CMOS圖像傳感器單粒子效應及加固技術研究進展

蔡毓龍 李豫東 文 林 郭 旗

1（中國科學院新疆理化技術研究所 中國科學院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）

2（新疆電子信息材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）

3（中國科學院大學 北京 100049）

CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器首次報道于20世紀60年代［1］，比 電 荷 耦 合器件（Charge-coupled Device，CCD）出現(xiàn)的早，但因CCD特有的性能優(yōu)勢，起初研究人員研究焦點集中在CCD發(fā)展上。20世紀90年代初，來自美國國家航空航天局和愛丁堡大學科研人員的努力使得CMOS圖像傳感器的發(fā)展得以復蘇［2］。近年來，CMOS圖像傳感器性能快速提升，有些已經(jīng)追趕甚至超過CCD性能，而且CMOS圖像傳感器有著體積小、集成度高、低功耗、質量輕等獨特優(yōu)勢。因此，在遙感成像、星敏感器和太陽敏感器等衛(wèi)星圖像采集方面正逐步取代原有的CCD［3］?？臻g中主要輻射環(huán)境包括銀河宇宙射線、太陽輻射和范·艾倫輻射帶。上述空間環(huán)境會對CMOS集成電路引起輻射損傷效應，主要分為：位移效應、總劑量效應和單粒子效應。其中單粒子效應越來越成為CMOS集成電路關注焦點［4-6］。不同于其他CMOS集成電路，CMOS圖像傳感器有其專用的像素單元，而且像素周邊集成更加復雜的外圍電路。因此CIS（CMOS Image Sensor）對單粒子效應更加敏感，也呈現(xiàn)出不同于其他CMOS集成電路的表現(xiàn)形式。CIS的單粒子效應主要分為SET（Single Event Transient）、SEU（Single Event Upset）、SEFI（Single Event Functional Interrupt）和 SEL（Single Event Latch-up）。其中SET和SEU會導致局部圖像異常，影響圖像質量。SEFI往往導致圖像全局異常，采集圖像完全失真，或出現(xiàn)CIS采圖功能中斷現(xiàn)象。SEL會導致器件工作電流增加，圖像異常，若圖像傳感器沒有SEL自保護裝置，嚴重時器件將無法正常工作。國內外已對CIS遭受的總劑量效應和位移效應開展了深入研究［7-8］，2009年國外Goiffon等［9］綜述了CIS總劑量輻射效應研究進展。目前，國內外均對CIS單粒子效應開展相關研究，但因CIS電路結構復雜，單粒子效應對應異常圖像表現(xiàn)形式多樣化，以及CIS工藝節(jié)點不斷縮小，CIS的單粒子效應研究還有很多問題有待深入研究。

本文梳理了國內外CIS單粒子效應試驗和理論研究成果，從CIS容易發(fā)生的單粒子效應類型：SET、SEU、SEL、SEFI，不同粒子種類：重離子、高能質子、電子和中子等方面綜述了近20年來CIS單粒子效應研究進展。介紹了國內外CIS抗輻射加固技術研究進展，比較了國內外CIS抗輻射加固水平。分析了國內目前CIS單粒子效應及加固技術中亟待解決的問題，為今后深入開展相關理論研究提供理論參考。

1 CIS單粒子效應研究進展

CMOS圖像傳感器像素單元主要包括無源像素結構（Passive Pixel Sensor，PPS）、有源像素結構（Active Pixel Sensor，APS）和數(shù)字像素結構（Digital Pixel Sensor，DPS）。憑借著工藝兼容標準CMOS工藝的優(yōu)勢，除了像素單元，CIS集成了復雜的信號處理電路［2］，包括行選邏輯、列選邏輯、時序控制電路、模擬信號處理電路、模數(shù)轉換電路、低壓差分信號（Low-Voltage Different Signaling，LVDS）輸出接口電路和串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）控制電路等，這些部分被集成在同一硅片上，其典型結構圖如圖1所示。其中行選通和列選通邏輯可以是移位寄存器，也可以是譯碼器。像元陣列按X方向和Y方向排列成方陣，方陣中每一個像素單元都能被這兩個方向的地址譯碼器選擇。在Y方向地址譯碼器的控制下，控制行的每個像素信號將通過行開關傳送到模擬信號處理電路（放大、去噪音等）。模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）轉換成數(shù)字信號，再通過X方向譯碼器選擇傳輸?shù)絃VDS接口電路輸出。時序控制電路為整個CMOS圖像傳感器提供各種工作脈沖，這些脈沖可通過SPI接口電路控制信號控制。

