用于通用X射線應(yīng)用的晶圓級(jí)有源像素CMOS圖像傳感器

摘要: 本文以使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)和有源像素架構(gòu)的CMOS有源像素傳感器為研究對(duì)象。該傳感器專為X射線成像系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，具有噪聲低和感光度高等特點(diǎn)。這種傳感器已使用標(biāo)準(zhǔn)0.35μm技術(shù)和8″晶圓得到生產(chǎn)。傳感器分辨率為每40 x 40μm2 面積3360 x 3348像素。其對(duì)角長(zhǎng)度略大于190mm。本文對(duì)傳感器的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、拼接圖和已得到開發(fā)的電子光學(xué)性能進(jìn)行了論述。  
      
關(guān)鍵詞：CMOS，晶圓級(jí)，圖像傳感器，X射線，有源像素，噪聲，拼接  

I．介紹 
  
需要大面積光電探測(cè)器陣列的應(yīng)用通常使用基于無定形光電探測(cè)器（即無定型硅或無定型硒）的固體靜態(tài)探測(cè)器，使設(shè)備的電子性能受到限制。最近幾年來，這類傳感器已在各種X射線應(yīng)用中得到了廣泛使用，如乳房X線照相術(shù)（mammography）、牙科X射線成像及通用放射線應(yīng)用等。探測(cè)器陣列上部粘著的閃爍器將X射線轉(zhuǎn)換成可視光線，此可視光線可被探測(cè)器陣列感知并讀出。許多公司使用的高端X射線設(shè)備系統(tǒng)都以此類傳感器為基礎(chǔ)。雖然實(shí)踐證明無定型傳感器能夠產(chǎn)生高質(zhì)量圖像，但傳感器的性能仍受像素[1]和[2]讀噪聲的制約。無源像素的使用是產(chǎn)生這種制約的主要原因，但對(duì)于大面積陣列無定形硅處理技術(shù)來說，使用無源像素是為數(shù)不多的選擇之一。本文對(duì)使用有源像素、標(biāo)準(zhǔn)及商業(yè)0.35μm CMOS技術(shù)的8″晶圓級(jí)CMOS圖像傳感器的架構(gòu)和性能進(jìn)行了論述。這種傳感器最近已作為通用X射線應(yīng)用的原型技術(shù)而得到開發(fā)，其噪聲水平與現(xiàn)行無定形陣列設(shè)備的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比約低一個(gè)數(shù)量級(jí)。本文論述的技術(shù)通過拼接方法提供了一種靈活的解決方案，其分辨率上限約為每40 x 40μm面積 4200 x 3384像素，所對(duì)應(yīng)設(shè)備尺寸約為13.4x13.5 cm2。上述設(shè)備較小；3360x3348像素，直徑為168mm。動(dòng)態(tài)范圍大于80dB，電能消耗為210mW，電壓3.3V。傳感器為三邊可對(duì)接（buttable），允許2 x 2或2 x 3片化。全幅幀速率為8口模擬輸出10fps，在外部真相關(guān)雙取樣（CDS）的情況下為5fps。  

II．傳感器架構(gòu)  

圖1為XXL圖像傳感器的架構(gòu)。這種傳感器基本上由8個(gè)片化小型圖像傳感器次陣列組成，每一次陣列擁有一個(gè)420 x 3348像素陣列。每一次陣列與其相鄰次陣列間都有電子連接，但都可獨(dú)立于其相鄰次陣列進(jìn)行操作。利用這種方法，晶圓級(jí)測(cè)試在無需全畫幅探針卡的情況下即可進(jìn)行。一個(gè)次陣列包括x和y讀出、控制邏輯、模擬偏差以及輸出信道等。傳感器只擁有模擬輸出。芯片不包含ADC，取窗和二次取樣可通過外部控制完成。模擬偏差位于外部，通過調(diào)整偏差值可以改變功率消耗與帶寬的比值。在預(yù)設(shè)210mW、3.3V的電源供應(yīng)下每秒產(chǎn)生10個(gè)全畫幅。

  
Figure 1. Architecture XXL sensor and wafer picture  
圖1. XXL傳感器架構(gòu)及晶圓圖  
Y shift registers + drivers：Y移位寄存器＋驅(qū)動(dòng)器  
Pixel array：像素陣列  
Sample and hold：取樣與保留  
X multiplexers：X多路器  
Digital buffers：數(shù)字緩沖器  
Analog out：模擬輸出  
Analog biasing：模擬偏差  

