0.   引言

微光图像数字化是微光夜视技术的发展趋势，实现微光数字化主要有ICCD（Intensified Charge Coupled Device，ICCD）、EMCCD（Electron-Multiplying Charge Coupled Device，EMCCD）、EBCCD（Electron-BomBarded Charge Coupled Device）、EBCMOS（Electron-BomBarded CMOS，EBCMOS）等途径^[1-3]。EBCMOS器件利用电子敏感BCMOS图像传感器（以下将“BCMOS图像传感器”简称为“BCMOS”）将传统微光像增强器的微通道板（Microchannel Plate，MCP）和荧光屏部件替代，使光激发阴极产生的光电子在高压电场作用下直接轰击电子敏感BCMOS实现电子倍增及数字图像信号输出，其具有高灵敏度、低噪声、较低功耗和可进行单光子成像等优点，是一种理想的新型微光成像器件^[4-7]。

具有电子敏感特性的BCMOS作为EBCMOS探测器的核心部件，其电子倍增系数、暗电流等参数直接影响EBCMOS探测器最低可工作照度、信噪比等指标。Barbier R.^[8]等指出，将BCMOS的硅外延层厚度减薄至8 μm左右，通过离子注入工艺在硅表面形成重掺杂P⁺层，并经激光退火等工艺可实现具有电子敏感特性的BCMOS制备，但该工艺复杂、对设备依赖度高，难以在国内开展类似研究。王生凯^[9]、乔凯^[10]等提出，采用氧化铝钝化层的BCMOS具有电子敏感特性，并通过实验证明了厚度为10 nm的氧化铝钝化层对提高电子倍增系数、抑制暗电流的有效性。EBCMOS探测器在工作时电子会持续轰击BCMOS，Nathan Eric Howard^[11]等对采用SiO₂、Si₃N₄等材料做钝化层的BCMOS在经受离子、高能电子、高能射线照射后的暗电流增加原因进行了分析，但低能电子轰击对氧化铝钝化层的BCMOS暗电流的影响因素不完全清楚。

本文针对上述问题，模拟EBCMOS探测器制备工艺及工作条件，在特定入射电子能量、累计轰击电子剂量条件下，对研制的厚度为10 nm的氧化铝钝化膜BCMOS电子轰击后暗电流变化规律进行研究，并基于已有CMOS图像传感器暗电流产生理论，分析了暗电流增加的主要原因。

1.   实验

该实验基于国内某款CMOS，通过对其表面进行减薄处理后，将该芯片与基座进行共晶粘接、打线，获得减薄BCMOS，然后采用电子束蒸镀的方式进行钝化层制备。利用高能电子轰击铝靶产生铝蒸汽，在腔体中通入高纯氧与铝蒸汽反应产生氧化铝，氧化铝膜沉积在基底上，沉积速率为0.5Å/s，镀膜中采用晶体膜厚仪对氧化铝膜层厚度进行实时监测，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，本次实验氧化铝膜层厚度为10 nm。

本次实验采用的实验装置是自主研制的低能电子轰击BCMOS图像传感器测试设备，测试设备如图 1所示。其中多级连微通道板（MCP）组、BCMOS放置于真空腔体内部，腔体真空度优于5×10^－8 Pa。真空腔室外部设置有紫外光源、透紫外玻璃窗口、多路高压偏置电路、微电流计、BCMOS图像传感器信号读出装置及其成像测试板，以及计算机。其中BCMOS信号读出装置可实现真空腔体内部BCMOS信号与真空腔体外部成像测试板的电信号连通，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。

图  1  低能电子轰击BCMOS图像传感器测试设备

Figure  1.  Low energy electron bombardment BCMOS image sensor test equipment

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测量方法为：①将待测试的BCMOS安装在真空腔室内，利用超高真空排气系统对真空腔室排气，待真空腔室内部真空度优于1×10^－6 Pa时，利用烘箱对真空腔室进行200℃的烘烤除气处理，将真空腔室内部真空度提高至5×10^－8 Pa以上，使得电子敏感BCMOS所处状态尽可能接近其在EBCMOS探测器内部工作的状态；②真空腔室烘烤结束且温度恢复室温后，如图 1连接所示，开启紫外灯光，使得紫外光经过石英玻璃观察窗进入真空腔室内部，激发MCP发射光电子，激发的光电子在多级联MCP倍增后形成轰击电子束源，通过调节多级连MCP倍增电压和输出电压参数，可以控制入射至BCMOS表面的电子束密度和轰击能量，并通过BCMOS地引线可获得轰击到BCMOS表面电子束密度的测量；③在特定剂量电子束轰击BCMOS后，通过成像测试板监测BCMOS的暗电流数值，获得轰击电子能量、累计轰击电子数与BCMOS暗电流对应关系。

