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电子轰击半导体(Electron Bombarded Semiconductor, EBS)增益是CMOS传感器背减薄后能实现电子探测的关键。入射电子穿过死层轰击Si材料产生的电子-空穴对,几乎全部产生在外延层100 nm范围内,然后倍增电子在漂移、扩散作用下通过外延层被结区吸收,电子倍增原理如图2所示。
BCMOS的电子增益可以通过如下简化公式进行计算:
$$ G = CE \times (E - {E_{\rm{dead}}})/3.6 $$ (1) 式中:E为入射电子能量;Edead为电子穿越死层消耗的能量;3.6 eV为电子轰击硅半导体产生一个电子-空穴对所消耗的能量;CE为BCMOS对于电子的收集效率。在测试BCMOS的电子敏感性时,为了降低光学图像背景,提高电子图像测试的准确性,采用金阴极和微通道板结构组成的电子源,因此只有很少一部分紫外光入射至BCMOS,非常有利于对电子图像的测试研究。
该实验在微通道板输出端和BCMOS之间分别施加300 ~2 000 V不同加速电压的情况下,对电子响应图像的灰度值进行统计分析,得到BCMOS器件电子轰击响应曲线如图3所示。
由图3中的测量结果可知,在电子能量对小于500 eV时,图像平均灰度值基本没有明显变化,其电子响应阈值电压为500 V,当电子能量高于500 eV后,电子图像的灰度值与入射电子能量具有很好的线性关系。这是由于CMOS传感器经过背减薄后,表面引入的复合中心以及表面氧化硅膜形成死层,因此当入射电子能量小于500 eV时,无电子响应信号。随着电场强度的不断增加,入射电子穿过死层产生电子倍增,电子增益与入射电子能量满足公式(1)所示关系,因此BCMOS的电子图像灰度值也越来越高。
为了说明BCMOS电子倍增特性与电子图像灰度值的关系,假设入射至BCMOS每个像素的平均电子个数为n,电子入射能量为E时对应有效平均灰度值为N(DN),BCMOS中灰度值与电子个数的转换因子为k(e-/DN),忽略电子背散射的影响,二者之积即为倍增后每个像素收集到的有效电子数,则根据公式(1)可得到入射电子数与有效平均灰度值关系为:
$$n \cdot \frac{{CE(E - {E_{\rm{dead}}})}}{{3.6}} = N \cdot k$$ (2) 由公式(2)可得到收集效率CE的数学表达式为:
$$CE = \frac{{3.6N \cdot k}}{{n \cdot (E - {E_{\rm{dead}}})}}$$ (3) 当测试条件不变时,参数n和k均为固定正值,因此利用固定值K代替上式中
${}^{3.6\cdot k}\!\!\diagup\!\!{}_{n}\;$ ,则CE的表达式为:$$CE = K\frac{N}{{(E - {E_{\rm{dead}}})}}$$ (4) 由公式(4)可知,电子收集效率CE与电子图像灰度值随入射电子能量变化曲线的线性区域斜率成正比关系,因此曲线斜率越高,则对应的二次电子收集效率越高,对应的电子增益越高。
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该实验在微通道板输出端和CMOS芯片之间分别施加300 ~2 000 V的不同加速电压情况下,对镀制了不同厚度钝化膜的CMOS器件进行了电子轰击测试,对电子响应图像的灰度值进行统计分析,得到了表面氧化铝薄膜不同厚度条件下,BCMOS器件电子轰击响应曲线,具体如下图4所示。
图 4 表面不同厚度氧化铝薄膜的BCMOS 对应的电子轰击响应曲线
Figure 4. Electron bombardment response curve of BCMOS with Al2O3 film of different thickness
由测量结果可知,当薄膜厚度为10 nm时,其电子相应能量为800 eV,电子图像灰度值线性增大区域为800 ~1 200 eV,之后图像信号趋于饱和;薄膜厚度为15 nm时,其电子响应能量为900 eV,电子图像灰度值线性增大区域为900 ~1 400 eV;薄膜厚度为20 nm时,其电子响应能量为1 100e V,电子图像灰度值线性增大区域为1 100~1 600 V;BCMOS的电子响应阈值电压随薄膜厚度的变化曲线如图5所示,可知随着薄膜厚度增加,BCMOS的电子响应能量逐渐增加。
结合响应能量值,可以分别根据图5中不同薄膜厚度对应的电子图像灰度值随入射电子能量变化曲线的线性区域,根据公式(4)计算了表面未镀膜和镀制10、15、20 nm厚薄膜的BCMOS,其对应的倍增电子收集效率CE与固定值K的关系分别为:3.425K、3.904K、3.927K、3.936K。表面镀膜后BCMOS较未镀膜BCMOS的二次电子收集效率提高百分比随薄膜厚度的变化如图6所示。
图 6 倍增电子收集效率提高的百分比随薄膜厚度变化
Figure 6. Increasing percentage of the multiplier electron collection efficiency varies with the film thickness
