改善CMOS数字图像传感器成像质量的γ射线辐照方法 【技术领域】
一种改善CMOS数字图像传感器成像质量的γ射线辐照方法属于图像传感器技术和粒子辐照方法领域。背景技术
现在实用的CMOS数字图像传感器通常是有源像素传感器，它是在一个P型Si衬底上的P型Si外延层上集成了光敏二极管图像阵列和图像处理控制电路的。各像素元有光敏区、n型浮动扩散区和转移晶体管。光敏区的光电转换单元是光电二极管，其结构为：MOS电容结构，下面是在P型Si外延层上埋沟n型区，中间用SiO2层隔离。光敏二极管捕获光子后产生光生电子。转移晶体管把光生电子从光敏区传感到浮动扩散区。浮动扩散区存储和积累光生电子。CMOS图像传感器中有很多个像素元，每个像素元中都有几个晶体管，它用于把离散的电荷信息包转换成电压输出，许多个像素的输出就组成高分辨率图像。但是，每个像素中的晶体管放大器和每列共用的读出放大器的阈值都有一些差别，放大器的这种离散偏差即不均匀性会引起固定图形噪声，使输出信号的信噪比下降，造成捕获的图像质量劣化，器件成品率下降。因此，改善CMOS图像传感器的成像质量对于提高器件成品率、优级品率和扩展其应用领域具有重要意义和经济价值。发明内容
本发明的目的在于提供一种改善CMOS数字图像传感器成像质量的γ射线辐照方法。
本发明的特征在于：辐照温度为室温，辐照剂量为40～120Krad(Si)；在γ射线辐照后进行退火，退火温度为室温至100℃，退火时间为40分钟至15天，其退火时间随着退火温度的升高而减少，气氛为空气。对于彩色CMOS图像传感器而言，辐照剂量小于60Krad(Si)为宜。
使用证明：它达到了预期目的。附图说明
图1：是γ射线辐照前后地黑白CMOS数字图像传感器输出图像比较。
1a，未辐照；
1b，用100Krad(Si)γ射线剂量辐照；
1c，用100Krad(Si)γ射线剂量辐照并在室温放置10天。
图2：是γ射线辐照并在室温放置10天后的黑白CMOS数字图像传感器暗输出图像不均匀度随辐照剂量横轴的变化曲线。
图3：是彩色CMOS数字图像传感器动态范围参数纵轴随γ射线辐照剂量横轴的变化曲线。
图4：是γ射线辐照并在室温放置7天后的彩色CMOS数字图像传感器动态范围参数纵轴随辐照剂量横轴的变化曲线。
图5：是40和60Krad(Si)γ射线剂量辐照后的彩色CMOS数字图像传感器输出图像与未辐照时的比较。
5a，未辐照；
5b，用40Krad(Si)γ射线剂量辐照；
5c，用60Krad(Si)γ射线剂量辐照。
图6：是20和40Krad(Si)γ射线剂量辐照并在室温放置7天后的彩色CMOS数字图像传感器输出图像比较。
6a，未辐照；
6b，用20Krad(Si)γ射线剂量辐照并在室温放置7天；
6c，用40Krad(Si)γ射线剂量辐照并在室温放置7天。具体实施方式
本发明是这样实施的：把CMOS图像传感器在60Coγ源上进行γ射线辐照，再在辐照后适当作热退火处理。γ射线辐照与硅材料发生相互作用是通过康普敦次级电子对硅材料产生电离辐射进行的。由于采用了γ射线对CMOS图像传感器进行辐照处理，电离辐射在CMOS图像传感器中的Si衬底中产生电活性点缺陷即载流子陷阱，在SiO2层中产生固定正空间电荷，也能在Si-SiO2界面产生新的界面态。它们会影响CMOS图像传感器的电学性能，能够掩盖和弱化CMOS图像传感器中的光敏二极管及晶体管放大器因制作工艺而造成的不均匀性，即γ射线辐照对CMOS图像传感器的不均匀性有“整平”作用。因此，γ射线辐照能改善CMOS图像传感器的成像质量。这对于不均匀性较大的CMOS图像传感器特别有效，甚至可以把因不均匀性大而不能出厂的CMOS图像传感器变成合格品。退火处理的目的是消除部分辐照致点缺陷，而剩余的部分辐照致缺陷在室温使用时保持稳定，从而使CMOS图像传感器在室温使用时性能得以稳定。以下将结合实施例予以说明。实施例中涉及的CMOS图像传感器的参数如暗输出不均匀性NUD和动态范围参照中华人民共和国国家计量技术规范JJG 1037-93的定义。