CMOS圖像傳感器已成為體積小功能強大的片上系統(tǒng)芯片，復雜的電路結構使得其空間應用時，更容易受到單粒子效應的影響，其中軟錯誤通常會導致采集圖像局部異常，硬錯誤會導致采集圖像全局異常，嚴重時器件無法正常工作。為此，國外和國內先后開展了CIS單個粒子輻照試驗研究，包括重離子、高能質子、中子和電子地面模擬試驗，以及激光模擬單粒子效應試驗。輻照試驗結果表明：國外抗輻射型CIS抗SEL的線性能量傳遞(Linear Energy Transfer，LET)閾值很高，但還是容易受SET、SEU和SEFI的影響。相比抗輻射型CIS，國內外商用CIS都表現(xiàn)出對單個粒子輻照非常敏感現(xiàn)象。另外，不同粒子對CIS造成的單粒子效應存在明顯差別。同種粒子，不同器件類型，也表現(xiàn)出不同的單粒子異?，F(xiàn)象，這受器件工藝尺寸、工作模式和電路結構等參數(shù)影響。

圖1 CMOS圖像傳感器結構Fig.1 Architecture of CMOS image sensor

1.1 重離子誘導單粒子效應

1.1.1 單粒子瞬態(tài)

重離子輻照CIS像素陣列會使得采集圖像出現(xiàn)瞬態(tài)亮斑，下一幅圖像就會消失，這被稱為像素陣列單粒子瞬態(tài)現(xiàn)象。美國宇航局Marshall等在2002年對4種具有不同抗輻照設計的0.35 μm工藝CIS進行了重離子輻照試驗［10］，試驗中改變粒子入射角度。試驗結果表明：亮斑收集的電荷數(shù)量受粒子入射角度影響，入射角度越大，亮斑總的收集電荷越多，這是因為更長的粒子徑跡，且亮斑中的電荷數(shù)量和大小還和采用的像素類型有關，如圖2所示。

Hopkinson等［11］在 2004年對比利時 Fillfactory公司抗輻射型STAR-250 CIS進行了重離子評估試驗 ，該 CIS 使 用 Alcatel Microelectronics 0.5 μm CMOS工藝，采用滾動曝光方式，片上集成了10位ADC（5 MHz）。重離子試驗結果表明：暗場條件下在線采集的所有圖像上都出現(xiàn)了許多白色亮點。這是由于重離子穿過像素單元電離產生的電子空穴對引起，而且相鄰的像素也收集了電荷，這是電荷在沒有電場的外延層擴散的結果。

圖2 Ar正入射4種像素結構瞬態(tài)亮斑對比Fig.2 Atypical image of four kinds of pixel structure transient bright spots in normally incidentAr

