基于CMOS工藝鎢微測輻射熱計陣列集成芯片的設(shè)計與制作*

申 寧,余 雋,唐禎安

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116023)

?

基于CMOS工藝鎢微測輻射熱計陣列集成芯片的設(shè)計與制作*

申 寧,余 雋,唐禎安*

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116023)

采用0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和微機械加工工藝,設(shè)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(gòu)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(gòu)由表面犧牲層技術(shù)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(dǎo)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(dāng)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(yīng)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(shù);低成本紅外探測器;紅外焦平面陣列

近年來,紅外探測技術(shù)發(fā)展非常迅速,被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)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(yīng)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(shù)逐漸走向成熟,而成本因素也逐漸成為其在民用和商用領(lǐng)域應(yīng)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)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(gòu)得以實現(xiàn)和報道。最常用的方法有表面刻蝕體硅技術(shù)[1-2]、背面刻蝕體硅技術(shù)[3-4]和表面犧牲層技術(shù)[5-8]。其中,表面刻蝕體硅技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和簡單的后CMOS工藝,設(shè)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中多晶硅層作為表面犧牲層實現(xiàn)微懸橋結(jié)構(gòu),使用標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)下方,具有較低的成本。

1 器件的結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)與CMOS讀出電路在標(biāo)準(zhǔn)CMOS加工過程中同時完成。該標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)和熱敏電阻是測輻射熱計的必要組成部分。基于0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝對鎢微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)和工藝進行設(shè)計(圖1)。微懸橋結(jié)構(gòu)由表面犧牲層技術(shù)實現(xiàn),Poly2層被設(shè)計為犧牲層。熱敏電阻由M1層和M2層之間的通孔材料鎢構(gòu)成。這樣的設(shè)計主要從以下幾點考慮:首先,表面犧牲層技術(shù)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(dǎo)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(gòu)和完整的讀出電路。為了將犧牲層(Poly2)裸露出來,在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的光刻鈍化窗口流程中,除了焊盤部分,設(shè)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(dāng)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(shè)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(guān)和一個熱敏電阻。其中,兩個模擬開關(guān)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(guān)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(yīng)的4個模擬開關(guān)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(xué)顯微鏡圖。本設(shè)計將讀出電路中相應(yīng)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(xué)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(shè)計主要有以下兩點考慮:一,采用兩條支撐梁結(jié)構(gòu)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(gòu)。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(shè)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(dāng)溫度為T0時的電阻值,R為當(dāng)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(shè)為283 K到373 K。溫度每上升5 K記錄下鎢電阻的電阻值。標(biāo)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(guān)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(dǎo)G是微測輻射熱計的另一個重要參數(shù),熱導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)計算器件的等效熱導(dǎo)。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(gòu)的熱傳導(dǎo),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(guān)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(guān)系線性擬合圖。實驗得到當(dāng)加熱電流大于0.5 mA時自加熱效應(yīng)明顯。根據(jù)式(3)計算得到鎢微測輻射熱計的等效熱導(dǎo)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(shè)計雖然犧牲了一定的絕熱性,但該結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng)率,我們對其進行了光學(xué)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(yīng)明顯,所以鎢微測輻射熱計的偏置電流應(yīng)小于0.5 mA,本測試中恒流源設(shè)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(yīng)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(dǎo)和熱時間常數(shù)的乘積計算出其熱容為1.74×10-7J/K。當(dāng)斬波頻率為10 Hz時,鎢微測輻射熱計的響應(yīng)率為1.91×103V/W。

圖7 鎢微測輻射熱計的響應(yīng)率與斬波頻率的關(guān)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(yīng)用0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和微機械加工技術(shù),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(chǔ)上進一步優(yōu)化設(shè)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。

[1] Eminoglu S,Tanrikulu M Y,Akin T.A Low-Cost 128×128 Uncooled Infrared Detector Array in CMOS Process[J].J Microelectromech S,2008,17(1):20-30.

[2]Zhang F X,Zhu Y F,Yang J L,et al.Sensitive Detection of Infrared Photons Using a High-Q Microcantilever[J].Journal of Semiconductors,2011,32(9):094010-1-094010-4.

[3]Gitelman L,Stolyarova S,Bar-Lev S,et al.CMOS-SOIMEMS Transistor for Uncooled IR Imaging[J].IEEE T Electron,2009,56(9):1935-1942.

[4]Liu R W,Kong Y M,Jiao B B,et al.A Substrate-Free Optical Readout Focal Plane Array with a Heat Sink Structure[J].Journal of Semiconductors,2011,34(2):024005-1-024005-6.

[5]Wang J Q,Tang Z A,Li J F,et al.A MicroPirani Pressure Sensor Based on the Tungsten Microhotplate in a Standard CMOS Process[J].IEEE T Ind Electron,2009,56(4):1086-1091.

[6]Chi-Anh N,Shin H J,Kim K T,et al.Characterization of Uncooled Bolometer with Vanadium Tungsten Oxide Infrared Active Layer[J].Sensors and Actuators A,2005,123-124:87-91.

[7]Calaza C,Viarani N,Pedretti G,et al.An Uncooled Infrared Focal Plane Array for Low-Cost Applications Fabricated with Standard CMOS Technology[J].Sensor Actuat A:Phys,2006,132:129-138.

[8]Saxena R S,Bhan R K,Rana P S,et al.Study of Performance Degradation in Titanium Microbolometer IR Detectors Due to Elevated Heating[J].Infrared Phys Techn,2011,54:343-352.

[9]Hirota M,Nakajima Y,Saito M,et al.120×90 Element Thermo-electric Infrared Focal Plane Array with Precisely Patterned Au-Black Absorber[J].Sens Actuators A,Phys,2007,135(1):146-151.

[10]Xia Yan,Xue C Y,Ou Wen,et al.A Design of Thermopile Infrared Detector Based on Black Silicon As Absorption[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2012,25(5):581-584.

[11]王明照,于峰崎,高淑琴.一種CMOS工藝兼容的PMOS管紅外探測器[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(5):1717-1720.

[12]Murphy D,Ray M,Kennedy A,et al.High Sensitive 640×512(20 mm Pitch)Microbolometer FPAs[C]//P Soc Photo:Opt Ins,2006,6206:62061A-1-62061A-4.

[13]Wang H C,Yi X J,Huang G,et al.IR Microbolometer with Self-Supporting Structure Operating at Room Temperature[J].Infrared Phys Techn,2004,45:53-57.

[14]Ju Y F,Wu Z M,Li S B,et al.Heat Sensitive Property of Sputtered Titanium Oxide Thin Films for Uncooled IR Detector Application[J].J Mater Sci:Mater El,2012,23:1188-1192.

[15]Roer A,Lapadatu A,Elfving A,et al.Low Cost,High Performance Far Infrared Microbolometer[C]//Proc SPIE,2010,7726:77260Z-1-77260Z-9.

申寧(1986-),男,大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長、教授,主要研究領(lǐng)域為集成電路設(shè)計及制造、微機電系統(tǒng)、氣體傳感器及半導(dǎo)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(xué)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