2.   实验结果及分析

2.1   实验结果

本文实验包括3方面内容：①同一样品在不同电压轰击时暗电流变化情况；②相同钝化层厚度的2只样品在不同电压轰击时暗电流变化情况；③电子轰击后BCMOS静置状态下暗电流变化情况。

1）同一样品在不同电压轰击时暗电流变化

将制备的氧化铝钝化层BCMOS装入低能电子轰击BCMOS图像传感器测试设备，进行烘烤除气处理，系统真空度达到4.5×10^－8 Pa后，测量该传感器初始暗电流为150 e^－/pixel/s，然后通过调节紫外光源强度、多级联MCP电压，使得入射到BCMOS表面的电子密度达到(40±1)nA/cm²；通过调节MCP输出端电压，使得输出电压分别达到－300 V、－600 V、－900 V、－1200 V和－1500 V，且在每个电压条件下轰击时间均为4 h，当轰击时间达到4 h时，关闭上述紫外光源和MCP输出端各极电压，监测BCMOS的暗电流数值，暗电流数据如表 1所示。由表 1可知，当轰击电子能量为300 eV时，BCMOS暗电流增长不足5%，轰击电压调制600 eV后，BCMOS暗电流逐渐增加，增长超过5倍，且随着累计轰击电子数增加，暗电流明显增加，但增长速率有所减小，最后达到最大值12000 e^－/pixel/s。

表  1  不同电压条件轰击后暗电流监测值

Table  1.  Dark current monitoring values after bombardment under different voltage conditions

	Bombardment electron energy/eV	Dark current/(e－/pixel/s)	Dark current growth rate
1	300	157	4.7%
2	600	986	528.0%
3	900	3827	288.1%
4	1200	9815	156.5%
5	1500	12000	22.3%

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2）不同样品在不同电压轰击条件下暗电流变化

为了验证电压对暗电流影响，将制备的2只厚度为10 nm的氧化铝钝化层BCMOS分别装入低能电子轰击BCMOS图像传感器测试设备，进行烘烤除气处理，系统真空度达到4.5×10^－8 Pa后，通过调节紫外光源强度、多级联MCP电压，使得入射到BCMOS表面的电子密度达到(40±1)nA，并调节MCP输出端电压，使得输出电压分别达到－1200 V和－1500 V，并在轰击过程中监测BCMOS图像传感器的暗电流数值，具体数据如图 2所示。由图 2可知，在轰击初始时刻，暗电流随累计轰击电子数成线性增加，且电子轰击能量越大，暗电流增加速率越大，随着累计电子轰击数增加，暗电流增加速率减小，且最终均趋于饱和，饱和值约为12000 e^－/pixel/s。

图  2  不同电压参数时BCMOS图像传感器暗电流变化曲线

Figure  2.  Dark current variation curves of BCMOS image sensor under different voltage parameters

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3）电子轰击样品大气环境静置后暗电流变化数据

将电子轰击后BCMOS存储在电子干燥柜中，并每隔24 h在大气条件下，按照通用测试方法对其暗电流数值进行监测，其暗电流变化如图 3所示，其在静置初期，暗电流减小速率较大，随着静置时间延长，暗电流减小速率减小，并趋于稳定值，其整体衰减趋势为指数衰减。

图  3  电子轰击样品大气环境静置后暗电流变化数据

Figure  3.  Dark current data after standing in atmospheric environment

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2.2   实验分析

电子轰击BCMOS图像传感器时，入射电子首先进入钝化层内部，通过电离、晶格碰撞散射等方式损伤部分能量，然后进入硅材料内部，通过与硅原子碰撞散射，或使硅电离产生电子空穴对，并在内建电场作用下使得电子向体内漂移，由于本实验仅研究1.5 keV以内电子轰击情况，根据前期研究，入射电子能量为2 keV时其入射深度约为50 nm^[8]，因此上述碰撞电离过程均发生在表面50 nm以内的深度。

电子轰击固体材料表面时，可能会产生X射线，Nathan Eric Howard给出了电子轰击硅基材料时X射线发生率，如图 4所示^[11]，入射电子能量超过1.8 keV时，会产生软X射线，本实验所研究的轰击电子能量不超过1.5 keV，则可不考虑X射线对BCMOS造成的影响。

图  4  软X射线产生效率与入射电子能量关系

Figure  4.  Relationship between soft X-ray generation efficiency and incident electron energy