Lalucaa等［12］在2013年對三個晶體管有源像素傳感器（Three Transistor Active Pixel Sensor，3TAPS）進行了重離子輻照試驗，為了研究亮斑的電荷收集，選擇了不同設計參數(shù)的樣品。樣品采用滾動曝光模式，試驗中設置積分時間等于一幅圖像讀出時間，獲得瞬態(tài)亮斑如圖3所示，圖3中前后兩幅圖像上的瞬態(tài)亮斑可以構建一個完整的圓形亮斑。他們使用STARDUST軟件仿真亮斑電荷收集，結果表明：仿真結果很好地預測了體襯底器件上產生的亮斑，而對于外延層器件誤差較大。文中討論了溢出效應，即飽和二極管沒有收集電荷會擴散到相鄰的二極管，分析認為對于該型號CIS，溢出效應只會影響1～2個像素，使用抗溢出電路來消除亮斑是沒有實際意義的。Lalucaa等［12］繼續(xù)討論了像素尺寸、襯底類型和光電二極管版圖設計對亮斑的影響，試驗分析表明：亮斑的形狀和像素的尺寸無明顯關系，但他們發(fā)現(xiàn)使用外延層襯底可以減小亮斑尺寸和總的收集電荷。通過比較加固光電二極管和普通二極管形成亮斑的不同，這些器件的不同之處僅是電容不同，電容越大，電阻減小的越多，飽和電荷增加。結果顯示：光電二極管版圖變化對SET沒有明顯改變。除了瞬態(tài)亮斑，還發(fā)現(xiàn)行列地址譯碼器發(fā)生單粒子瞬態(tài)引起異常圖像，如圖4所示。

圖3 兩張連續(xù)圖像中的瞬態(tài)亮斑Fig.3 Transient bright spots in two successive frames of a cut cluster

圖4 譯碼器導致的瞬態(tài)事件 (a)行擾動，(b)列擾動Fig.4 Transient events on addressing decoders(a)Line disturbance,(b)Column disturbance

2013年，Lalucaa等［13］進一步對四晶體管有源像素傳感器（Four Transistor Active Pixel Sensor，4TAPS）進行了重離子輻照試驗，對于單粒子瞬態(tài)亮斑，本文討論了抗溢出能力對亮斑的影響。結果表明：可以通過改變傳輸柵電壓或增加一個晶體管實現(xiàn)部分減小瞬態(tài)亮斑。2019年，Cai等［14］對4T國產商用科學級CIS進行了重離子輻照試驗，研究了像素陣列單粒子瞬態(tài)亮斑。試驗樣品采用滾動曝光模式，積分時間設置小于等于一幅圖像讀出時間，獲得了所有不同的單粒子瞬態(tài)亮斑形狀，如圖5、圖6所示。

圖5 不同積分時間下瞬態(tài)亮斑 (a)1行積分時間，(b)4行積分時間，(c)7行積分時間Fig.5 Pixel cluster captured during irradiation with an exposure time of 1 line time(a),4 lines time(b),7 lines time(c)

1.1.2 單粒子翻轉和功能中斷

圖6 100行積分時間下不同形狀瞬態(tài)亮斑(a)完整圓形亮斑，(b)下半部分，(c)上半部分Fig.6 Different shape transient cluster full cluster(a),upper cluster(b),below cluster with exposure time of 100 lines time(c)

對于CIS，如果粒子輻照導致其內部集成的寄存器出現(xiàn)翻轉，就有可能會引起采集圖像出現(xiàn)異常。因為CIS中不同寄存器功能不同，因此不同寄存器出現(xiàn)翻轉后導致的圖像異常也不同，所以可以通過分析異常圖像倒推是何種寄存器出現(xiàn)翻轉。如果一些重要寄存器發(fā)生翻轉，并導致圖像出現(xiàn)全局異常，且異常圖像無法自動恢復，導致采集圖像一直完全失真，這種現(xiàn)象被稱為功能中斷。而對于其他寄存器翻轉，會導致局部圖像異常，這被稱為單粒子翻轉。

Beaumel等［15］在2014年對安森美半導體公司生產的抗輻射型HAS2 CIS進行了重離子輻照試驗，試驗中改變CIS尋址方式和工作模式。試驗結果表明：在LET高達67.8 MeV·（mg·cm-2）-1，輻照注量達到1.4×107p·cm-2時，該款CIS沒有發(fā)生SEFI，但發(fā)生了SEU。當該CIS尋址方式為一幅圖像尋址，出現(xiàn)兩種圖像異常，如圖7所示。Beaumel分析認為圖7（a）中一部分像素灰度值變暗是由于行置位移位寄存器翻轉所致，其對應的飽和截面如圖8所示。圖7（b）中局部灰度值達到飽和時由于可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）寄存器或者多路選擇器出現(xiàn)翻轉所致。當CIS尋址方式為行尋址，只觀察到一種圖像異常，如圖7（c）所示，Beaumel分析認為多種原因可能導致這一現(xiàn)象，沒有最終定位具體寄存器。

