电子轰击引起CMOS图像传感器增益衰减研究

闫磊，石峰，程宏昌，苗壮，杨晔，樊海波，韩剑，焦岗成; YAN Lei; SHI Feng; CHENG Hongchang; MIAO Zhuang; YANG Ye; FAN Haibo; HAN Jian; JIAO Gangcheng

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1. 微光夜视技术重点实验室，陕西西安 710065； 2. 昆明物理研究所，云南昆明 650223

中图分类号： TN914

最近更新：2025-01-07

DOI：10.11805/TKYDA2023131

摘要

为探究氧化铝钝化层结构的CMOS图像传感器在较高电流密度的电子轰击后电子倍增系数减小问题，本文模拟氧化铝钝化层CMOS图像传感器制备工艺方法。在晶向为(100)，掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3的P型硅表面制备氧化铝钝化层，模拟电子束轰击CMOS图像传感器的条件，对制备P型硅样品表面进行轰击，并利用高频C-U测试装置对该样品轰击前、后的高频C-U曲线进行测试。根据测试数据及SRH理论和少数载流子输运方程分析，得出电子轰击引起该型图像传感器钝化层内部正电荷沉积，以及硅界面缺陷态密度增加，是引起其电子倍增系数减小的内在原因。

关键词

电子轰击(EBCMOS); 氧化铝钝化层; 暗电流; 电子倍增系数; 图像传感器

微光图像数字化是微光夜视技术的发展趋势^[

1-4]，电子轰击互补金属氧化物半导体(Electron Bombardment Complementary Metal Oxide Semiconductor，EBCMOS)器件探测器是将真空光电器件与CMOS图像传感器相结合的一种新型的光电探测器，兼具真空像增强器和CMOS图像传感器的优点，代表了真空器件未来的发展方向，在国外已广泛用于军事、天文及生物细胞研究等领域^{[参考文献 5-6}5-6]。具有电子倍增特性的CMOS图像传感器是EBCMOS器件的核心部件，直接影响电子轰击有源像素传感器(Electrons Bombard Active Pixel Sensor，EBAPS)探测器的成像质量^{[参考文献 7

百度学术}7]。

受国外技术封锁，国内关于电子倍增特性的CMOS图像传感器研究尚处于起步阶段。昆明物理研究所前期研究发现，具有氧化铝钝化层的背照式CMOS图像传感器具有较好的电子倍增特性^[

8-9]，但该型样品在较大电流密度电子长时间轰击后，会出现暗电流增加，电子倍增特性衰减等问题，影响其在微光环境中的探测性能。高能射线或离子在轰击氧化层时会产生氧化物正电荷^{[参考文献 10-11}10-11]，但轰击能量在1.5 keV内，轰击电流密度在2 μA/cm²内的电子轰击后氧化层的损伤机制尚不清楚。为探究电子轰击后引起暗电流、电子倍增特性衰减现象的内在原因，本文模拟氧化铝钝化层CMOS图像传感器制备工艺方法，在晶向为(100)，掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3的P型硅表面制备氧化铝钝化层，模拟其电子轰击条件对制备样品进行电子轰击和测试分析，并基于SRH理论和少数载流子输运方程分析得出，界面缺陷态及固定沉积电荷增加是造成暗电流、电子倍增特性发生变化的内在原因。

1 电子轰击对氧化铝钝化层CMOS图像传感器倍增性能影响实验

1.1 实验装置

采用的实验装置为自主研制的低能电子轰击CMOS图像传感器测试设备，如图1所示。实验选用的CMOS图像传感器为前期研发的具有电子倍增特性的CMOS图像传感器^[

8]，其钝化层为氧化铝。

图1 低能电子轰击CMOS图像传感器测试设备

Fig.1 Low energy electron bombardment CMOS image sensor testing equipment

测量原理为：将待测试的CMOS图像传感器安装在真空腔室内部，通过真空除气处理将真空腔室内部真空度提高至5×10^-8 Pa以上，使CMOS图像传感器所处状态尽可能接近其在EBCMOS内部工作的状态；待真空腔室内部真空度达到设定要求后，按图1连接所示，开启紫外灯光，使紫外光经过石英玻璃观察窗进入真空腔室内部，紫外光可在微通道板(Microchannel Plate，MCP)表面激发产生自由电子，其激发的光电子在多级联MCP倍增后形成轰击电子束源，通过调节多级连MCP倍增电压和输出电压参数，可实时调控入射到CMOS图像传感器表面的电子束密度和轰击能量；在电子束轰击CMOS图像传感器时，通过成像测试板监测CMOS图像传感器的轰击电子数量和输出视频图像灰度值，并根据灰度值确定电子倍增系数，轰击停止后，按照CMOS暗电流测试方法，获得暗电流参数。

