Experimental study on the electron sensitivity of BCMOS sensor influenced by surface passivation film

微光成像技术广泛应用于军事及民用各领域^[1]。目前主流的微光夜视器件为真空微光器件，入射光激发光阴极将产生光电子，通过微通道板的电子倍增轰击到荧光屏上形成亮度增强的可见光^[2]。

近年来，针对高灵敏度数字微光成像器件的技术需求，欧美国家通过CMOS图像传感器与光阴极组件相结合，在像增强器中插入BCMOS图像传感器，取代了微通道板(MCP)和荧光屏，使光激发阴极产生光电子在高压电场作用下直接轰击BCMOS实现电子倍增及数字图像信号输出^[3]，基于上述原理的器件称为电子轰击CMOS（EBCMOS）器件，其具有高灵敏度、高帧频、快响应、低功耗、低噪声等优点，是一种理想的数字微光成像器件^[4]。根据文献报道^[5-6]，要使BCMOS传感器具有电子敏感性，必须通过减薄工艺将表面硅外延层减薄至10 μm左右，但该工艺会在硅表面引入复合中心，导致倍增产生的电子-空穴对向表面扩散并复合，降低了结区对电子的收集效率，导致其电子敏感性低。法国里昂大学对BCMOS进行背减薄处理，将硅外延层减薄至8 μm左右，通过离子注入工艺在硅表面形成重掺杂P+层，利用掺杂离子浓度差形成内建电场，产生的场钝化效应提高了结区对倍增电子收集效率，有效提高了BCMOS电子敏感性^[7]。但是，离子注入掺杂包括离子注入、激光退火等工艺，工艺复杂、成本高，且离子注入容易对表面硅材料造成二次损伤。目前，国内关于提高BCMOS传感器电子敏感性的报道较少，主要以理论研究为主^[8]，极大地限制了EBCMOS器件技术的发展。

文中针对BCMOS传感器的电子敏感性提升问题，基于氧化铝薄膜对硅具有化学钝化、场效应钝化双重钝化作用的原理^[9-10]，采用电子束蒸镀法在BCMOS表面制备了不同厚度的氧化铝薄膜。通过电子轰击测试技术，研究了特定工艺下不同膜厚度对BCMOS电子敏感特性的影响，包括阈值电压、电子收集效率、以及暗电流噪声等，为高灵敏度EBCMOS器件的研制提供技术支撑。

该实验对芯片进行减薄处理后，将芯片与陶瓷管壳进行粘接、打线，获得背减薄的CMOS传感器。采用电子束蒸镀的方式在背减薄表面镀制氧化铝薄膜，利用高能电子束轰击铝靶产生铝蒸汽，在腔体中通入高纯氧气与铝蒸汽反应产生氧化铝，氧化铝薄膜沉积在基底上，沉积速率为0.5 Å/s，镀膜中采用晶体膜厚仪对厚度进行实时监控，实现对镀膜速率和厚度的自动控制。电子束蒸镀法具有薄膜均匀性好、孔洞少、工艺条件简单、适合于批量生产等优势。该实验在CMOS传感器背减薄表面分别镀制了10、15、20 nm厚的氧化铝薄膜。

BCMOS的测试采用电子轰击性能测试系统，具体测试装置如图1所示，其中金阴极、微通道板、BCMOS传感器和读出电路均放置于真空腔体内，腔体真空度小于1×10⁻³ Pa。真空腔室设置有透紫外玻璃窗口、高压电极接口、采集电路电源及信号接口。真空腔室外的高压电源、读出电路电源、采集卡及电脑通过上述接口实现与内部连接。通过上位机软件可以实现对BCMOS光电参数的控制以及测试数据的快速处理，可实现暗电流、平均输出灰度值、信噪比等参数的测量。

Figure 1.  System of vacuum electron bombardment test

测试系统的工作原理为：均匀紫外光透过窗口入射到金阴极面上激发产生均匀光电子，光电子入射微通道板后，通过调节微通道板输入端与输出端偏压对电子束流进行控制，最后微通道板输出端的出射电子在偏置电压作用下轰击BCMOS产生电子图像信号，最后通过上位软件对图像信号进行分析处理。

实验中，采用高压电源在光阴极与微通道板输入端、微通道板输入、输出端之间施加额定电压，保证工作时微通道板输出端输出稳定面电子；通道板输出端与BCMOS电子接收面之间的电压在测试中实时调整，且通道板输出端与BCMOS电子接收面的距离为5 mm，实现对入射电子能量300 eV～2 000 eV的连续可调。图像采集过程中图像的灰度等级为12 bit，积分时间为8 ms～25 ms。

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。

Figure 2.  Principle of electron multiplication

BCMOS的电子增益可以通过如下简化公式进行计算：

式中：E为入射电子能量；E_dead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。

Figure 3.  Electron bombardment response curve

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：

由公式（2）可得到收集效率CE的数学表达式为：

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：

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。

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。

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。

Figure 5.  Response energy corresponding to different thin film thickness

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。

Figure 7.  Effect of energy band distribution on secondary electron collection before and after passivation

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。

Figure 8.  Average dark current of BCMOS sensor under different conditions

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。

对CMOS传感器进行了背减薄处理后，采用电子束蒸镀法在BCMOS面镀制了不同厚度的氧化铝薄膜，使用真空电子轰击性能测试系统对BCMOS传感器的电子敏感特性进行测试。结果表明：在一定范围内，未镀膜以及镀制不同厚度薄膜的BCMOS，电子图像灰度随电子能量的变化呈现出较好的线性关系，且电子响应阈值电压随着薄膜厚度的增加而变大；在表面镀制厚度分别为10、15、20 nm的氧化铝薄膜，BCMOS传感器二次电子收集效率分别提高了14.0%、14.7%、14.9%，可知通过表面钝化可以有效提升BCMOS器件的电子敏感性。同时，BCMOS传感器暗电流随薄膜厚度增加，BCMOS的暗电流分别为1 052 e^-/s·pix^-1、786 e^-/s·pix^-1、678 e^-/s·pix^-1，呈现出减小趋势，可知通过表面钝化可有效抑制暗电流。以上研究结果对EBCMOS器件的研制工作具有重要意义。