圖7 單粒子翻轉導致異常圖 (a)一片區(qū)域變暗，(b)一片區(qū)域達到飽和，(c)一行變亮Fig.7 SEU-induced corrupted image (a)Ahigh density of spots with a low level of signal,(b)Apart of the image was blanked out,(c)Abrighter line

2018年，蘭州空間技術物理所張晨光等［16］對美國美光（Micron）MT9T001C12STC型號CMOS圖像傳感器進行了重離子輻照試驗，結果顯示：器件發(fā)生單粒子翻轉 LET 閾值約為 42 MeV·（mg·cm-2）-1。2019年，汪波等［17］對CMSSIS公司設計的CMV4000型8T全局曝光CIS進行了重離子誘導SEU研究，發(fā)現(xiàn)了4種單粒子翻轉現(xiàn)象。

圖8 行地址移位寄存器翻轉截面Fig.8 Line address shift register SEU cross-section

1.1.3 單粒子閂鎖

SEL會導致CIS工作電流升高，采集圖像異常，器件功能失效，因此是公認的對CIS危害最為嚴重的一種單粒子效應。美國宇航局Marshall等在2002年對抗輻照設計的CIS進行了重離子輻照試驗［10］，結果發(fā)現(xiàn)LET 高達106 MeV·（mg·cm-2）-1，注量達到2×107p·cm-2，沒有單粒子SEL現(xiàn)象發(fā)生。

Hopkinson 等［18］在 2000 年對歐洲微電子中心（Inter-university Microelectronics Center，IMEC）設計的用于星追蹤器和激光追蹤應用的0.7 μm Alcatel Microelectronics雙阱P襯底工藝CIS進行了重離子評估試驗，試驗中芯片上ADC單獨供電，結果表明：ADC發(fā)生SEL的LET閾值為14.1～19.9 MeV·（mg·cm-2）-1。4年后，Hopkinson等對第二代產品STAR-250進行了重離子評估試驗，和第一代器件相比，經(jīng)過加固的STAR-250抗SEL能力達到68 MeV·（mg·cm-2）-1。

2013年，Lalucaa等［12］對4T商用CIS器件進行了重離子輻照試驗，發(fā)現(xiàn)兩種SEL現(xiàn)象，如圖9所示，分析認為這兩種異常分別是由行、列譯碼器的電平轉換電路發(fā)生閂鎖導致，閂鎖閾值在15.9～40.4 MeV·（mg·cm-2）-1。

圖9 行(a)、列(b)電平轉換電路閂鎖導致異常圖Fig.9 Line(a)and column(b)level shifter latch-up corruption image

1.2 質子、電子和中子誘導單粒子效應

質子誘導半導體器件單粒子效應有兩種方式［19］：一是通過直接電離；二是通過與材料發(fā)生核反應引起。高能質子核反應經(jīng)常導致發(fā)射光子、輕粒子和一些重反沖原子。質子除了和硅發(fā)生核反應，隨著現(xiàn)代集成電路密度提高，質子也會和金屬層發(fā)生核反應，產生LET值更大的重離子。質子在CMOS集成電路有著寬能量沉積譜，且隨著質子能量增大，通過核反應沉積能量越多，也更容易發(fā)生單粒子效應［20-21］。隨著半導體工藝尺寸縮小，其單粒子敏感度增加，質子、電子直接電離也會導致單粒子效應［22］。不同于帶電粒子，中子不能通過直接電離誘發(fā)單粒子效應，但其可通過核反應產生次級粒子誘導單粒子效應［23］。