1.2 电子轰击引起CMOS图像传感器电子倍增性能变化

本次轰击实验的电子束密度和轰击能量均模拟EBCMOS的常规工作条件：a) 模拟10^-4~10^-2 lx夜天光照度，等效电子密度为0.2~20 nA·cm^-2；b) 模拟夜天光条件下强点光源，点光源等效照度为10^-1~10⁰lx，等效电子密度为200~2 000 nA·cm^-2，工作电压在1.5 kV以内。图2为低能电子轰击CMOS图像传感器测试设备在电子轰击过程中测得的视频输出图像。

图2 电子轰击视频输出图像

Fig.2 Output image of electronic bombardment video

根据图2视频图像灰度值，依据入射到CMOS图像传感器表面电子束密度，以及CMOS图像传感器电子与输出灰度之间的转换系数，可求得电子轰击后电子倍增系数、暗电流参数与轰击电子间的变化关系。根据测试数据，当电流密度较小时，其倍增特性成线性变化；当电流密度较大时，其倍增系数在极短时间内大幅度下降。本文统计了15只EBCMOS，以对应变化率最大值作为统计数据，其变化如表1所示。

表1 电子轰击后CMOS图像传感器电子倍增系数及暗电流

Table1 Electron multiplication coefficients and dark current of CMOS image sensors after electron bombardment

S/N	bombard electrons/(nA·cm^-2)	bombardment duration/h	change rate of multiplication factor/%	dark current change rate/%
1	0.2	1	-0.3	0.6
2	2	1	-13.1	4.3
3	20	1	-18.5	10.4
4	200	0.5	-23.3	11.7
5	2000	0.005	-85.7	-40.0

表1中，变化率为正，表示其相对于初始值增加；变化率为负，表示其相对于初始值减小。根据表1，在1×10^-2lx照度等效条件下，随着电子轰击时间增加，CMOS图像传感器电子倍增系数减小，暗电流增加；当出现强点光源时，电子倍增系数急剧下降，暗电流也减小。

1.3 电子轰击引起倍增系数衰减影响因素分析

为分析电子轰击引起CMOS图像传感器倍增系数和暗电流变化的内在原因，特利用CASINO软件对入射电子在钝化层内部的运动轨迹进行仿真研究，设置入射电子数量为10 000个，仿真结果如图3所示。

图3 电子轨迹仿真

Fig.3 Simulation of electronic trajectory

根据仿真结果，入射电子作用范围为氧化铝钝化层，以及10 nm的硅衬底。另外，高能电子轰击入射可能会产生X射线，其也是潜在的影响因素。通过理论分析，电子轰击硅衬底，以及潜在的X射线发射不是引起电子倍增系数和暗电流变化的主要因素，其核心因素为电子轰击引起钝化层变化。分析过程如下：

1) 电子轰击诱发X射线分析

高能电子轰击硅材料时，会产生软X射线，N E Howard给出了电子轰击硅基材料时X射线发生率^[

9]：

η_{x - r a y} = 1.31 \times 10^{- 5} {(E_{b e a m} - 1.839)}^{1.602}

(1)

式中： $η_{x - r a y}$ 为X射线产生几率；E_beam为入射电子能量；

根据式(1)，只有入射电子能量超过1.8 keV时，才会产生软X射线。对于能量为1.5 keV左右的低能入射电子，非弹性散射中等离子体激发和单电子激发中的导带电子激发为主要机制^[

12]。本实验设计入射电子能量为 1.5 keV以内，小于X射线产生阈值，电子轰击主要是引起等离子体和单电子激发。

2) 电子轰击引起硅衬底变化

硅材料内部缺陷增加主要是由于位移损伤效应^[

12]。在入射电子的轰击下，半导体晶格中的原子可能会因为受到撞击而离开晶格位置，在衬底中形成缺陷。晶格原子的位移阈值能量E_d描述晶体受辐照损伤的难易程度，E_d取决于晶体结构/掺杂等情况。对于硅和锗等四面键合结构，Baiierlein和Sigmund给出了E_d=6~16 eV的结果，E_d的取值范围在6~16 eV之间^{[参考文献 13

百度学术}13]。

入射电子能量为1 keV时，根据动量守恒，电子与硅原子碰撞后，向硅原子传递能量约为0.1 eV，该值远小于晶格原子位移损伤的阈值能量。

2 电子轰击等效测试样品及实验测试

2.1 等效测试样品制备

为探究钝化层界面具体变化，模拟APS图像传感器钝化层制备工艺，基于P型硅完成测试样品制备。为保证测试样品结果对实际器件具有较好的指导价值，在进行样品制备时，选定P型硅掺杂浓度与CMOS图像传感器衬底浓度一致，为10¹⁸ cm^-3硼掺杂，钝化层选取氧化铝膜，厚度设计为10 nm，样品结构示意图如图4所示。

