CMOS圖像傳感器的輻照損傷機理

1、CMOS圖像傳感器的輻照損傷機理國|Aj秤映研究成果表叩”在電丁和丫射線輻切作川hCMOS圖像傳感器產(chǎn)生電離損傷*主要表現(xiàn)為使成像質(zhì)量下降、暗信號增大等叫5圖1-4給出了1站X1站的？T像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器暗電流隨Y射緩電離吸收ALT；的變化關(guān)系卩譏航圖中I川以frill+丫射線輻切導(dǎo)致圖像傳感器暗電流明顯增大*增大的幅度隨輻照劑;11的增加而增加4輻照.flI通過1(KTC退火I川以便暗電流明H回vt很多研究證明電離損傷主要引起界面的損傷和產(chǎn)生氧化物缺陷電荷”通過退火|、丄消除l4l6fl鳧巴口匸一芒曲no工用0電離損傷使暗信號增人的同時，使圖像傳感器的噪聲、均勻性等參數(shù)發(fā)生漂移，進

2、而使圖像質(zhì)量變差。圖15是BaslerA620f型號CMOS圖像傳感器的圖像隨丫射線劑量的變化“用。圖1-5器件隨總劑量增加暗輸出圖像“引從圖中看出，暗信號隨輻照劑量明顯增人，當(dāng)輻照劑量為104rad時器件均勻性明顯下降。但通過退火有明顯恢復(fù)，并且在退火過程中發(fā)現(xiàn)有“滯后效應(yīng)”存在，之后參數(shù)趨于穩(wěn)定。電離輻射在CMOS圖像傳感器中主要引起的損傷是在SiO?中產(chǎn)生氧化物缺陷電荷和SiO2-Si界面處形成界面態(tài)I。Virmontois通過對O.lSiim匚藝的CMOS圖像傳感器的丫射線輻照實驗證實氧化物缺陷電荷是引起暗電流增人的主要原因，要比界面態(tài)對暗電流的影響高出兩個數(shù)量級。并且通過缺陷密度的提

3、取和TCAD模擬對氧化物缺陷電荷和界面態(tài)的30分鐘等時退火效應(yīng)做了研究，如圖16所示【綱。uo_10eJpD-eDuueun由圖16可以看出隨著退火溫度的升高暗電流逐漸減少，75C時界面態(tài)引起的暗電流(DeltaDit)明顯降低，達到300C時基本消除，而氧化物缺陷電荷引起的暗電流（DelNot）在300C退火后仍殘留30%,可見氧化物缺陷電荷對器件產(chǎn)生的影響較人。對于MOS器件而言，閾值電壓是十分重要的一個參數(shù)，輻照壞境及不同劑量率對器件閾值電壓都會產(chǎn)生不同的影響。張延慶等人對常溫下不同劑量率對NMOS管的閾值電壓漂移情況進行了研究，如圖17所示-2.3制)/$-rad(Si)/s.-7.1

4、rad)/&輻風(fēng)總剤童ir&USi）圖1-7NMOS管在不同劑量率下閾值電壓與輻照總劑量關(guān)系從圖17中可以看出，隨著輻照總劑量的增加閾值電壓會產(chǎn)生漂移，對于NMOS管產(chǎn)生負向漂移，并且隨著輻照總劑量的增加漂移量增人。低劑量率下隨輻照劑量率的增加，閾值電壓漂移量變?nèi)?。并且通過半帶電壓法分離發(fā)現(xiàn)，氧化物缺陷電荷引起NMOS管閾值電壓產(chǎn)生負向漂移，界面態(tài)引起NMOS管閾值電壓正向漂移?？梢妱┝柯蕦OS器件的輻照效應(yīng)會產(chǎn)生不同的影響。此外，劑量率對CMOS圖像傳感器的時間響應(yīng)特性也會產(chǎn)生不同的影響，余學(xué)峰等人實驗發(fā)現(xiàn)低劑量率對器件的時間響應(yīng)特性有較人影響，分析認(rèn)為主要原因可能是低劑量率下產(chǎn)生較多的界