根據(jù)目前國內外對不同工藝尺寸，不同結構CIS開展的質子、電子和中子輻照試驗可知，幾種粒子輻照CIS外圍電路都沒有出現(xiàn)單粒子效應，表現(xiàn)為CIS各路電流正常，在線采集圖像無相關異常變化。但當質子和中子輻照像素陣列，在線采集圖像出現(xiàn)大量瞬態(tài)亮點，瞬態(tài)亮線異?，F(xiàn)象，電子則主要產生瞬態(tài)亮點。

Aken等［24］在2014年對安森美半導體公司生產的抗輻射型HAS2 CIS進行了綜合的單粒子評估試驗，試驗中選用不同能量的質子輻照，獲得了瞬態(tài)亮點，如圖10所示。為了研究瞬態(tài)亮點尺寸大小和收集電荷的影響因素，試驗中改變的變量有：入射角度、環(huán)境溫度和CIS工作模式。試驗結果表明：質子能量越高，亮點尺寸減小，這是因為能量越高的質子LET和沉積的能量越少。溫度和入射角度對亮點尺寸和收集電荷沒有明顯的影響。除了質子，Beaumel還進行了電子輻照HAS2 CIS試驗，電子產生的瞬態(tài)信號分布如圖11所示。

圖10 質子誘導單粒子瞬態(tài)Fig.10 Proton-induced single event transient

圖11 電子輻照下像素信號分布Fig.11 Distribution of pixel signal after electron radiation

目前國外還沒有關于中子輻照誘導CIS單粒子效應的相關報道。國內Wang等［25］于2019年在廣州散列中子源上對索尼IMX249 CIS進行了中子輻照試驗，在線采集了該CIS圖像，發(fā)現(xiàn)了順態(tài)亮線和暗信號順態(tài)峰值，如圖12所示。高能中子和CIS的體硅晶格相互作用產生的次級粒子能夠在傳輸路徑上產生電子空穴對。瞬態(tài)電離的電荷能夠被一個像素收集，形成暗信號峰值。也會被多個相鄰像素收集，形成亮線。

圖12 中子誘導的瞬態(tài)亮線(a)和亮點(b)Fig.12 Neutron-induced transient bright lines(a)and bright spots(b)

1.3 激光模擬單粒子效應

脈沖激光模擬SEE手段在世界范圍得到認可并得到推廣，主要原因是激光能夠模擬和重離子在半導體器件輸出端產生相近的SEE電學特征，且滿足SEE地面評估的技術要求［26-27］。利用脈沖激光進行SEE測試的突出優(yōu)勢是能夠高效準確地實現(xiàn)敏感區(qū)域定位，這可對像CIS這樣的大規(guī)模集成電路實現(xiàn)SEE故障特征診斷的微區(qū)定位。

蘭州空間技術物理所安恒等［28］利用激光聚焦定位的優(yōu)勢，結合CMOS圖像傳感器的內部結構特點，分析了某國產CIS內部不同功能單元對單粒子效應的敏感性，結果如表1所示。試驗中通過示波器監(jiān)測CIS輸出波形，和電源電流變化判斷器件發(fā)生何種單粒子現(xiàn)象。然后通過采用能量漸近的方法確定CIS發(fā)生單粒子效應的閾值。