图4 测试样品示意图

Fig.4 Schematic diagram of test samples

2.2 样品测试分析

选用KEYSIGHT B1505A型半导体作为测试设备，频率为3 MHz，测量结果如图5所示。其中1#样品对应未电子轰击样品，2#样品为等效5 lx照度条件轰击后样品，3#样品对应10^-3 lx照度条件轰击72 h样品。由图5可见，2#样品相对于1#样品曲线畸变，且左移；3#样品相对于1#样品发生明显畸变，根据高频C-U曲线位置和形状与钝化层电荷、界面缺陷对应关系，可估算出3#样品钝化层沉积正电荷，且界面态密度增加，2#样品主要为界面缺陷增加。

图5 测试C-U曲线与理论C-U曲线

Fig.5 Measured C-U curve and theoretical C-U curve

为获得电子轰击引起钝化层内部变化的详细数据，本文基于理想高频C-U曲线计算方法以及Terman法对界面缺陷和沉积电荷情况进行分析。

对于理想硅衬底的金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)结构，硅衬底的电容为^[

13]：

C_{s} = \frac{ε_{s}}{L_{D}} \times \frac{\{[- e x p (- \frac{q U_{s}}{k T}) + 1] + \frac{n_{0}}{p_{0}} [- e x p (\frac{q U_{s}}{k T}) - 1]\}}{F (\frac{q U_{s}}{K T}, \frac{n_{0}}{p_{0}})}

(2)

式中： $ε_{s}$ 为P型硅的介电常数；L_D为德拜长度；U_s为表面电势；k为玻兹曼常数；T为绝对温度；q为电子电

量；n₀为少子浓度；p₀为多子浓度。

F (\frac{q U_{s}}{K T}, \frac{n_{0}}{p_{0}}) = {[(e^{- \frac{q U_{S}}{k T}} + \frac{q U_{s}}{k T} - 1) + \frac{n_{0}}{p_{0}} (e^{\frac{q U_{S}}{k T}} - \frac{q U_{s}}{k T} - 1)]}^{1 / 2}

(3)

MOS结构器件总的电容为：

C = \frac{1}{\frac{1}{C_{0}} + \frac{1}{C_{s}}}

(4)

式中C₀为钝化层电容。

根据式(2)~(4)，可求得样品理想高频C-U曲线，如图6所示。

图6 实测C-U曲线与理论C-U曲线

Fig.6 Measured C-U curve and theoretical CV curve

通过求解平带电压，获得2#样品平带电压为-0.01 V，3#样品平带电压为-0.07 V。

根据Term法^[

14]，对理想器件，C_s随表面势的变化己知。从理想的MOS高频C-U曲线，找出给定Ｃ下的U_s，然后从实验曲线上找出相应相同C的U_s，给出U_s-‍U_G曲线的一个点。对其他点重复此操作，直到形成满意的U_s-

U_{G}

曲线。从这个曲线确定界面陷阱密度：

D_{i t} = \frac{C_{0}}{q} (\frac{d U_{G}}{d U_{s}} - 1) - \frac{C_{s}}{q} = \frac{C_{0}}{q} \times \frac{d ∆ U_{G}}{d U_{s}}

(5)

式中U_G为栅电压。

根据式(5)，得出2个样品界面缺陷密度分布趋势一致，如图7所示。

图7 电子轰击引起界面缺陷增加曲线

Fig.7 Interface defect increase curve caused by electron bombardment

2.3 界面缺陷及电荷沉积对CMOS图像传感器电子倍增特性影响

根据半导体载流子扩散、漂移模型，电子的电流密度为^[

13]：

J_{n} = J_{n p} + J_{n k} = q n μ_{n} E + q D_{n} \frac{d n}{d x}

(6)

式中： $J_{n p}$ 为漂移电流； $J_{n k}$ 为扩散电流； $n$ 为载流子浓度； $μ_{n}$ 为电子迁移速率； $D_{n}$ 为电子扩散系数。

根据爱因斯坦关系式， $μ_{n}$ 和 $D_{n}$ 满足式(7)^[

13-14]：

\frac{D_{n}}{μ_{n}} = \frac{k_{0} T}{q}

(7)

少子迁移率模型包含了晶格散射(Lattice Scattering)、杂质散射(Impurity Scattering)以及载流子之间的散射(Carrier-Carrier Scattering)的作用，表达式为^[