5、面態(tài)導(dǎo)致以】。柵氧化物的厚度對輻照也有一定的影響，薄柵氧化物對高劑量時的電離損傷有一定的抵抗作用1,可以提高在空間的應(yīng)用壽命。輻照時溫度對閾值電壓變化也有較人影響，王劍屏等人研究發(fā)現(xiàn)隨輻照溫度的降低閾值電壓漂移變?nèi)耍瑴囟仍礁哂山缑鎽B(tài)缺陷引起的閾值電壓漂移越人，并證實氧化物缺陷電荷是引起閾值電壓變化的主要原因31。何寶平等人研究了質(zhì)子對CMOS圖像傳感器的輻照效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子在二氧化硅中的沉積能量主要用于電離，并且實驗發(fā)現(xiàn)在（）柵條件下，丫射線、IMeV電子和2-7McV質(zhì)子對CMOS圖像傳感器的電離損傷效應(yīng)可以等效，而在5V柵壓下，能量人于7McV以上質(zhì)子對CMOS圖像傳感器造成的輻照損傷要比Y

6、射線嚴(yán)重a】。1.5.2位移損傷效應(yīng)位移損傷對器件的影響比較復(fù)雜，與電離損傷表現(xiàn)類似但本質(zhì)上有所不同，電離損傷與器件加電情況有關(guān)，位移損傷與是否加電無關(guān)【I。目前，對于位移損傷的研究還沒有形成明確的理論體系，還需要進一步的實驗研究。Ccdric對質(zhì)子和中子對深亞微米技術(shù)生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器的位移損傷效應(yīng)進行了研究。利用普遍損傷因子(UDF)評估位移損傷對平均暗電流的貢獻，如圖所示Experimentalresults1.E-15-Displacementcontributions1.E-131.E-14-1.E-161.E+011.E+021.E+031.E+04Displacementd

7、ose(TeWg)圖質(zhì)/輻照后平均暗電流隨位移損傷劑量的變化】從圖中可以看出質(zhì)子輻照后由電離產(chǎn)生的暗電流要人于位移產(chǎn)生的暗電流，并認(rèn)為位移引起的暗電流與入射粒子破壞能量成正比。利用微量理論研究發(fā)現(xiàn)位移損傷主要引起暗電流非均勻性變化和產(chǎn)生熱像素。在對位移損傷的退火研究中發(fā)現(xiàn)，暗電流的退火行為與點缺陷的行為不一致，而與缺陷團的行為很相似，認(rèn)為這和缺陷團的退火動力學(xué)有關(guān)，首先是缺陷團周圍的缺陷退火，接著是中間的缺陷，因此隨著退火溫度有明顯的擴散。Magnan在對電離和位移損傷的對比中也發(fā)現(xiàn)位移損傷是導(dǎo)致暗電流非均勻性變化的主要原因即1。在低的位移損傷劑量下，質(zhì)子輻照僅引起暗電流的增加，這是由于在光電

8、二極管耗盡區(qū)域和淺溝槽之間的產(chǎn)生復(fù)合中心所致。由于質(zhì)子損傷比較復(fù)雜，國內(nèi)外相應(yīng)的研究也相對較少，還沒有比較明諭的理論。為了進一步研究位移損傷的影響，提出設(shè)計電離加固CMOS|冬像傳感器是今后研究位移損傷的垂點方向。1.5.3圖像傳感器的輻照損傷機理電離輻射對MOS器件的損傷，主要是在SiO2；Si界面產(chǎn)生界面態(tài)，在SiO2為形成氧化層缺陷電荷，從而對器件造成損傷。在氧化物至非氧化物過渡的區(qū)域有氧化不充分或缺氧形成的三Si-Si=彎曲鍵，同時也有由于熱生長過程中形成的三Si-OH鍵或=Si-H鍵。當(dāng)材料器件受到電離輻射時，界面存在的這些弱鍵就會在電離輻射作用下斷裂形成懸掛鍵，即產(chǎn)生界面態(tài)。由于工

9、藝的原因在SiO?層內(nèi)存在很多點缺陷和雜質(zhì)，它們分布不均勻，主要集中在距離界面人約1（）（）A的范圍內(nèi)，這也是氧化物電荷主要集中在界面附近的原因。這些缺陷和雜質(zhì)（空穴缺陷）主要都是施主能級，對電子的結(jié)合能不強，主要與空穴相結(jié)合。因此，工藝上原因造成的這種空穴缺陷只能俘獲空穴，建立正氧化物電荷，這也是輻射建立氧化物正電荷的主要機制。福射建立的氧化層正電荷密度公式表示如11式1四：Qo=aVg（l-epD）（1-1）式中Qo一一輻射建立的氧化層正電荷的面密度；D一一受照劑量；Vg一一輻照時柵偏壓；a、p一一與空穴陷阱密度、陷阱寬度、氧化層厚度等有關(guān)的參數(shù)?？梢娧趸瘜与姾傻拿芏扰c輻照劑量和柵壓等是有

