荷引起耗盡層厚度WD增大、電容減小導(dǎo)致滿阱容量變小，這一觀點在隨后的退火試驗中得到了驗證。文獻(xiàn)[12]的研究工作表明，MOS受輻射后，氧化物陷阱電荷的產(chǎn)生速度很快，在輻射停止之后不再增長且在常溫下退火可以逐漸消除，在100℃高溫下退火其消除速度更快。圖6、圖7所示的輸出信號在室溫退火下有一定程度的恢復(fù)，在高溫退火前期恢復(fù)到接近初始值，這一變化趨勢同輻射感生氧化物陷阱電荷的變化規(guī)律相符合。

3.2 暗信號隨γ輻射的變化關(guān)系及其退火特性

暗信號隨總劑量及退火時間的變化曲線如圖9所示。在輻射過程中，暗信號隨輻射劑量的增加而線性增大。在隨后的室溫退火中，暗信號繼續(xù)增大，隨著時間的延長增幅趨于平緩。在高溫退火前期，暗信號繼續(xù)增大，之后基本保持不變。

圖9 暗信號隨總劑量及退火時間的變化關(guān)系Fig.9 Variation of the dark signal of CMOS APS with γ-irradiation and annealing

從3.1節(jié)分析可知，輻射感生的氧化物陷阱電荷可以展寬耗盡區(qū)的厚度，從而增加了單位時間內(nèi)在耗盡區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子總的產(chǎn)生率，導(dǎo)致反向電流增大。此外，輻射產(chǎn)生的空穴在極化輸運(yùn)的過程中除了產(chǎn)生大量的氧化物陷阱電荷外，還有剩余的空穴產(chǎn)生質(zhì)子(H+)，H+隨后將輸運(yùn)到Si-SiO2界面處，從而形成界面態(tài)。界面態(tài)可以較快地與硅導(dǎo)帶和價帶交換電荷，促進(jìn)了電子通過熱運(yùn)動由價帶躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致表面電流增大。因此，隨著輻射劑量的增加，暗電流不斷增大[13]。

從圖9可以看出，暗信號在室溫退火過程中繼續(xù)增大，隨著時間的延長增幅趨于平緩;在高溫退火前期繼續(xù)增大，之后基本保持不變。輻射感生的氧化物陷阱電荷和界面態(tài)的退火與溫度有較強(qiáng)的依賴關(guān)系。氧化物陷阱電荷不穩(wěn)定，室溫條件下就會發(fā)生部分退火;溫度升高后，氧化物陷阱電荷俘獲的空穴從SiO2的禁帶向價帶的熱發(fā)射變快，從而使退火加速[14-15]。與此相反，界面態(tài)比較穩(wěn)定，它跟器件的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝及缺陷密度等有關(guān)。一般而言，溫度升高，輻射感生的空穴和H+運(yùn)動加快，從而使界面態(tài)隨著溫度的升高繼續(xù)生長。文獻(xiàn)[16]的研究表明:當(dāng)溫度低于100℃時，界面態(tài)的退火基本可以忽略不計;只有溫度達(dá)到175℃時，才會引發(fā)大量的界面態(tài)退火。所以，經(jīng)室溫24 h退火和100℃高溫退火后，大部分氧化物陷阱電荷已退去，但仍有大量的界面態(tài)在增長。因此，在整個室溫退火期間和高溫退火前期，暗信號不斷增大。繼續(xù)延長高溫退火時間，氧化物陷阱電荷將進(jìn)一步減少，與此同時界面態(tài)不再增長，因此暗信號在高溫退火后期緩慢減小，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始值。

綜合上述分析可知，電離輻射損傷導(dǎo)致的CMOS APS暗信號增大的原因，主要是由于感光區(qū)光敏二極管和復(fù)位管M1源端周邊的LOCOS隔離氧化物中產(chǎn)生了大量的輻射感生界面態(tài)導(dǎo)致表面電流增大。

3.3 像素單元光電響應(yīng)隨γ輻射的變化關(guān)系

圖10所示為不同積分時間下像素單元輸出信號隨總劑量的變化關(guān)系，測試時選擇了20 ms和30 ms兩個積分時間。從圖中可以看出，隨著總劑量的增加，輸出信號不斷下降。當(dāng)總劑量累積到700 Gy時，20 ms積分時間下的像素單元輸出信號較輻射前下降了17%，30 ms積分時間下的輸出信號較輻射前下降了14%。輸出信號的下降表明像素單元響應(yīng)度的退化，即響應(yīng)度隨輻射劑量的增加而減小。

圖10 像素單元輸出信號隨總劑量的變化關(guān)系Fig.10 Variation of pixel unit output signal with γ-irradiation

像素單元受γ輻射后，光敏二極管pn結(jié)表面邊界周圍的SiO2里產(chǎn)生了大量的界面態(tài)，界面態(tài)的能級在禁帶中，這些能級起到復(fù)合中心的作用，從而使表面復(fù)合速度增加，導(dǎo)致光生載流子復(fù)合壽命縮短。載流子的擴(kuò)散長度由式(3)給出:

式中L為載流子的擴(kuò)散長度，D為擴(kuò)散系數(shù)，τ為載流子的復(fù)合壽命。

由式(3)可知，擴(kuò)散長度隨著載流子復(fù)合壽命的縮短而減小，從而使Si-SiO2界面附近的光生載流子漂移至耗盡區(qū)被收集的效率下降[17-18]，響應(yīng)度降低。響應(yīng)度退化的物理機(jī)制尚不能完全確定，其退化原因可能是像素單元的輸出結(jié)構(gòu)由于閾值電壓漂移和電容的變化導(dǎo)致晶體管的轉(zhuǎn)換增益下降[17]，從而使響應(yīng)度降低;也有可能是光敏二極管上面的層間電介質(zhì)(Dielectric layers)受γ射線輻射后，透射率和折射率減小，導(dǎo)致單位時間內(nèi)入射光強(qiáng)減少。對此還需要進(jìn)一步開展相關(guān)試驗，以確定響應(yīng)度退化的物理機(jī)制。

4 結(jié) 論

通過對CMOS有源像素傳感器和像素單元進(jìn)行60Co-γ 射線輻射試驗，結(jié)合 0.5 μm CMOS APS的工藝與結(jié)構(gòu)，分析了LOCOS隔離氧化物輻射感生缺陷的產(chǎn)生與退火規(guī)律，獲得了像素單元輻射損傷與整體電路輻射損傷的相關(guān)性。飽和輸出信號、暗信號等參數(shù)是器件的電離輻射敏感參數(shù)，參數(shù)退化的主要原因是由于光敏二極管周圍整個LOCOS隔離氧化層產(chǎn)生了大量的輻射感生電荷。其中飽和輸出電壓退化主要是因為像敏區(qū)表面SiO2里產(chǎn)生了大量的氧化物陷阱電荷，引起耗盡層厚度增大、電容減小導(dǎo)致滿阱容量變小;暗信號退化主要由界面陷阱引起，界面陷阱缺陷促進(jìn)了SRH的產(chǎn)生。

通過測試像素單元不同積分時間下輸出信號的變化，還觀察到CMOS APS響應(yīng)度的退化。分析認(rèn)為這是由于輻射在Si-SiO2界面引入了大量的界面陷阱，導(dǎo)致表面復(fù)合速度增大進(jìn)而表面光生載流子收集效率下降所致。響應(yīng)度退化的物理機(jī)制尚不能完全確定，為揭示其輻射損傷機(jī)理，下一步將通過設(shè)計單管深入研究像素單元的輻射損傷規(guī)律。

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