15]：

μ_{n} = μ_{n}^{L} [\frac{1.025}{1 + {(S_{n, p} / 1.68)}^{1.43}} - 0.025]

(8)

式中：

S_{n, p} = \sqrt[]{\frac{6 μ_{n, p}^{L} (μ_{n}^{I} + μ_{n}^{C C S})}{μ_{n}^{I} μ_{n}^{C C S}}}

(9)

晶格散射对迁移率的影响可以表示为：

μ_{n}^{L} = μ_{n}^{0} {(T / 300)}^{- a_{n}}

(10)

对于硅材料， $a_{n}$ =2.2， $μ_{n}^{0}$ =1 430 cm²/(V·s)。

杂质散射对迁移率的影响则为：

μ_{n}^{I} = \frac{A_{n} T^{3 / 2}}{N} {[l n (1 + \frac{B_{n}^{2}}{N}) - \frac{B_{n}^{2}}{N + B_{n}^{2}}]}^{- 1}

(11)

式中： $A_{n}$ =4.61×10¹⁷ cm^-1/(k^3/2·V·s)； $B_{n}$ =1.52×10¹⁵ cm^-3/2；N为有效掺杂浓度。

载流子之间的散射对迁移率的影响为：

μ_{n}^{C C S} = \frac{2 \times 10^{17}}{\sqrt[]{p n}} T^{3 / 2} {[l n (1 + \frac{8.28 \times 10^{8}}{\sqrt[3]{p n}} T^{2})]}^{- 1}

(12)

将式(7)~(12)代入式(6)，可求得，当表面势为正(即存在正电荷沉积)，且U_s≥0.04 V时，对于表面掺杂浓度为10¹⁸ cm^-3P型硅，势垒区宽度约为6 nm。势垒区内部，漂移大于扩散，即势垒区电子无法输运至P型硅内部，该结果与5 lx等效强点光源轰击后实验结果一致。

当表面势较小时(U_s＜0.04 V)，表层扩散大于漂移，根据Shockley-Read-Hall理论，因缺陷态引起的载流子产生率为：

U_{i} = n_{i}^{2} \times υ_{t h} σ_{n} σ_{p} \times \{\int_{E v}^{E c} \frac{D_{A} (E)}{σ_{n} (n + n_{1}) + σ_{p} (p + p_{1})} d E + \int_{E v}^{E c} \frac{D_{D} (E)}{σ_{p} (n + n_{1}) + σ_{n} (p + p_{1})} d E\}

(13)

式中：σ_n为电子俘获截面；σ_p为空穴俘获截面；υ_th为电子或空穴的热速度(假设这2个参数数值相同)； $D_{A} (E)$ 、 $D_{D} (E)$ 为施主和受主缺陷态密度；n_i为本征载流子浓度；Ec为导带能级；Ev为价带能级。根据文献[

15]，硅的(100)面，σ_p=4.3×10^-16 cm²，σ_n=8.1×10^-16 cm²，

υ_{t h}

=10⁷ cm/s；硅的(111)面，σ_p=2.2×10^-16 cm²，σ_n=5.9×10^-16 cm²。本实验硅衬底为(100)面，故选择σ_p=4.3×10^-16 cm²，σ_n=8.1×10^-16 cm²，初始缺陷态密度设置为1×10¹² cm^-2。

表2为缺陷态密度对倍增系数和暗电流的影响关系。从表2可知，表面势垒较小(0.01 V)时，缺陷态密度增加，电子倍增系数减小，暗电流增加，该结果与表1趋势一致。根据上述计算，进一步验证了电子轰击引起界面缺陷态增加，以及电荷沉积是造成氧化铝钝化层先进摄影系统(Advanced Photo System，APS)图像传感器电子倍增系数、暗电流变化的内在原因。

表2 缺陷态密度对倍增系数和暗电流影响关系

Table2 Effect of defect density of states on multiplication coefficient and dark current

	defect density/(×10¹²cm^-2)	change rate of multiplication factor/%	change rate of dark current/%
1	5	-0.5	1.0
2	10	-9.5	6.5
3	15	-21.5	15.1

3 结论

根据本文研究结果，对于氧化铝钝化层CMOS图像传感器，在能量为1.5 keV以内，电流为4 nA电子束长时间轰击后，钝化层与硅衬底界面缺陷态密度会增加。当电流增加至2 μA时，不仅会使钝化层与硅衬底界面缺陷态密度增加，还会诱导产生正电荷积累，进而严重影响APS图像传感器的电子倍增特性。为保证氧化铝钝化层APS图像传感器具有较为稳定的电子倍增特性，需控制轰击CMOS图像传感器表面的电流值。

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