CMOS有源像素图像传感器的成像原理分析.pdf

今天，互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器（CIS），又称有源像素传感器（APS），是最流行的成像技术，每年生产数十亿种图像传感器，它们占成像仪市场的90%左右，几年内应该超过95%。。与电荷耦合器件（CCD）的主要替代成像技术相比，CISS具有功耗低、集成度高、速度快和集成芯片（甚至像素内部）先进CMOS功能的能力等主要优点。由于最新的技术创新，CISS目前，在图像质量和灵敏度方面与CCD的性能相匹配，甚至在数字单透镜反射、科学仪器和机器视觉等高端应用中也处于领先地位。由于这些优点，CISS还可用于恶劣的辐射环境中的应用，例如：空间应用、X射线医学成像、电子显微镜、核设施监测和远程处理（核电厂、核废物储存库、核物理设施…）、粒子检测和成像。军事应用等。设计、加固和测试此类应用的传感器需要了解暴露于辐射源时的CIS行为。自发明以来，进一步了解和提高APS固有良好的辐射硬度一直是人们感兴趣的话题。与旧的相比，随着CIS技术的深入发展（如本文所讨论的）带来的新行为的出现，这种兴趣也在不断增加。早期工作中使用的R代主流CMOS工艺。

 

本章的目的是概述当暴露在高能粒子辐射场中时，可经受现代顺式结构的寄生效应。

 

APS、CIS和单片有源像素传感器（MAPS）指定了相同类型的CMOS集成电路（IC）：一个像素阵列，每个像素内有一个光电探测器和一个放大器。根据社区的不同，可以优先使用其中一个名称。APS是一个通用术语，CIS主要用于成像应用，而MAPS是粒子检测领域的主要术语，与混合检测器相比，它强调了设备的整体性。在大多数情况下，CIS是一种使用为成像应用优化的CMOS工艺（称为CIS工艺）制造的APS，而MAPS通常使用标准或高压CMOS工艺制造，其主要用途不是光学成像，而是高能粒子检测（和成像）。从辐射效应来看从本质上讲，如果光电探测器技术相同，MAPS和CIS之间就没有本质上的区别。这意味着，尽管本章关注的是独联体，但本文所讨论的大部分内容都适用于这两个传感器系列。

 

本章使用以下辐射效应概念来描述高能粒子对顺式的影响。请读者阅读本书的第一章或本节中给出的参考文献，了解这些定义、机制和属性的起源和局限性。

 

当穿过构成IC的材料层时，电离粒子（例如高能光子（x和γ射线）和带电粒子（电子、质子、重离子…）通过产生电子-空穴对而损失大部分能量。这种过量的电荷载流子可以通过诱发单事件效应（见〔16〕（及其参考文献）或总电离剂量（TID）效应来干扰或损坏IC。当单个粒子产生的电子空穴对足以干扰或损坏IC时，就会发生SEE，而TID效应是电离辐射累积暴露的结果。

 

TId（或吸收剂量）表示通过电离作用传递给每单位质量物质的平均能量，这里用Gy（SiO2）（即1J或每千克SiO2的能量）1，2表示。在医疗和航天应用中，电子电路吸收的电离辐射剂量通常低于100Gy-1KGy，而mGy在在电子显微镜或核和粒子物理实验中可以达到锗。通过本章，读者应记住，被吸收的TId会导致电介质中捕获的正电荷的积聚，在Si/氧化物界面上形成界面状态，并且这些缺陷密度随着TId的增加而增加。有关TID影响的详细审查，请参阅。

 

高能粒子也可以通过非电离相互作用在物质中失去能量。这些相互作用可以概括为与原子核的直接相互作用，它们通常导致原子核的位移。与电介质中主要关注的TID效应相反，原子位移主要是电路中晶体硅部分的问题。与辐射引起的原子位移有关的效应称为位移损伤效应，通过非电离相互作用传递给每单位质量物质的平均能量称为位移损伤剂量（dd）（通常以ev/g（si）表示）。需要注意的是，dd导致硅中缺陷的产生。晶格，可以作为肖克利读取霍尔（SRH）生成/复合中心或SRH载流子陷阱。这些缺陷可以以点状缺陷的形式出现在晶格中，也可以以簇状缺陷（也称为非晶态夹杂）的形式出现。综述了讨论dd概念（尤其是非电离能量损失（NIEL）概念）的起源和局限性的位移损伤效应。