基于CMOS工藝鎢微測輻射熱計陣列集成芯片的設計與制作*

申 寧,余 雋,唐禎安

(大連理工大學電子科學與技術學院,遼寧 大連 116023)

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基于CMOS工藝鎢微測輻射熱計陣列集成芯片的設計與制作*

申 寧,余 雋,唐禎安*

(大連理工大學電子科學與技術學院,遼寧 大連 116023)

采用0.5 μm標準CMOS工藝和微機械加工工藝,設計并制作了低成本4×4鎢微測輻射熱計陣列集成芯片。陣列中每個鎢微測輻射熱計均由微懸橋結(jié)構和鎢熱敏電阻組成,CMOS讀出電路集成在陣列下方。微懸橋結(jié)構由表面犧牲層技術實現(xiàn),不需要任何的光刻工藝。鎢微測輻射熱計像元尺寸為100 μm×100 μm,填充因子為20%。測試結(jié)果表明,在真空環(huán)境下,鎢微測輻射熱計等效熱導為1.31×10-4W/K,等效熱容為1.74×10-7J/K,熱時間常數(shù)為1.33 ms。當紅外光源的斬波頻率為10 Hz時,鎢微測輻射熱計的電壓響應率為1.91×103V/W,探測率為1.88×107cm·Hz1/2/W。

CMOS紅外探測器;鎢微測輻射熱計;表面犧牲層技術;低成本紅外探測器;紅外焦平面陣列

近年來,紅外探測技術發(fā)展非常迅速,被廣泛應用于軍事和民用領域。紅外探測器可劃分為光子紅外探測器和非制冷熱紅外探測器。和光子紅外探測器相比,非制冷熱紅外探測器具有成本低、體積小、低功耗和波譜響應范圍廣等優(yōu)點。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展,非制冷熱紅外探測技術逐漸走向成熟,而成本因素也逐漸成為其在民用和商用領域應用的主要限制因素。因此,低成本非制冷熱紅外探測器的研制得到了廣泛的關注。目前,把熱紅外探測器和讀出電路集成到同一材料上(即單片式)并且同標準CMOS工藝兼容是獲得低成本探測器的最主要途徑。

微懸橋結(jié)構和溫度敏感機理是低成本非制冷熱紅外探測器兩個核心部分。一方面,利用CMOS工藝和MEMS工藝,大量的微懸橋結(jié)構得以實現(xiàn)和報道。最常用的方法有表面刻蝕體硅技術[1-2]、背面刻蝕體硅技術[3-4]和表面犧牲層技術[5-8]。其中,表面刻蝕體硅技術和表面犧牲層技術不需要任何額外的掩膜版和光刻工藝,工藝簡單,成本較低。另一方面,與標準CMOS工藝兼容的多種溫度敏感機理也被大量報道,包括熱敏電阻、熱敏二極管[1]、熱電堆[9-10]以及熱敏MOS管[3,11]等。其中,熱敏電阻型機理使用最廣泛,并且大量的溫敏材料被采用,比如氧化釩[12-13]、鈦及氧化鈦[8,14]以及鍺硅[15]等,這些材料擁有很好的溫敏特性,但由于不屬于標準CMOS技術從而需要額外的光刻和薄膜沉積工藝,不利于成本控制。

本文利用0.5μm標準CMOS工藝和簡單的后CMOS工藝,設計和制作了一種低成本鎢微測輻射熱計陣列。該微測輻射熱計利用標準CMOS工藝中多晶硅層作為表面犧牲層實現(xiàn)微懸橋結(jié)構,使用標準CMOS工藝中的通孔材料鎢作為熱敏電阻。整個工藝過程不需要任何額外的光刻工藝和薄膜沉積工藝,讀出電路集成在微懸橋結(jié)構下方,具有較低的成本。

1 器件的結(jié)構設計與制作工藝

為了實現(xiàn)低成本和高度集成,鎢微測輻射熱計陣列的主體結(jié)構與CMOS讀出電路在標準CMOS加工過程中同時完成。該標準CMOS工藝包含有兩層多晶硅層(Poly1和Poly2)、三層金屬鋁互連線層(M1,M2和M3)和一層鈍化層(Si3N4)。其中,M1層和多晶硅層之間以及M1層與M2層之間的過孔填充材料為金屬鎢,M2層和M3層之間的過孔填充材料為金屬鋁。

微懸橋結(jié)構和熱敏電阻是測輻射熱計的必要組成部分。基于0.5 μm標準CMOS工藝對鎢微測輻射熱計的結(jié)構和工藝進行設計(圖1)。微懸橋結(jié)構由表面犧牲層技術實現(xiàn),Poly2層被設計為犧牲層。熱敏電阻由M1層和M2層之間的通孔材料鎢構成。這樣的設計主要從以下幾點考慮:首先,表面犧牲層技術不需要任何額外的光刻和薄膜沉積工藝,成本較低;其次,多晶硅材料是最常用的半導體材料,易于腐蝕;再次,鎢擁有很好的熱穩(wěn)定性和電氣特性,適于作為熱敏電阻。