由图6可知,相较于未镀膜BCMOS,在表面镀制10、15、20 nm钝化膜后,对应的二次电子收集效率分别提高了14.0%、14.7%、14.9%,显然通过面氧化铝薄膜钝化可以显著提高BCMOS的CE,但随着薄膜厚度的增加,对二次电子收集效率的提高逐渐趋于平缓。上述实验主要原因为:如图7(a)所示,由于背减薄表面存在复合中心,且表面自然氧化硅中存在固定正电荷,因此导致在界面处能带向下弯曲,电子轰击产生的二次电子通过背扩散输运至表面复合,降低了二次电子的收集效率;通过在表面镀制氧化铝薄膜,如图7(b)所示,一方面氧化铝薄膜通过化学钝化可减少表面复合中心,同时区别于氧化硅层中的正电荷,氧化铝薄膜中的固定负电荷对表面电子具有排斥作用,形成场钝化效应,钝化层与背减薄硅界面处能带向上弯曲,减少了电子轰击产生少子在背扩散作用下输运至表面复合,使更多的电子扩散进入BCMOS传感器结区被收集为有效信号。但是,由于薄膜中固定负电荷主要形成和积累在界面处附近,因此随着薄膜厚度增加,固定负电荷密度也趋于稳定,因此二次电子的收集效率也趋于稳定。
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CMOS传感器在既无光注入又无电子轰击情况下的输出电流称为暗电流。CMOS的暗电流主要由耗尽区产生电流、扩散电流、表面产生电流组成。
测试时,在无光条件下分别统计不同积分时间下BCMOS的像素平均输出灰度值,利用所有像素暗电流平均值来表示BCMOS暗电流,单位为e-/s·pix−1。图8中为不同条件下BCMOS传感器的平均暗电流值,可知BCMOS的平均暗电流为1 510 e-/s·pix−1,在表面镀制10、15、20 nm氧化铝薄膜后BCMOS传感器的平均暗电流分别为1 052 e−/s·pix−1、786 e-/s·pix−1、678 e-/s·pix−1。可知镀膜后其暗电流呈现变小的趋势,且薄膜越厚对应的暗电流越小。
由测试结果可知,CMOS传感器经过背减薄后,由于表面周期性突然中断,造成能量和产生中心增多,表面产生电流增大,导致BCMOS传感器暗电流较大。当在背减薄表面镀膜后BCMOS传感器暗电流降低,这充分说明氧化铝薄膜对BCMOS具有钝化作用,这是因为薄膜与背减薄表面界面处通过Si-O-Al键的形成,有效降低了表面态密度,同时氧化铝薄膜中的固定电荷对界面处的电子形成排斥作用,降低了硅表面电子密度,进而抑制了表面产生电流。
Experimental study on the electron sensitivity of BCMOS sensor influenced by surface passivation film
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摘要: 基于硅表面的薄膜钝化原理,开展了不同厚度的表面钝化膜对背减薄CMOS(Back-thinned CMOS,BCMOS)传感器电子敏感特性影响的实验研究。首先,对CMOS传感器进行背减薄处理后,对背减薄CMOS进行电子轰击测试,由测试结果可知,电子图像灰度随入射电子能量的变化呈现出线性关系。然后,采用电子束蒸镀法在BCMOS传感器表面镀制了不同厚度的氧化铝薄膜,并进行了电子轰击测试。研究发现,当表面氧化铝薄膜厚度为20 nm时,可以将BCMOS传感器的二次电子收集效率提高14.9%,通过表面薄膜钝化实现了电子敏感性的提升,同时,随着薄膜厚度的增加,BCMOS暗电流由1510 e-/s/pix减小至678 e-/s/pix。上述结果说明,氧化铝薄膜对BCMOS背减薄表面具有良好的钝化作用,可以提高BCMOS传感器的二次电子收集效率、降低暗电流,为将来高灵敏度EBCMOS器件的研制提供了技术支撑。Abstract: Based on the principle of silicon surface film passivation, the effect of different thickness surface passivation film on the electronic sensitivity of back-thinned CMOS (BCMOS) sensor was studied. Firstly, the electron bombardment test was carried out after the back thinning processing on CMOS sensor. The electron bombardment test shows that the gray value of the electronic image presents a linear relationship with the change of bombarding electron energy. Then, the aluminum oxide films with different thickness were deposited on the surface of back-thinned CMOS, and the electron bombardment test was carried out. It was found that the collection efficiency of secondary electron was increased by 14.9% when the thickness of aluminum oxide film was 20 nm, meaning that the electron sensitivity could be improved by surface film passivation. Furthermore, the dark current of the back-thinned CMOS sensor reduced from 1510 e-/s·pix−1 to 678 e-/s·pix−1 with the increase of film thickness. The above results show that aluminum oxide film has a good passivation effect on back-thinned CMOS sensor, which could improve the secondary electron collection efficiency and reduce the dark current of the back-thinned CMOS sensor, and provide a technical support for the development of high sensitivity EBCMOS devices in the future.
