用于通用X射线应用的晶圆级有源像素CMOS图像传感器

摘要: 本文以使用标准CMOS技术和有源像素架构的CMOS有源像素传感器为研究对象。该传感器专为X射线成像系统而设计，具有噪声低和感光度高等特点。这种传感器已使用标准0.35μm技术和8″晶圆得到生产。传感器分辨率为每40 x 40μm2 面积3360 x 3348像素。其对角长度略大于190mm。本文对传感器的图纸设计、拼接图和已得到开发的电子光学性能进行了论述。  
      
关键词：CMOS，晶圆级，图像传感器，X射线，有源像素，噪声，拼接  

I．介绍 
  
需要大面积光电探测器阵列的应用通常使用基于无定形光电探测器（即无定型硅或无定型硒）的固体静态探测器，使设备的电子性能受到限制。最近几年来，这类传感器已在各种X射线应用中得到了广泛使用，如乳房X线照相术（mammography）、牙科X射线成像及通用放射线应用等。探测器阵列上部粘着的闪烁器将X射线转换成可视光线，此可视光线可被探测器阵列感知并读出。许多公司使用的高端X射线设备系统都以此类传感器为基础。虽然实践证明无定型传感器能够产生高质量图像，但传感器的性能仍受像素[1]和[2]读噪声的制约。无源像素的使用是产生这种制约的主要原因，但对于大面积阵列无定形硅处理技术来说，使用无源像素是为数不多的选择之一。本文对使用有源像素、标准及商业0.35μm CMOS技术的8″晶圆级CMOS图像传感器的架构和性能进行了论述。这种传感器最近已作为通用X射线应用的原型技术而得到开发，其噪声水平与现行无定形阵列设备的工业标准相比约低一个数量级。本文论述的技术通过拼接方法提供了一种灵活的解决方案，其分辨率上限约为每40 x 40μm面积 4200 x 3384像素，所对应设备尺寸约为13.4x13.5 cm2。上述设备较小；3360x3348像素，直径为168mm。动态范围大于80dB，电能消耗为210mW，电压3.3V。传感器为三边可对接（buttable），允许2 x 2或2 x 3片化。全幅帧速率为8口模拟输出10fps，在外部真相关双取样（CDS）的情况下为5fps。  

II．传感器架构  

图1为XXL图像传感器的架构。这种传感器基本上由8个片化小型图像传感器次阵列组成，每一次阵列拥有一个420 x 3348像素阵列。每一次阵列与其相邻次阵列间都有电子连接，但都可独立于其相邻次阵列进行操作。利用这种方法，晶圆级测试在无需全画幅探针卡的情况下即可进行。一个次阵列包括x和y读出、控制逻辑、模拟偏差以及输出信道等。传感器只拥有模拟输出。芯片不包含ADC，取窗和二次取样可通过外部控制完成。模拟偏差位于外部，通过调整偏差值可以改变功率消耗与带宽的比值。在预设210mW、3.3V的电源供应下每秒产生10个全画幅。

  
Figure 1. Architecture XXL sensor and wafer picture  
图1. XXL传感器架构及晶圆图  
Y shift registers + drivers：Y移位寄存器＋驱动器  
Pixel array：像素阵列  
Sample and hold：取样与保留  
X multiplexers：X多路器  
Digital buffers：数字缓冲器  
Analog out：模拟输出  
Analog biasing：模拟偏差  

III．像素架构  

XXL传感器使用的像素架构以传统的3T有源像素架构为基础。其他使用不同架构的像素也曾被纳入考虑范围，但都因潜在的良品率（yield）问题，或因所选技术不能提供合适的架构而未能入选。在产品开发中还采取了特别方法保护光电二级管不受X射线幅射的损害。这些方法的主要特点在于对由幅射损害引起的场漏进行控制。像素大小为40 x 40μm2，在所需读出电子元件旁还含有若干伪金属图形以满足代工生产（foundry）的“最小金属密度”要求。

  
Figure 2. Pixel layout and architecture of the XXL sensor  
图2.　XXL传感器像素布局和架构  
reset：复位  
select：选择  
输出（列）  

由于以3T架构为基础，像素不支持片上真相关双取样以减少KTC噪声的功能。但是传感器允许通过使用恰当的读出序列完成离片CDS的实施：复位后不久即读出帧数据，在X射线曝光前曝光并读出第二幅帧数据。 {{分页}}

 

图3. 传感器读出序列，用以完成离片CDS  
X-ray pulse time：X射线脉冲时间  
Dark reference frame readout：暗参考帧读取  
Exposed image readout：曝光图像读取  
Image readout time：图像读取时间  

IV．使用X射线照明的分析技术  

XXL CMOS传感器也可使用X射线照明进行分析。为了达到这个目的，开发者在硅片上安装了CsI闪烁器。下列电子参数在X射线剂量达到175krad后又被重新评估。  

放射线剂量达到175krad后，暗电流水平增加。可观察到电流增加14x，进而导致在30℃条件下暗电流水平＞100ke/秒。在总读出时间为200ms（离片CDS）的条件下，这就意味着每获取一帧的暗电流为20ke或40mV。值得注意的是，这一测量是在持续X射线照射后进行的，在一段恢复时间过后，测量结果又有很大改善（三天后减少20%）。 

  

此外，我们还利用人像幻影拍摄了照片，下图即为一例。很显然，这一过程中的MTF（模传函数）由闪烁器照射到硅片上的光线的耦合质量决定，因此使用正确连接在硅片上的闪烁器有望使MTF得到改善。

  

图4.　使用简化版XXL传感器拍摄的人类手腕照片。可以看出图像上存在一处坏列（bad column）。  

V.　拼接  

晶圆级2D拼接布局是XXL传感器的设计与制造面临的主要挑战之一，如图5所示。共有四个主要区块：
  
R：垂直刻线和密封圈  
C：角落刻线和密封圈  
Pix：420 x 414像素阵列  
Sens：读出传感器＋水平刻线  

 

刻线　晶圆  
图5.　XXL传感器拼接  

边缘小区R和C为完全对称：它们包含有所需的传感器左边缘和右边缘。Sens小区也是如此：图中所示为设计的上部和下部。  




表1.　区块维度  


传感器的总分辨率为：x方向8＊420＝3360，y方向8＊413＋44＝3348。传感器尺寸约为135 x 101 mm2，对角长度为168mm。可应用于芯片的最小传感器的分辨率为420 x 457像素，而适用于晶圆的最大传感器分辨率为4200 x 3348像素（SENS区块在x方向上10次重复）。也可进行其他设置，如：传感器可包括一组PIX区块2 x 2阵列。在这种情况下，传感器将拥有840