器件的工藝流程如圖1所示,具體步驟如下:①利用多晶圓代工完成器件的CMOS工藝流程,形成傳感器主體結(jié)構和完整的讀出電路。為了將犧牲層(Poly2)裸露出來,在標準CMOS工藝中的光刻鈍化窗口流程中,除了焊盤部分,設計專用腐蝕窗口,如圖1(a)所示。②在樣片背面濺射一層金屬鋁。當濕法腐蝕犧牲層(Poly2層)時,這層鋁可以保護背面的硅片免于腐蝕,如圖1(b)所示。③濕法腐蝕犧牲層(Poly2層)。由于樣片的焊盤材料為金屬鋁,所以腐蝕液為不腐蝕鋁的TMAH配方溶液[5]。腐蝕去除多晶硅犧牲層后,微橋在支撐柱的支撐下主體懸空,如圖1(c)所示。

圖1 鎢微測輻射熱計加工工藝流程圖

圖2 鎢微測輻射熱計陣列讀出電路框圖

2 讀出電路的設計

圖2為鎢微測輻射熱計陣列讀出電路框圖。讀出電路主要由恒流源電路、掃描電路以及差分輸出電路組成。掃描電路包括一個行掃描移位寄存器、一個列掃描移位寄存器以及若干個鎢微測輻射熱計單元。每個鎢微測輻射熱計單元包括4個模擬開關和一個熱敏電阻。其中,兩個模擬開關由行掃描移位寄存器控制,連接熱敏電阻和恒流源以及熱敏電阻和節(jié)點N1。另外兩個模擬開關由列掃描移位寄存器控制,連接熱敏電阻和地以及感溫電阻和節(jié)點N2。每個鎢微測輻射熱計單元,只有相應的4個模擬開關全部被掃描移位寄存器打開,其熱敏電阻才會連接到差分輸出電路實現(xiàn)溫度檢測。圖3為鎢微測輻射熱計陣列及其讀出電路的光學顯微鏡圖。本設計將讀出電路中相應的掃描電路(數(shù)字電路)集成在每個鎢微測輻射熱計單元的支撐柱內(nèi),而恒流源電路和信號放大電路(模擬電路)采用片外連接方式。

圖3 鎢微測輻射熱計陣列光學顯微鏡圖

圖4 加工后的鎢微測輻射熱計陣列掃描電鏡圖

3 測試結(jié)果與分析

圖4為4×4鎢微測輻射熱計陣列的掃描電鏡圖。每個鎢微測輻射熱計單元的尺寸為100 μm×100 μm,其中包括一個40 μm×40 μm的支撐柱、兩個10 μm寬的支撐梁和一個50 μm×40 μm的懸空紅外吸收體。支撐梁的材料由氮化硅、氧化硅和鎢組成。鎢電阻的寬度為0.8 μm,腐蝕窗口的最小寬度為10 μm。這樣的設計主要有以下兩點考慮:一,采用兩條支撐梁結(jié)構可以增大微測輻射熱計的填充因子,獲得較好的熱隔離結(jié)構。二,每個微測輻射熱計的讀出電路集成在支撐柱內(nèi)部,兩條支撐梁連接到一個支撐柱上便于電氣連接。本設計的鎢微測輻射熱計的填充因子為20%。

微測輻射熱計中熱敏電阻的溫度系數(shù)α是一個重要的參數(shù),它可以表示為:

(1)

其中,R0為當溫度為T0時的電阻值,R為當溫度為T時的電阻,ΔT為溫度變化值。

為了得到鎢電阻的溫度系數(shù),鎢微測輻射熱計被放入馬弗爐中,溫度范圍設為283 K到373 K。溫度每上升5 K記錄下鎢電阻的電阻值。標定時采用的溫度計為馬弗爐自帶溫度,馬弗爐的控溫精度為±1 K。圖5為鎢電阻阻值隨溫度變化關系線性擬合圖。計算得到鎢電阻有一個正的電阻溫度系數(shù)值,在實驗測試溫度內(nèi)其值為0.228%/K。

圖5 鎢電阻阻值隨溫度變化

熱導G是微測輻射熱計的另一個重要參數(shù),熱導越小,絕熱性越好,則器件對輻射熱的敏感度越高。為消除空氣導熱,微測輻射熱計的使用環(huán)境為真空環(huán)境。利用自加熱效應計算器件的等效熱導。在真空環(huán)境下,懸空紅外吸收體主要的熱損失機理為通過支撐結(jié)構的熱傳導,熱穩(wěn)態(tài)時懸空紅外吸收體的溫升ΔT和自加熱電流Ib遵循公式:

(2)

其中,R為微測輻射熱計的熱敏電阻值。

聯(lián)合式(1)和式(2),可以得到:

(3)

