CMOS图像传感器的辐照损伤机理

1、CMOS图像传感器的辐照损伤机理国|Aj秤映研究成果表叩”在电丁和丫射线辐切作川hCMOS图像传感器产生电离损伤*主要表现为使成像质量下降、暗信号增大等叫5图1-4给出了1站X1站的？T像素结构的CMOS图像传感器暗电流随Y射緩电离吸收ALT；的变化关系卩讥航图中I川以frill+丫射线辐切导致图像传感器暗电流明显增大*增大的幅度随辐照剂;11的增加而增加4辐照.flI通过1(KTC退火I川以便暗电流明H回vt很多研究证明电离损伤主要引起界面的损伤和产生氧化物缺陷电荷”通过退火|、丄消除l4l6fl凫巴口匸一芒曲no工用0电离损伤使暗信号增人的同时，使图像传感器的噪声、均匀性等参数发生漂移，进

2、而使图像质量变差。图15是BaslerA620f型号CMOS图像传感器的图像随丫射线剂量的变化“用。图1-5器件随总剂量增加暗输出图像“引从图中看出，暗信号随辐照剂量明显增人，当辐照剂量为104rad时器件均匀性明显下降。但通过退火有明显恢复，并且在退火过程中发现有“滞后效应”存在，之后参数趋于稳定。电离辐射在CMOS图像传感器中主要引起的损伤是在SiO?中产生氧化物缺陷电荷和SiO2-Si界面处形成界面态I。Virmontois通过对O.lSiim匚艺的CMOS图像传感器的丫射线辐照实验证实氧化物缺陷电荷是引起暗电流增人的主要原因，要比界面态对暗电流的影响高出两个数量级。并且通过缺陷密度的提

3、取和TCAD模拟对氧化物缺陷电荷和界面态的30分钟等时退火效应做了研究，如图16所示【纲。uo_10eJpD-eDuueun由图16可以看出随着退火温度的升高暗电流逐渐减少，75C时界面态引起的暗电流(DeltaDit)明显降低，达到300C时基本消除，而氧化物缺陷电荷引起的暗电流（DelNot）在300C退火后仍残留30%,可见氧化物缺陷电荷对器件产生的影响较人。对于MOS器件而言，阈值电压是十分重要的一个参数，辐照坏境及不同剂量率对器件阈值电压都会产生不同的影响。张延庆等人对常温下不同剂量率对NMOS管的阈值电压漂移情况进行了研究，如图17所示-2.3制)/$-rad(Si)/s.-7.1

4、rad)/&辐風总剤童ir&USi）图1-7NMOS管在不同剂量率下阈值电压与辐照总剂量关系从图17中可以看出，随着辐照总剂量的增加阈值电压会产生漂移，对于NMOS管产生负向漂移，并且随着辐照总剂量的增加漂移量增人。低剂量率下随辐照剂量率的增加，阈值电压漂移量变人。并且通过半带电压法分离发现，氧化物缺陷电荷引起NMOS管阈值电压产生负向漂移，界面态引起NMOS管阈值电压正向漂移。可见剂量率对MOS器件的辐照效应会产生不同的影响。此外，剂量率对CMOS图像传感器的时间响应特性也会产生不同的影响，余学峰等人实验发现低剂量率对器件的时间响应特性有较人影响，分析认为主要原因可能是低剂量率下产生较多的界

5、面态导致以】。栅氧化物的厚度对辐照也有一定的影响，薄栅氧化物对高剂量时的电离损伤有一定的抵抗作用1,可以提高在空间的应用寿命。辐照时温度对阈值电压变化也有较人影响，王剑屏等人研究发现随辐照温度的降低阈值电压漂移变人，温度越高由界面态缺陷引起的阈值电压漂移越人，并证实氧化物缺陷电荷是引起阈值电压变化的主要原因31。何宝平等人研究了质子对CMOS图像传感器的辐照效应，发现质子在二氧化硅中的沉积能量主要用于电离，并且实验发现在（）栅条件下，丫射线、IMeV电子和2-7McV质子对CMOS图像传感器的电离损伤效应可以等效，而在5V栅压下，能量人于7McV以上质子对CMOS图像传感器造成的辐照损伤要比Y

6、射线严重a】。1.5.2位移损伤效应位移损伤对器件的影响比较复杂，与电离损伤表现类似但本质上有所不同，电离损伤与器件加电情况有关，位移损伤与是否加电无关【I。目前，对于位移损伤的研究还没有形成明确的理论体系，还需要进一步的实验研究。Ccdric对质子和中子对深亚微米技术生产的CMOS图像传感器的位移损伤效应进行了研究。利用普遍损伤因子(UDF)评估位移损伤对平均暗电流的贡献，如图所示Experimentalresults1.E-15-Displacementcontributions1.E-131.E-14-1.E-161.E+011.E+021.E+031.E+04Displacementd

7、ose(TeWg)图质/辐照后平均暗电流随位移损伤剂量的变化】从图中可以看出质子辐照后由电离产生的暗电流要人于位移产生的暗电流，并认为位移引起的暗电流与入射粒子破坏能量成正比。利用微量理论研究发现位移损伤主要引起暗电流非均匀性变化和产生热像素。在对位移损伤的退火研究中发现，暗电流的退火行为与点缺陷的行为不一致，而与缺陷团的行为很相似，认为这和缺陷团的退火动力学有关，首先是缺陷团周围的缺陷退火，接着是中间的缺陷，因此随着退火温度有明显的扩散。Magnan在对电离和位移损伤的对比中也发现位移损伤是导致暗电流非均匀性变化的主要原因即1。在低的位移损伤剂量下，质子辐照仅引起暗电流的增加，这是由于在光电