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根据上述分析，本实验电子轰击后引起的BCMOS暗电流增加，主要与BCMOS钝化层、钝化层与硅界面或硅表面晶格损伤有关，为进一步明确暗电流增加的内在原因，特基于蒙特卡洛仿真、电子轰击造成硅晶格损伤机理，以及Shockley-Read-Hall理论3个方面进行了分析，具体如下：

1）钝化层电子模拟仿真

为分析电子轰击引起钝化层变化对暗电流的影响，特利用CASINO软件对入射电子在钝化层内部的运动轨迹进行仿真研究。仿真基本参数条件为：P型硅衬底厚度10 μm，氧化铝厚度10 nm，入射电子能量分别为300 eV、600 eV，入射角度为90°，仿真结果如图 5所示。

图  5  电子在钝化层内部轨迹仿真

Figure  5.  Simulation of electron trajectory in passivation layer

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如图 5(a)所示，当电子能量为300 eV时，电子最大入射深度约为7 nm，无法到达钝化层与硅界面；如图 5(b)所示，当电子入射能量为600 eV时，部分电子可穿过钝化层。根据电子轰击过程中当电子能量为300 eV时，暗电流几乎不变，而电子轰击能量增加至600 eV以后时，暗电流开始增加，据此可以推断，暗电流增加与透过钝化层的电子有关系。

2）入射至硅晶体内部电子引起硅晶格损伤分析

当晶格原子接受的能量达到某一临界值（称为原子位移阈值），晶格原子将离开原来的格点位置，发生原子位移，产生点缺陷，这种晶格损伤是永久损伤。

位移损伤会诱发CMOS体Si禁带中的空位-间隙对和体缺陷的产生，入射粒子能量越大，晶格内发生位移的原子就越多，从而形成新的复合中心，从而使载流子的迁移率减小，电阻率增加，少数载流子寿命降低，体缺陷会成为载流子的散射中心，从而使载流子迁移率降低，这相应地增加了耗尽区的宽度，少子寿命随辐照注量的增加而减少，这都会造成CMOS体暗电流增大^[12]。

晶格原子的位移阈值能量E_d描述晶体受辐照损伤的难易程度，E_d取决于晶体结构/掺杂等情况，对硅和锗等四面键合结构，Baiierlein和Sigmund给出了E_d＝6~16 eV的结果，Lofershi给出的结果为12.9 eV^[12]。而本实验入射电子能量最大为1.5 keV，可利用公式(1)计算碰撞能量传递。

式中：M为晶格原子静止质量；m_e为入射电子质量；E为入射电子能量；c为光速。

根据公式(1)计算可得，当入射电子能量为1.5 keV时，E_A约为0.15 eV，远小于位移阈值能量E_d，并且在本实验中，电子轰击后暗电流有恢复至初始状态的趋势，这与晶格损伤为永久损伤的特性相悖，具体判断，本实验暗电流增加主要是由于钝化层与硅界面处缺陷增加所致。

3）界面缺陷密度增加对暗电流影响分析

根据Shockley-Read-Hall理论模型，界面缺陷态引起的电子产生率满足公式(2)，而电子产生率与BCMOS图像传感器的暗电流成正比^[11]。

式中：为电子产生率；σ_p是空穴俘获截面；σ_n是电子俘获截面；N_t是缺陷能级密度；υ_th是电子和空穴运动速率；E_t是缺陷能级能量；E_i是硅的本征费米能级；K是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；n_i为本征载流子浓度。

由公式(2)可得，暗电流与缺陷态密度成正比，根据半导体物理理论^[13]，半导体表面缺陷态密度最大为10¹⁵原子/cm²，其存在最大值，这与实验中观察到的暗电流存在最大值的现象吻合，根据上述分析，入射电子引起氧化铝钝化层与硅界面处缺陷态增加，是引起上述现象的主要原因。

3.   结论

本文采用电子束密度为40 nA/cm²，电子能量为300~1500 eV的电子束对厚度为10 nm的氧化铝钝化层的BCMOS图像传感器开展电子轰击实验，首先根据实验结果得，当电子能量超过600 eV时，入射电子会造成BCMOS图像传感器暗电流增加，且随着入射电子能量增加，暗电流增加速率增加，其暗电流存在最大值，约为12000 e^－/pixel/s；然后根据蒙特卡洛仿真结果分析指出入射电子能量为300 eV时，电子无法达到氧化铝与硅界面，而当入射电子能量达到600 eV时，入射电子可到达氧化铝与硅界面；之后根据电子轰击硅晶格能量传递计算判断，入射能量≤1.5 keV时电子碰撞不会造成硅晶格损伤；最后根据Shockley-Read-Hall理论分析指出入射电子引起氧化铝钝化层与硅界面处缺陷态增加，是引起上述现象的主要原因。