其中,R0為室溫下微測輻射熱計的電阻值。

圖6 熱敏電阻值倒數(shù)與自加熱電流平方的關系

圖6為實驗測量的鎢微測輻射熱計的熱敏電阻值倒數(shù)與加熱電流平方的關系線性擬合圖。實驗得到當加熱電流大于0.5 mA時自加熱效應明顯。根據(jù)式(3)計算得到鎢微測輻射熱計的等效熱導為1.31×10-4W/K。此值與其他同類器件[8,12]相比有些偏大,對比分析可能有兩個原因:一,兩條支撐梁的寬長比偏大。二,多晶硅犧牲層的厚度(0.22 μm)偏小。本設計雖然犧牲了一定的絕熱性,但該結(jié)構具有更好地的機械可靠性,并且可以獲得更高的成品率。

響應率是微測輻射熱計的最重要參數(shù)之一,它能直接反映微測輻射熱計的性能。微測輻射熱計的響應率(Rv)的表達式為:

(4)

其中,S為運放輸出端的測量信號,E為紅外輻射強度,Ad為器件的有效面積

為了得到鎢微測輻射熱計的響應率,我們對其進行了光學實驗測試。鎢微測輻射熱計被放置在一個有供紅外光透過的鍺窗口的真空腔內(nèi)。紅外光源經(jīng)過機械斬波器調(diào)制后,由鍺窗口照射到鎢微測輻射熱計上。紅外光源采用輻射波長為1 047 nm的紅外激光器。機械斬波器的頻率范圍為10 Hz到500 Hz。由于鎢微測輻射熱計在加熱電流大于0.5 mA時自加熱效應明顯,所以鎢微測輻射熱計的偏置電流應小于0.5 mA,本測試中恒流源設定為0.2 mA。圖7為不同斬波頻率下,測得的鎢微測輻射熱計的電壓響應率。從圖中可以得出鎢微測輻射熱計的截止頻率為120 Hz,計算得到其熱時間常數(shù)τ為1.33 ms。從而,由熱導和熱時間常數(shù)的乘積計算出其熱容為1.74×10-7J/K。當斬波頻率為10 Hz時,鎢微測輻射熱計的響應率為1.91×103V/W。

圖7 鎢微測輻射熱計的響應率與斬波頻率的關系

微測輻射熱計的探測率表達式為:

(5)

計算得到本文的鎢微測輻射熱計的噪聲等效功率為2.37×10-7W/Hz1/2,探測率為1.88×107cm·Hz1/2/W。

表1為鎢微測輻射熱計同其他類型微測輻射熱計的性能參數(shù)比較。從表中可以得出,鎢微測輻射熱計有著非常低的成本和不錯的探測率,對制作低成本微測輻射熱計陣列有一定的參考價值,但同時也存在著一些不足需要進一步的改進,比如減小鎢微測輻射熱計陣列單元的尺寸、提高其填充因子等,從而獲得更高的紅外探測率。

表1 鎢微測輻射熱計同其他類型微測輻射熱計的性能比較

4 結(jié)論

應用0.5 μm標準CMOS工藝和微機械加工技術,成功研制出低成本非制冷鎢微測輻射熱計陣列集成芯片。讀出電路和鎢微測輻射熱計陣列集成在同一芯片內(nèi),有效降低其成本。器件制備工藝簡單,成品率高,對于制作大規(guī)模焦平面陣列有一定參考價值。在此基礎上進一步優(yōu)化設計和工藝,可以制作出更高性能的低成本微測輻射熱計陣列。

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申寧(1986-),男,大連理工大學電子科學與技術學院在讀博士研究生,主要從事低成本非制冷紅外探測器和MEMS工藝的研究,dlshenning@163.com;

唐禎安(1955-),男,大連理工大學電子科學與技術學院院長、教授,主要研究領域為集成電路設計及制造、微機電系統(tǒng)、氣體傳感器及半導體器件的微尺度傳熱,tangza@dlut.edu.cn。

TheDesignandFabricationofaTungstenMicrobolometerArrayIntegratedChipinaStandardCMOSProcess*

SHENNing,YUJun,TANGZhen’an*

(College of Electronic Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116023,China)

This paper introduces the implementation of a low-cost 4×4 uncooled infrared tungsten microbolometer array integrated chip in a standard 0.5 μm CMOS technology and micromachining processes.Each tungsten microbolometer in the array consists of a micro-bridge structure and a Tungsten thermistor.CMOS readout circuit is integrated under the array.The micro-bridge structure can be created by etching the surface sacrificial layer after the CMOS fabrication,without any additional lithography procedure.The microbolometer has a size of 100μm×100μm and a fill factor of 20%.Measurements show the effective thermal conductance of 1.31×10-4W/K,the thermal time constant of 1.33 ms and the effective thermal mass of 1.74×10-7J/K in vacuum environment.The responsivity of the microbolometer is about 1.91×104V/W at 10 Hz and the calculated detectivity is 1.88×107cm·Hz1/2/W.

CMOS infrared detectors;tungsten microbolometer;the surface sacrificial layer technology;low-cost infrared detectors;infrared focal plane arrays

項目來源:國家自然科學基金項目(61131004,61274076)

2013-12-03修改日期:2014-05-24

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.004

TN215

:A

:1004-1699(2014)06-0725-05