总剂量效应对CMOS图像传感器中光电二极管钳位电压的影响

钳位电压(Vpin)是影响CMOS图像传感器(CIS)中钳位光电二极管(PPD)电荷转移效率和满阱电荷容量的关键物理量.在辐照条件下,Vpin受辐射总剂量(TID)增加而升高,因此研究其机理对抗辐照CIS的设计有重要意义.文章利用TCAD仿真软件分析了 CIS器件的电学特性,研究了 Vpin受TID影响的机理.结果表明,当辐照引起的氧化物陷阱电荷浓度达到3×1016 cm-3时,浅沟槽隔离(STI)附近的耗尽区将PPD中的pin层与地极电学隔离,从而导致pin层电势易受到传输晶体管TG沟道电势影响而增加,使得相同电子注入条件下PPD可存储的电子增多,复位所需电压增大,导致Vpin随着辐射总剂量增加而增大.     

不同偏置下CCD器件γ射线及质子辐射研究

电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器,在空间应用环境下受辐射效应作用导致CCD性能退化甚至失效。对于CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究,辐照试验中CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感,因此针对CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁,开展不同辐照偏置下CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟CCD器件,开展不同偏置条件下的γ射线和质子辐照试验,获得了CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应,位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对CCD辐射效应的影响机制。研究表明,γ射线辐照下CCD的偏置产生重要影响,质子辐照下没有明显的偏置效应。根据CCD结构和辐照后的退火试验结果,对CCD的辐射效应损伤机理进行分析。     

体效应对超深亚微米SOI器件总剂量效应的影响

研究体偏置效应对超深亚微米绝缘体上硅（SOI,Silicon-on-insulator）器件总剂量效应的影响.在TG偏置下,辐照130nm PD（部分耗尽,partially depleted）SOI NMOSFET（N型金属-氧化物半导体场效应晶体管,n-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）器件,监测辐照前后在不同体偏压下器件的电学参数.短沟道器件受到总剂量辐照影响更敏感,且宽长比越大,辐射导致的器件损伤亦更大.在辐射一定剂量后,部分耗尽器件将转变为全耗尽器件,并且可以观察到辐射诱导的耦合效应.对于10μm/0.35μm的器件,辐照后出现了明显的阈值电压漂移和大的泄漏电流.辐照前体偏压为负时的转移特性曲线相比于体电压为零时发生了正向漂移.当体电压Vb=-1.1V时部分耗尽器件变为全耗尽器件,|Vb|的继续增加无法导致耗尽区宽度的继续增加,说明体区负偏压已经无法实现耗尽区宽度的调制,因此器件的转移特性曲线也没有出现类似辐照前的正向漂移.     

γ辐照导致中波碲镉汞光伏器件暗电流退化的机理研究

针对红外探测器在空间应用中受到高能粒子辐照后暗电流退化的问题,开展射线对中波碲镉汞（HgCdTe）光伏器件暗电流影响的研究。在室温和77 K温度下,利用60Co-射线对HgCdTe器件进行辐照试验,辐照试验结束后对低温辐照器件进行77 K低温退火和室温退火。通过比较辐照前后和退火后器件的I-V特性、R-V特性和零偏动态电阻R0参数,分析了辐照对HgCdTe器件暗电流的影响机制。试验结果表明:在总剂量为7 Mrad（Si）照条件下,器件暗电流未出现明显的退化;在77 K温度辐照条件下,器件暗电流随着总剂量的增加而增加,且暗电流退化幅度与辐照过程中的偏置有关。研究表明暗电流的退化源于辐照在器件中造成电离损伤,导致器件HgCdTe化层中的界面态和空穴陷阱电荷密度增加。     

星用CMOS器件辐照损伤和退火效应研究

文章研究了ＣＭＯＳ器件＾６０Ｃｏγ射线的总剂量辐照实验以及辐照后在１００℃温度场下的退火效应。实验发现,辐照后,器件在加温和加偏条件下,可以加速ｎ沟器件界面态的增长和氧化物陷阱电的退火,而加温浮空偏置条件下有利于ｎ沟器件界面态的退火,但在１００℃温度场中,两种偏置条件都有利于ｐ沟器件氧化物陷阱电荷和界面的退火。     

一种用于优化小尺寸背照式CMOS图像传感器满阱容量与量子效率的新型光电二极管结构

为改善小尺寸背照式CMOS图像传感器像素单元满阱容量不足缺点,本文基于提高光电二极管电容的角度,提出了一种通过改变光电二极管结构来提升满阱容量的新方法。该结构优化由两步实现。第一步,通过在传统光电二极管N型区域下额外注入高能量、低剂量N型掺杂,形成一个浓度渐变,深度扩展的新光电二极管N型区。这种光电二极管的满阱容量将因侧壁结电容的扩展而显著提高;第二步,为了帮助扩展的阱容量实现全耗尽,一个由两步不同能量的P型杂质形成的P型插入区被嵌入到深度得以扩展的光电二极管N型区域内。这个纵向插入的P型插入区保证了该光电二极管结构可以在复位完成后实现电子的全耗尽。仿真结果显示,像素单元满阱容量可以由初始的1289e- 提升到6390e-,且该阱容量扩展技术不会以恶化图像拖尾为代价。除此之外,量子效率在全波段下均得以提升,尤其在520nm处提升6.3%。这项改进不仅可以用于背照式像素结构,而且可以被用于任何PD型正面照射式像素结构中。     