10、關(guān)的。電離輻射在柵極絕緣層的電極和底層硅之間產(chǎn)生電子空穴對，對于幾微米輻照吸收深度葩單元，可以認(rèn)為每個單元的吸收深度相同。圖19所示為氧化物電介質(zhì)在正負偏壓作用下電荷累積產(chǎn)生的結(jié)呆圖1-9偏壓對于MOS輻射誘導(dǎo)電荷運動的影響陰外加偏置時，電子遷移率更人，空穴被缺陷捕獲能力加強。因此，加電情況下輻射對CMOS圖像傳感器損傷會較不加電嚴(yán)重。當(dāng)柵壓為負的時候，空穴會向柵極運動，導(dǎo)致通過陷阱區(qū)的空穴數(shù)量減少，從而導(dǎo)致氧化層密度下降。當(dāng)施加正柵壓時，電離產(chǎn)生的電子迅速向柵極移動，而空穴緩慢的向界面移動，界面附近的缺陷捕獲空穴形成新的缺陷，即氧化層缺陷電荷。新形成的缺陷對界面的電勢會有一定的影響，使器件平

11、帶電壓的漂移卩譏平帶電壓漂移改變由式12給出】：(1-2)式中x一一柵極之間距離;_一介電常數(shù)。因為Q電荷也取決于厚度X,所以口匕取決于X?。從而可以看出薄的氧化物平帶電壓具有最小的變化。前面已經(jīng)了解到SiO2層內(nèi)存在空穴缺陷（施主能級），缺陷捕獲空穴是形成正的氧化層電荷的主要原因。Vinccm等人對氧化層電茍對CMOS圖像傳感器的影響做了實驗分析。它們通過實驗及物理仿真證實了正陷阱電荷將導(dǎo)致表面耗盡區(qū)的寬度延長（a）輻照前（b）輻照后圖1-10輻射引起耗盡區(qū)擴展示意圖X）圖中（a）為輻照之前的情況，（b）表示輻照之后正缺陷電荷引起P型區(qū)域耗盡區(qū)擴展。分析認(rèn)為耗盡區(qū)的擴展是導(dǎo)致光電二極管暗電流

12、步人的主要原因。當(dāng)高能粒子與半導(dǎo)體材料相互作用時會引起位移損傷。硅是最常用的半導(dǎo)體材料，當(dāng)它受到高能粒子的作用時，會引起內(nèi)部晶格的變化。高能粒子的作用引起晶格內(nèi)原子位移，導(dǎo)致在Si內(nèi)形成空位間隙原子對，這些新形成的原子對會作為缺陷留在材料內(nèi)部，從而對半導(dǎo)體器件造成很人的影響。圖1-11所示為位移損傷導(dǎo)致空位間隙原子對產(chǎn)生的示意圖】。人射粒射粒子空位斥L-H位移損傷引起空位-間隙原子對過程圖頊位移損傷在Si內(nèi)形成空位-間隙原子對，這些原子對作為缺陷留在材料內(nèi)部會發(fā)主奴：合和遷移等運動。受輻射嚴(yán)重的會誘發(fā)產(chǎn)生體缺陷，這些缺陷作為新的能級會影響內(nèi)部電子的運動，使一些電子會躍遷到新的能級，形成載流子的擴散運動*從而引起CMOS器件暗電流増大。在電子和空穴復(fù)合過程中*位移缺陷形成的深能級起著臺階的作用：位移缺陷首先俘獲非平衡電子（或空穴X然后俘莪空穴（或電子人使對電子-空穴復(fù)合:接著能級恢v到初始狀態(tài),r至第二次v合開始為H-.當(dāng)然半導(dǎo)體材料I的缺陷是相當(dāng)v雜的,仃時是種缺陷,但更多的時候是仃多種缺陷存在:仃的缺略只仃個能級*臺的缺陷則存在參個能級;臺的能級是有效復(fù)合中心,而有的能級則僅僅作為電子或空穴的俘茯中心或缺陷中心。Nf見位移效應(yīng)是個0雜的過程