2 抗單粒子效應加固技術研究進展

SEL會引起CIS采集圖像出現(xiàn)嚴重異常，如果系統(tǒng)中沒有斷電重啟保護電路，SEL會導致器件功能失效。因此在CIS抗單粒子效應方面，設計者主要關注如何避免引起器件功能失效的SEL，這也是CIS空間應用時考核抗輻射性能首要指標。公開報道的抗輻射型CIS在單粒子效應上主要針對SEL進行加固，典型的抗輻射CIS包括FillFactory的STAR-250、STAR-1000［29］和HAS2，它們抗SEL能力分別達到 68 MeV·（mg·cm-2）-1、67.8 MeV·（mg·cm-2）-1和79.1 MeV·（mg·cm-2）-1。而美國宇航局評估的某款抗輻射型CIS抗SEL的LET閾值更是高達106 MeV·（mg·cm-2）-1。北京微電子所Zhao等［30］在2015年研究了某款CIS，抗SEL的LET閾值達到110 MeV·（mg·cm-2）-1。目前的研究表明：有很多加固技術可以用來降低CMOS集成電路SEL敏感性［31-33］，包括通過降低寄生晶體管的基級電阻，或降低寄生晶體管的增益，還有通過增加保護環(huán)來限制器件敏感區(qū)電荷收集量。其中降低寄生晶體管的基級電阻通常是指增大阱和襯底接觸的數(shù)量和尺寸，研究表明這種加固措施是降低SEL LET閾值的有效方法。因此對于CMOS集成電路，已有的加固措施已能夠使其抗SEL LET閾值達到一個較高水平。但是因為CIS集成了復雜的外圍電路，因此不論商用型，還是抗輻射型CIS，實驗結果顯示：其外圍電路抗SET、SEU和SEFI效應問題仍然突出，這些單粒子效應同樣會引起圖像異常，干擾系統(tǒng)正常工作。比如抗輻射型CIS STAR-250的單粒子翻轉LET閾值在10～20 MeV·（mg·cm-2）-1［15］。

表1 CMOS光電器件單粒子效應敏感性對比Table 1 Sensitiveness of CMOS image sensor

不同于CIS外圍電路，其像素單元只包含N型金屬氧化物半導體（N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS）或P型金屬氧化物半導體（P-Metal-Oxide-Semiconductor），因此不會發(fā)生SEL。試驗中，單個粒子輻照像素單元會產生單粒子瞬態(tài)亮斑，目前的研究主要關注如何減小亮斑的大小和收集電荷。美國宇航局Marshall等對4種具有不同抗輻照設計的0.35 μm工藝CIS進行了重離子輻照試驗，結果表明：使用Recedded N+摻雜光電探測器設計的像素形成的單粒子瞬態(tài)亮斑最?。?0］。Lalucaa等［12］研究結果表明：像素尺寸變化不會改變瞬態(tài)亮斑大小，但在高摻雜體硅上生長外延層可以減小亮斑大小和收集電荷數(shù)量，這是因為外延層有更高的電阻率，載流子擴散長度減小。同時可以通過改變傳輸柵電壓或者增加一個晶體管實現(xiàn)部分減小瞬態(tài)亮斑。

鑒于CIS對于單個粒子輻照特別敏感，為提高CIS抗輻照能力，國內外主要從器件工藝結構、版圖和電路設計等方面對CIS進行抗輻射加固。相比國外CIS抗單粒子效應研究方面，國內在CIS抗單粒子加固技術方面的研究還需要在不斷探索中前進。

3 研究展望

目前針對CIS抗單粒子效應研究，國內外主要對CIS開展了不同粒子的單粒子效應試驗，以及典型的抗輻射型CIS單粒子閂鎖評估。但國內外公開報道的CIS單粒子試驗中測試方法還不統(tǒng)一，主要通過測試輸出端口波形和在線采集圖像來推斷單粒子異常種類，這些方法很難準確判斷試驗中單粒子異常種類。與其他大規(guī)模集成電路（FPGA（Field-Programmable Gate Array）、SRAM（Static Random-Access Memor））單粒子效應測試相比，CIS在功能和結構上具有明顯的區(qū)別，因此需要建立一套自己的單粒子試驗評估方法。另外CIS是一款大規(guī)模集成電路，除了像素單元，還集成了時序電路、模擬信號讀出電路、A/D轉換、時序控制電路和接口電路，因此如何定位CIS上單粒子效應到具體敏感電路是研究CIS單粒子效應的一個難點。其次隨著CIS制造工藝尺寸不斷減小，芯片集成度越來越高，器件對單粒子效應會更加敏感，這也會帶來新的損傷現(xiàn)象。同時其對高能質子、中子和電子的單粒子敏感性也在增加。此外，CIS單粒子效應的仿真模擬工作國內外開展的較少，需要結合器件結構，逐步開展不同SEE仿真建模工作。