CCD表面暗电流特性研究

针对电荷耦合器件表面暗电流的温度特性和辐照特性进行了研究。研究结果表明,在不同温度下,表面暗电流不仅是CCD总暗电流的主要来源,且是CCD暗电流非均匀性的主要影响因素;CCD栅介质的硅-二氧化硅界面态密度随辐照剂量的增加而增加,导致CCD表面暗电流显著增加,是CCD经辐照后暗电流变大的主要影响因素。     

CMOS图像传感器总剂量辐照效应及加固技术研究进展

CMOS图像传感器(CIS)在空间辐射或核辐射环境中应用时,均会受到总剂量辐照损伤的影响,严重时甚至导致器件功能失效.文章从微米、超深亚微米到纳米尺度的不同CIS生产工艺、从3T PD(Photodiode)到4T PPD(Pinned Photodiode)的不同CIS像元结构、从局部氧化物隔离技术(LOCOS)到浅槽隔离(STI)的不同CIS隔离氧化层等方面,综述了CIS总剂量辐照效应研究进展.从CIS器件工艺结构、工作模式和读出电路加固设计等方面简要介绍了CIS抗辐射加固技术研究进展.分析总结了目前CIS总剂量辐照效应及加固技术研究中亟待解决的关键技术问题,为今后深入开展相关研究提供理论指导.     

电离辐射对Si_3N_4/SiO_2/Si双界面系统的作用

采用氩离子刻蚀XPS(X光激发电子能谱)分析对S i3N4/S iO2/S i双界面系统进行了电离辐照剖面分析。实验结果表明:电离辐照能将S iO2和S i构成的界面区中心向S i3N4/S iO2界面方向推移,同时S iO2/S i界面区亦被电离辐照展宽。在同样偏置电场中辐照,随着辐照剂量的增加电离辐照相当程度地减少位于S iO2/S i界面区S i3N4态(结合能B.E.101.8 eV)S i的浓度。同时辐照中所施偏置电场对S iO2/S i界面区S i3N4态键断开有显著作用。文中就实验现象的机制进行了初步探讨。     

不同结构nMOS管的总剂量辐射效应北大核心CSCD

X射线直接成像的CMOS图像传感器由于工作在X射线辐射下,其内部器件会因为辐射效应引起性能恶化,因此需要对器件进行抗辐射加固并研究辐射对器件参数的影响。辐射导致的氧化物陷阱电荷及界面陷阱电荷受到栅氧厚度、偏置电压大小、辐射总剂量以及剂量率等多种因素影响。设计了n型场效应晶体管辐射加固结构版图,用0.5μm CMOS工艺流片,并进行了30 kGy(Si)的总剂量辐照效应实验。实验结果显示,所设计的n型场效应晶体管在辐射之后漏电流有所增加、跨导减小、阈值电压向负向漂移;辐射加固晶体管在漏电流性能上较未加固晶体管更好,在跨导改变和阈值电压漂移上未能表现出其更优的性能。     

Application of Plasma-Doping (PLAD) Technique to Reduce Dark Current of CMOS Image Sensors

Plasma doping (PLAD) was applied to reduce the dark current of CMOS image sensor (CIS), for the first time. PLAD was employed around shallow trench isolation (STI) to screen the defective sidewalls and edges of STI from the depletion region of photodiode. This technique can provide not only shallow but also conformal doping around the STI, making it a suitable doping technique for pinning purposes for CISs with sub-2-mum pixel pitch. The measured results show that temporal noise and dark signal deviation as well as dark level decrease     

CMOS图像传感器电子辐照实验的研究

研究了电子辐射剂量对CMOS图像传感器性能的影响,性能参数为平均暗电流输出和光强响应度。搭建了电子辐射场和光强响应度的测量系统,在器件处于工作状态和非工作状态下分别对其辐射,辐射剂量为:5103 rad、1104 rad、7104 rad、1105 rad、5105 rad。对于暗电流,当辐射总剂量超过7104 rad~1105 rad之间的某一个阈值时,暗电流随着辐射剂量的增长基本呈线性增加;光强响应方面,当器件处于非工作状态接受辐射时,辐射剂量对光强响应影响不大;当器件处于工作状态接受辐射时,辐射剂量超过7104 rad,光强响应曲线会下移,斜率减小,灵敏度降低。理论分析后,得到了暗电流随电子辐射剂量的变化模型。研究表明:长期工作于空间环境下的CMOS图像传感器,容易受到辐射总剂量效应的影响,需采取一定的防辐射措施。     