暗输出不均匀性NUD是系统在无光照情况下各像元亮度数据的标准差与其平均值的比值，有NUD=1VmD1NΣi=1N(ViD-VmD)2]]>
其中N是像元数目，VmD是系统在无光照情况下各像元亮度数据的平均值，VmD=1NΣi=1NViD,]]>ViD是各像元亮度数据。
动态范围表征器件探测光信号大小的相对范围，定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值。
实施例1：一种黑白CMOS数字图像传感器，采用的γ射线剂量率为1.25 Krad(Si)/min时，在不大于60 Krad(Si)γ射线剂量辐照后的输出图像清晰度较好。在辐照剂量大于80Krad(Si)时，输出图像的清晰度变差。但是用100 Krad(Si)γ射线剂量辐照并在室温放置10天后的器件暗输出图像的清晰度变得最好，如图1所示。
未辐照时黑白CMOS数字图像传感器的暗输出图像的不均匀性为33％。在以1.25Krad(Si)/min的剂量率，80Krad(Si)剂量γ射线辐照并在室温放置10天时器件暗输出图像的不均匀性仍然很大，约30％左右；在100Krad(Si)剂量辐照并在室温放置10天时器件暗输出图像的不均匀性明显减小，为11％，仅为未辐照器件的1/3，不均匀性明显改善，如前所述，此时成像清晰度也最好。黑白CMOS数字图像传感器的暗输出不均匀性参数随γ射线辐照剂量的变化如下：
剂量(Krad)0 40 60 80 100 120 140 160 180
NUD(％) 33 32 31 29 11 17 14 15 13
综合影响成像质量的其他因素考虑，辐照剂量以40～120Krad(Si)为好，见图2。本方法对不均匀性较大的CMOS数字图像传感器成像质量的改善效果十分明显，可提高优级品率，也可把不均匀性大而不能出厂的CMOS图像传感器变成合格产品，大幅度提高成品率。目视γ射线辐照黑白CMOS图像传感器在室温下放置后的成像比刚辐照后测量的图像明显变好。它反映了一部分γ射线辐照致点缺陷和氧化物电荷在室温下退火消除。再在室温下放置10天，图像质量变化不明显。在高于室温下退火，退火时间可以大大缩短。
100℃退火，退火时间为40分钟，可以获得在室温放置10天后的效果，退火后的CMOS数字图像传感器在室温使用时性能稳定。
实施例2：一种彩色CMOS数字图像传感器未辐照时的输出图像的动态范围参数为140∶1。
图3给出了彩色CMOS数字图像传感器动态范围参数随γ射线辐照剂量变化的曲线。在60Krad(Si)剂量以下γ射线辐照动态范围增大。在20、40和60Krad(Si)剂量辐照时，动态范围分别为240∶1，205∶1和214∶1。
图4是γ射线辐照彩色CMOS数字图像传感器在室温放置7天后的动态范围参数随辐照剂量变化的曲线。辐照并在室温放置7天后，在20、40和60Krad(Si)剂量辐照时动态范围增大，分别为197∶1、232∶1和167∶1。
动态范围的增大反映了彩色CMOS数字图像传感器噪声的明显下降，器件这时捕获的图像其清晰度也最好，如图5～图6所示。
由此可见，本发明提出的γ射线辐照方法可改善黑白和彩色CMOS数字图像传感器的成像质量，有助于大幅度提高产品的成品率和优级品率。