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[1] Zhang Jingxian, Li Yudan, Jin Weiqi. Imaging Techneque of LLL and Laser[M]. Beijing: Beijing University of Science and Technology Press, 1995. (in Chinese) [2] Jin Weiqi, Tao Yu, Shi Feng, et al. Progress of low light video technology [J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(11): 3167−3176. (in Chinese) [3] Barbier R, Baudot J, Chabant E, et al. Performance study of a megapixel single photon position sensitive photodetector EBCMOS [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2009, 640(1): 54−56. [4] Liu Hulin, Wang Xing, Tian Jinshou, et al. High resolution electron bombareded complementary metal oxide semiconductor sensor for ultraviolet detection [J]. Acta Physica Sinica, 2018, 67(1): 014209. (in Chinese) [5] Barbier R, Cajgfinger T, Calabria P, et al. A single-photon sensitive ebCMOS camera: the LUSIPHER prototype [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2011, 648(1): 266−274. doi: 10.1016/j.nima.2011.04.018 [6] Dominjon A, Ageron M, Barbier R, et al. A ebCMOS camera system for marine bioluminescence observation: the luSEApher prototype [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2012, 695(1): 172−178. [7] Cajgfinger T, Barbier R, Dominjon A. Single photon detection and localization accuracy with an ebCMOS camera [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2015, 787(1): 176−181. [8] Song De, Shi Feng, Li Ye. Simulation of charge collection efficiency for EBAPS with uniformly doped substrate [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(2): 0203002. (in Chinese) doi: 10.3788/irla201645.0203002 [9] Zhang Xiang, Liu Bangwu, Xia Yang, et al. The passivation of Al2O3 and its applications in the crystalline silicon solar cell [J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(18): 187303. (in Chinese) [10] Yang Chengcai, Ju Guohao, Chen Yongping. Study on the photo response of a CMOS sensor integrated with PIN photodiodes [J]. Chinese Optics, 2019, 12(5): 1076−1089. doi: 10.3788/co.20191205.1076