总剂量辐照对65 nm NMOSFET热载流子敏感参数的影响

为了研究总剂量辐射对纳米MOS晶体管热载流子效应的影响,对65 nm 体硅工艺的NMOS器件进行了总剂量辐射和热载流子试验,对比了辐射前后不同宽长比器件的跨导、栅极泄漏电流、线性饱和电流等电参数。结果表明,MOS器件的沟道宽度越窄,热载流子效应受辐射的影响越显著,总剂量辐射后热载流子效应对器件的损伤增强。分析认为,辐射在STI中引入的陷阱电荷是导致以上现象的主要原因。该研究结果为辐射环境下器件的可靠性评估提供了依据。     

超深亚微米SOI总剂量效应泄漏电流模型

总剂量辐射效应会导致绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SOI MOSFET)器件的阈值电压漂移、泄漏电流增大等退化特性。浅沟槽隔离(STI)漏电是器件退化的主要因素,会形成漏极到源极的寄生晶体管。针对130 nm部分耗尽(PD) SOI NMOSFET器件的总剂量辐射退化特性,建立了一个包含总剂量辐射效应的通用模拟电路仿真器(SPICE)模型。在BSIM SOI标准工艺集约模型的基础上,增加了STI寄生晶体管泄漏电流模型,并考虑了辐射陷阱电荷引起寄生晶体管的等效栅宽和栅氧厚度的变化。通过与不同漏压下、不同宽长比的器件退化特性的实验结果对比,该模型能够准确反映器件辐射前后的漏电流特性变化,为器件的抗辐射设计提供参考依据。     

深亚微米NMOSFETs总剂量辐射与热载流子效应研究

本文对深亚微米器件的总剂量辐射与热载流子效应进行了对比试验研究。结果表明虽然总剂量与热载流子效应在损伤原理上存在相似的地方,但两种损伤的表现形式存在明显差异。总剂量辐射损伤主要增加了器件的关态泄漏电流,而热载流子损伤最显著的特点是跨导与输出特性曲线降低。分析认为,STI隔离区辐射感生氧化物正电荷形成的电流泄漏通道是造成总剂量辐射后电流增长的根源,而栅氧化层的氧化物负电荷与栅界面态的形成是造成热载流子退化的原因。因此,对二者进行加固时应侧重于不同的方面。     

Low dark current CMOS image sensor pixel with photodiode structure enclosed by P-well

A low dark current CMOS image sensor pixel which can be easily implemented using a standard CMOS technology without any process modification is presented. Dark current is mainly generated from the interface region between the shallow trench isolation (STI) and the active region. The proposed pixel can reduce dark current by separating the STI region from a photodiode, using a simple layout modification to enclose the photodiode junction with the P-well. A test sensor array has been fabricated using 0.18 mum standard CMOS process and its performance characterised. The dark current of the proposed pixel has been measured as 0.93fA/pixel, which is by a factor of two smaller than that of the conventional design     

Total dose and displacement damage effects in a radiation-hardened CMOS APS

A 512/spl times/512 CMOS active pixel sensor (APS) was designed and fabricated in a standard 0.5-/spl mu/m technology. The radiation tolerance of the sensor has been evaluated with Co-60 and proton irradiation with proton energies ranging from 11.7 to 59 MeV. The most pronounced radiation effect is the increase of the dark current. However, the total ionizing dose-induced dark current increase is orders of magnitude smaller than in standard devices. It behaves logarithmically with dose and anneals at room temperature. The dark current increase due to proton displacement damage is explained in terms of the nonionizing energy loss of the protons. The fixed pattern noise does not increase with total ionizing dose. Responsivity changes are observed after Co-60 and proton irradiation, but a definitive cause has not yet been established.     

集电极偏置电流对硅npn晶体管γ辐照效应的影响

对硅npn双极晶体管(C2060)室温下不同集电极偏置电流条件下γ辐照的总剂量效应进行了研究.结果表明,npn晶体管的辐照损伤程度随着辐照总剂量的增加而增加;尤其是实验中发现:在相同的辐照总剂量下随着辐照时集电极偏置电流的增加,晶体管的辐照损伤程度却在减轻.空间电荷模型的观点并不能很好地解释辐照损伤与辐照集电极偏置电流的关系.文章对空间电荷模型进行了修正,认为除氧化物俘获电荷和界面俘获电荷外,还会在外基区Si-SiO2界面附近形成电中性的电偶极子.利用修正后的理论可以很好地解释所有的实验结果.     

Radiation-induced shallow trench isolation leakage in 180-nm flash memory technology

The effects of total ionizing dose (TID) irradiation on the inter-device and intra-device leakage current in a 180-nm flash memory technology are investigated. The positive oxide trapped charge in the shallow trench isolation (STI) oxide is responsible for the punch-through leakage increase and punch-through voltage decrease. Nonuniform radiation-induced oxide trapped charge distribution along the STI sidewall is introduced to analyze the radiation responses of input/output (I/O) device and high voltage (HV) device. At low dose level, the inversion near the STI corner caused by the trapped charge occurs more easily due to the lower doping concentration in this region, which gives rise to the subthreshold hump effect. With total dose level increase, more charge at deep region of the STI oxide is accumulated, predominating the intra-device off-state leakage current. It has been discussed that the STI corner scheme and substrate doping profile play important roles on influencing the device’s performance after radiation.