近年来，背照式（Backside Illuminated，BSI）互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）图像传感器的应用领域越来越广。因其具有更高的灵敏度及量子效率，在空间成像领域有较好的应用前景。BSI CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）采用了新型像素结构与工艺，应用于空间辐射环境中时会产生不同于FSI（Frontside Illuminated，FSI）CIS的辐射效应新问题。BSI CIS背面外延层经过减薄；像素间的隔离工艺复杂度上升；光电转换结构纵向倒置；像素背面增加了氧化层结构。因此，辐射效应将会对器件产生更加严重的影响。目前对其应用于空间可能导致的辐射损伤效应与机理尚不清楚，无法为器件抗辐射加固和抗辐射性能评估提供支撑。本文研究了BSI CIS的电离总剂量效应及位移损伤效应。分别对其进行了γ射线、质子、中子辐照试验，结合退火试验，对不同辐射效应在器件中产生的缺陷类型进行分离，找出其敏感参数及退化模式，并分析其损伤机理。首先研究了BSI CIS的电离总剂量效应。采用γ射线对两种不同外延层厚度的0.18μm工艺BSI CIS进行辐照试验。通过对器件结构及制造工艺的分析，对器件的平均暗电流、暗电流分布、满阱容量、光谱响应、固定模式噪声等参数进行测试，获得了器件的辐射敏感参数；进行了不同温度的退火试验，分离得到氧化物陷阱电荷与界面陷阱电荷对性能参数退化的影响。结果表明，BSI CIS电离总剂量效应的敏感参数主要为暗电流、满阱容量、光谱响应。总剂量水平较低时，暗电流主要由传输栅-光电二极管交叠区硅-二氧化硅界面处的界面陷阱电荷产生电流主导。总剂量较大时，浅槽隔离（Shallow Trench Isolation，STI）结构中的氧化物陷阱电荷引起耗尽区在STI表面发生扩展，STI表面界面陷阱电荷成为主要暗电流产生来源，同时也导致了满阱容量下降。γ射线辐照后，光谱响应受到了严重影响，尤其是短波范围受到的影响更为显著。这主要是由于电离总剂量效应在背面钝化层表面产生的界面陷阱电荷作为复合中心，提高了表面复合速率，降低了短波产生载流子的扩散长度。固定模式噪声的增加主要由相关双采样电路中的晶体管参数非均匀性增加导致。对相似结构的FSI CIS进行电离总剂量试验，与BSI CIS进行对比，获得其退化机理的异同。FSI CIS的平均暗电流、满阱容量、光谱响应同样是电离总剂量效应的敏感参数。低总剂量水平时，其暗电流增长率与BSI CIS差距不大，由栅氧化层氧化质量主导；高总剂量水平时，BSI CIS的暗电流增长率明显大于FSI CIS，这是由STI氧化质量较差导致的。辐照后FSI CIS的满阱容量有所下降，且降幅大于BSI CIS。FSI CIS在短波范围内的量子效率同样出现大幅度的下降。与BSI CIS不同，该下降是由栅氧化层表面的界面陷阱电荷引起。其次，研究了BSI CIS的位移损伤效应。采用不同能量质子及14MeV中子对BSI CIS进行辐照，随后进行了不同温度的退火试验，获得了辐照后器件主要参数的变化规律。试验结果表明，位移损伤效应的敏感参数主要为暗电流和暗电流非均匀性；光谱响应和满阱容量在质子和中子辐照后均有一定程度的下降，但在所研究的注量水平下，下降程度很小。辐照后暗电流的增长主要由团簇缺陷引起，磷空位和双空位也起到一定的作用。辐照后，固定模式噪声的增加是由位移损伤效应引起的相关双采样电路中晶体管非均匀性增加所导致。位移损伤效应所形成的热像素，其高暗电流水平主要由团簇缺陷引起，严重影响图像传感器的成像性能。相较于团簇缺陷，磷空位和双空位形成的热像素暗电流水平较低。通过γ射线、质子、中子辐照后器件的平均暗电流差异发现，背面钝化层产生的载流子对暗电流有一定的贡献，这种现象在位移损伤效应的试验中表现比较明显。对相似结构的FSI CIS进行位移损伤试验，与BSI CIS试验结果进行对比，获得了其退化机理的异同。通过对比不同粒子引起的暗电流增长，可以发现，FSI CIS和BSI CIS具有相近的位移损伤因子，在所研究的NIEL范围内，暗电流的增长仅与位移损伤剂量（Displacement Damage Dose，DDD）有关，与粒子能量和类型无关。暗电流分布也表现出类似的行为模式，在低DDD水平时，暗电流呈指数型分布，且在半对数坐标下具有相同的斜率，即每单位DDD引起的暗电流增长相同；DDD水平较高且相近时，不同粒子形成的暗电流分布几乎重合。本文通过电离总剂量试验和位移损伤试验，得到BSI CIS的累积辐射效应机理，对其参数退化模式与基本物理过程有进一步的认识，为BSI CIS的空间应用提供了支撑，为提高BSI CIS性能及其抗辐射加固提供了思路