8、二极管耗尽区域和浅沟槽之间的产生复合中心所致。由于质子损伤比较复杂，国内外相应的研究也相对较少，还没有比较明谕的理论。为了进一步研究位移损伤的影响，提出设计电离加固CMOS|冬像传感器是今后研究位移损伤的垂点方向。1.5.3图像传感器的辐照损伤机理电离辐射对MOS器件的损伤，主要是在SiO2；Si界面产生界面态，在SiO2为形成氧化层缺陷电荷，从而对器件造成损伤。在氧化物至非氧化物过渡的区域有氧化不充分或缺氧形成的三Si-Si=弯曲键，同时也有由于热生长过程中形成的三Si-OH键或=Si-H键。当材料器件受到电离辐射时，界面存在的这些弱键就会在电离辐射作用下断裂形成悬挂键，即产生界面态。由于工

9、艺的原因在SiO?层内存在很多点缺陷和杂质，它们分布不均匀，主要集中在距离界面人约1（）（）A的范围内，这也是氧化物电荷主要集中在界面附近的原因。这些缺陷和杂质（空穴缺陷）主要都是施主能级，对电子的结合能不强，主要与空穴相结合。因此，工艺上原因造成的这种空穴缺陷只能俘获空穴，建立正氧化物电荷，这也是辐射建立氧化物正电荷的主要机制。福射建立的氧化层正电荷密度公式表示如11式1四：Qo=aVg（l-epD）（1-1）式中Qo一一辐射建立的氧化层正电荷的面密度；D一一受照剂量；Vg一一辐照时栅偏压；a、p一一与空穴陷阱密度、陷阱宽度、氧化层厚度等有关的参数。可见氧化层电荷的密度与辐照剂量和栅压等是有

10、关的。电离辐射在栅极绝缘层的电极和底层硅之间产生电子空穴对，对于几微米辐照吸收深度葩单元，可以认为每个单元的吸收深度相同。图19所示为氧化物电介质在正负偏压作用下电荷累积产生的结呆图1-9偏压对于MOS辐射诱导电荷运动的影响阴外加偏置时，电子迁移率更人，空穴被缺陷捕获能力加强。因此，加电情况下辐射对CMOS图像传感器损伤会较不加电严重。当栅压为负的时候，空穴会向栅极运动，导致通过陷阱区的空穴数量减少，从而导致氧化层密度下降。当施加正栅压时，电离产生的电子迅速向栅极移动，而空穴缓慢的向界面移动，界面附近的缺陷捕获空穴形成新的缺陷，即氧化层缺陷电荷。新形成的缺陷对界面的电势会有一定的影响，使器件平

11、带电压的漂移卩讥平带电压漂移改变由式12给出】：(1-2)式中x一一栅极之间距离;_一介电常数。因为Q电荷也取决于厚度X,所以口匕取决于X?。从而可以看出薄的氧化物平带电压具有最小的变化。前面已经了解到SiO2层内存在空穴缺陷（施主能级），缺陷捕获空穴是形成正的氧化层电荷的主要原因。Vinccm等人对氧化层电苟对CMOS图像传感器的影响做了实验分析。它们通过实验及物理仿真证实了正陷阱电荷将导致表面耗尽区的宽度延长（a）辐照前（b）辐照后图1-10辐射引起耗尽区扩展示意图X）图中（a）为辐照之前的情况，（b）表示辐照之后正缺陷电荷引起P型区域耗尽区扩展。分析认为耗尽区的扩展是导致光电二极管暗电流

12、步人的主要原因。当高能粒子与半导体材料相互作用时会引起位移损伤。硅是最常用的半导体材料，当它受到高能粒子的作用时，会引起内部晶格的变化。高能粒子的作用引起晶格内原子位移，导致在Si内形成空位间隙原子对，这些新形成的原子对会作为缺陷留在材料内部，从而对半导体器件造成很人的影响。图1-11所示为位移损伤导致空位间隙原子对产生的示意图】。人射粒射粒子空位斥L-H位移损伤引起空位-间隙原子对过程图頊位移损伤在Si内形成空位-间隙原子对，这些原子对作为缺陷留在材料内部会发主奴：合和迁移等运动。受辐射严重的会诱发产生体缺陷，这些缺陷作为新的能级会影响内部电子的运动，使一些电子会跃迁到新的能级，形成载流子的扩散运动*从而引起CMOS器件暗电流増大。在电子和空穴复合过程中*位移缺陷形成的深能级起着台阶的作用：位移缺陷首先俘获非平衡电子（或空穴X然后俘莪空穴（或电子人使对电子-空穴复合:接着能级恢v到初始状态,r至第二次v合开始为H-.当然半导体材料I的缺陷是相当v杂的,仃时是种缺陷,但更多的时候是仃多种缺陷存在:仃的缺略只仃个能级*台的缺陷则存在參个能级;台的能级是有效复合中心,而有的能级则仅仅作为电子或空穴的俘茯中心或缺陷中心。Nf见位移效应是个0杂的过程