CMOS有源像素圖像傳感器的輻射效應(yīng)的資料說明

　　今天，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器（CIS），又稱有源像素傳感器（APS），是最流行的成像技術(shù)，每年生產(chǎn)數(shù)十億種圖像傳感器，它們占成像儀市場(chǎng)的90%左右，幾年內(nèi)應(yīng)該超過95%。。與電荷耦合器件（CCD）的主要替代成像技術(shù)相比，CISS具有功耗低、集成度高、速度快和集成芯片（甚至像素內(nèi)部）先進(jìn)CMOS功能的能力等主要優(yōu)點(diǎn)。由于最新的技術(shù)創(chuàng)新，CISS目前，在圖像質(zhì)量和靈敏度方面與CCD的性能相匹配，甚至在數(shù)字單透鏡反射、科學(xué)儀器和機(jī)器視覺等高端應(yīng)用中也處于領(lǐng)先地位。由于這些優(yōu)點(diǎn)，CISS還可用于惡劣的輻射環(huán)境中的應(yīng)用，例如：空間應(yīng)用、X射線醫(yī)學(xué)成像、電子顯微鏡、核設(shè)施監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程處理（核電廠、核廢物儲(chǔ)存庫(kù)、核物理設(shè)施…）、粒子檢測(cè)和成像。軍事應(yīng)用等。設(shè)計(jì)、加固和測(cè)試此類應(yīng)用的傳感器需要了解暴露于輻射源時(shí)的CIS行為。自發(fā)明以來，進(jìn)一步了解和提高APS固有良好的輻射硬度一直是人們感興趣的話題。與舊的相比，隨著CIS技術(shù)的深入發(fā)展（如本文所討論的）帶來的新行為的出現(xiàn)，這種興趣也在不斷增加。早期工作中使用的R代主流CMOS工藝。

　　本章的目的是概述當(dāng)暴露在高能粒子輻射場(chǎng)中時(shí)，可經(jīng)受現(xiàn)代順式結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)。

　　APS、CIS和單片有源像素傳感器（MAPS）指定了相同類型的CMOS集成電路（IC）：一個(gè)像素陣列，每個(gè)像素內(nèi)有一個(gè)光電探測(cè)器和一個(gè)放大器。根據(jù)社區(qū)的不同，可以優(yōu)先使用其中一個(gè)名稱。APS是一個(gè)通用術(shù)語，CIS主要用于成像應(yīng)用，而MAPS是粒子檢測(cè)領(lǐng)域的主要術(shù)語，與混合檢測(cè)器相比，它強(qiáng)調(diào)了設(shè)備的整體性。在大多數(shù)情況下，CIS是一種使用為成像應(yīng)用優(yōu)化的CMOS工藝（稱為CIS工藝）制造的APS，而MAPS通常使用標(biāo)準(zhǔn)或高壓CMOS工藝制造，其主要用途不是光學(xué)成像，而是高能粒子檢測(cè)（和成像）。從輻射效應(yīng)來看從本質(zhì)上講，如果光電探測(cè)器技術(shù)相同，MAPS和CIS之間就沒有本質(zhì)上的區(qū)別。這意味著，盡管本章關(guān)注的是獨(dú)聯(lián)體，但本文所討論的大部分內(nèi)容都適用于這兩個(gè)傳感器系列。

　　本章使用以下輻射效應(yīng)概念來描述高能粒子對(duì)順式的影響。請(qǐng)讀者閱讀本書的第一章或本節(jié)中給出的參考文獻(xiàn)，了解這些定義、機(jī)制和屬性的起源和局限性。

　　當(dāng)穿過構(gòu)成IC的材料層時(shí)，電離粒子（例如高能光子（x和γ射線）和帶電粒子（電子、質(zhì)子、重離子…）通過產(chǎn)生電子-空穴對(duì)而損失大部分能量。這種過量的電荷載流子可以通過誘發(fā)單事件效應(yīng)（見〔16〕（及其參考文獻(xiàn)）或總電離劑量（TID）效應(yīng)來干擾或損壞IC。當(dāng)單個(gè)粒子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)足以干擾或損壞IC時(shí)，就會(huì)發(fā)生SEE，而TID效應(yīng)是電離輻射累積暴露的結(jié)果。

　　tid（或吸收劑量）表示通過電離作用傳遞給每單位質(zhì)量物質(zhì)的平均能量，這里用Gy（SiO2）（即1J或每千克SiO2的能量）1，2表示。在醫(yī)療和航天應(yīng)用中，電子電路吸收的電離輻射劑量通常低于100Gy-1KGy，而mGy在在電子顯微鏡或核和粒子物理實(shí)驗(yàn)中可以達(dá)到鍺。通過本章，讀者應(yīng)記住，被吸收的tid會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)中捕獲的正電荷的積聚，在Si/氧化物界面上形成界面狀態(tài)，并且這些缺陷密度隨著tid的增加而增加。有關(guān)TID影響的詳細(xì)審查，請(qǐng)參閱。

　　高能粒子也可以通過非電離相互作用在物質(zhì)中失去能量。這些相互作用可以概括為與原子核的直接相互作用，它們通常導(dǎo)致原子核的位移。與電介質(zhì)中主要關(guān)注的TID效應(yīng)相反，原子位移主要是電路中晶體硅部分的問題。與輻射引起的原子位移有關(guān)的效應(yīng)稱為位移損傷效應(yīng)，通過非電離相互作用傳遞給每單位質(zhì)量物質(zhì)的平均能量稱為位移損傷劑量（dd）（通常以ev/g（si）表示）。需要注意的是，dd導(dǎo)致硅中缺陷的產(chǎn)生。晶格，可以作為肖克利讀取霍爾（SRH）生成/復(fù)合中心或SRH載流子陷阱。這些缺陷可以以點(diǎn)狀缺陷的形式出現(xiàn)在晶格中，也可以以簇狀缺陷（也稱為非晶態(tài)夾雜）的形式出現(xiàn)。綜述了討論dd概念（尤其是非電離能量損失（NIEL）概念）的起源和局限性的位移損傷效應(yīng)。