III．像素架構(gòu)  

XXL傳感器使用的像素架構(gòu)以傳統(tǒng)的3T有源像素架構(gòu)為基礎(chǔ)。其他使用不同架構(gòu)的像素也曾被納入考慮范圍，但都因潛在的良品率（yield）問題，或因所選技術(shù)不能提供合適的架構(gòu)而未能入選。在產(chǎn)品開發(fā)中還采取了特別方法保護(hù)光電二級(jí)管不受X射線幅射的損害。這些方法的主要特點(diǎn)在于對(duì)由幅射損害引起的場(chǎng)漏進(jìn)行控制。像素大小為40 x 40μm2，在所需讀出電子元件旁還含有若干偽金屬圖形以滿足代工生產(chǎn)（foundry）的“最小金屬密度”要求。

  
Figure 2. Pixel layout and architecture of the XXL sensor  
圖2.　XXL傳感器像素布局和架構(gòu)  
reset：復(fù)位  
select：選擇  
輸出（列）  

由于以3T架構(gòu)為基礎(chǔ)，像素不支持片上真相關(guān)雙取樣以減少KTC噪聲的功能。但是傳感器允許通過使用恰當(dāng)?shù)淖x出序列完成離片CDS的實(shí)施：復(fù)位后不久即讀出幀數(shù)據(jù)，在X射線曝光前曝光并讀出第二幅幀數(shù)據(jù)。 {{分頁}}

 

圖3. 傳感器讀出序列，用以完成離片CDS  
X-ray pulse time：X射線脈沖時(shí)間  
Dark reference frame readout：暗參考幀讀取  
Exposed image readout：曝光圖像讀取  
Image readout time：圖像讀取時(shí)間  

IV．使用X射線照明的分析技術(shù)  

XXL CMOS傳感器也可使用X射線照明進(jìn)行分析。為了達(dá)到這個(gè)目的，開發(fā)者在硅片上安裝了CsI閃爍器。下列電子參數(shù)在X射線劑量達(dá)到175krad后又被重新評(píng)估。  

放射線劑量達(dá)到175krad后，暗電流水平增加。可觀察到電流增加14x，進(jìn)而導(dǎo)致在30℃條件下暗電流水平＞100ke/秒。在總讀出時(shí)間為200ms（離片CDS）的條件下，這就意味著每獲取一幀的暗電流為20ke或40mV。值得注意的是，這一測(cè)量是在持續(xù)X射線照射后進(jìn)行的，在一段恢復(fù)時(shí)間過后，測(cè)量結(jié)果又有很大改善（三天后減少20%）。 

  

此外，我們還利用人像幻影拍攝了照片，下圖即為一例。很顯然，這一過程中的MTF（模傳函數(shù)）由閃爍器照射到硅片上的光線的耦合質(zhì)量決定，因此使用正確連接在硅片上的閃爍器有望使MTF得到改善。

  

圖4.　使用簡(jiǎn)化版XXL傳感器拍攝的人類手腕照片。可以看出圖像上存在一處壞列（bad column）。  

V.　拼接  

晶圓級(jí)2D拼接布局是XXL傳感器的設(shè)計(jì)與制造面臨的主要挑戰(zhàn)之一，如圖5所示。共有四個(gè)主要區(qū)塊：
  
R：垂直刻線和密封圈  
C：角落刻線和密封圈  
Pix：420 x 414像素陣列  
Sens：讀出傳感器＋水平刻線  

 

刻線　晶圓  
圖5.　XXL傳感器拼接  

邊緣小區(qū)R和C為完全對(duì)稱：它們包含有所需的傳感器左邊緣和右邊緣。Sens小區(qū)也是如此：圖中所示為設(shè)計(jì)的上部和下部。  




表1.　區(qū)塊維度  


傳感器的總分辨率為：x方向8＊420＝3360，y方向8＊413＋44＝3348。傳感器尺寸約為135 x 101 mm2，對(duì)角長(zhǎng)度為168mm。可應(yīng)用于芯片的最小傳感器的分辨率為420 x 457像素，而適用于晶圓的最大傳感器分辨率為4200 x 3348像素（SENS區(qū)塊在x方向上10次重復(fù)）。也可進(jìn)行其他設(shè)置，如：傳感器可包括一組PIX區(qū)塊2 x 2陣列。在這種情況下，傳感器將擁有840