基于CMOS工艺钨微测辐射热计阵列集成芯片的设计与制作*

申 宁,余 隽,唐祯安

(大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁 大连 116023)



基于CMOS工艺钨微测辐射热计阵列集成芯片的设计与制作*

申 宁,余 隽,唐祯安*

(大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁 大连 116023)

采用0.5 μm标准CMOS工艺和微机械加工工艺,设计并制作了低成本4×4钨微测辐射热计阵列集成芯片。阵列中每个钨微测辐射热计均由微悬桥结构和钨热敏电阻组成,CMOS读出电路集成在阵列下方。微悬桥结构由表面牺牲层技术实现,不需要任何的光刻工艺。钨微测辐射热计像元尺寸为100 μm×100 μm,填充因子为20%。测试结果表明,在真空环境下,钨微测辐射热计等效热导为1.31×10-4W/K,等效热容为1.74×10-7J/K,热时间常数为1.33 ms。当红外光源的斩波频率为10 Hz时,钨微测辐射热计的电压响应率为1.91×103V/W,探测率为1.88×107cm·Hz1/2/W。

CMOS红外探测器;钨微测辐射热计;表面牺牲层技术;低成本红外探测器;红外焦平面阵列

近年来,红外探测技术发展非常迅速,被广泛应用于军事和民用领域。红外探测器可划分为光子红外探测器和非制冷热红外探测器。和光子红外探测器相比,非制冷热红外探测器具有成本低、体积小、低功耗和波谱响应范围广等优点。随着微机电系统(MEMS)的发展,非制冷热红外探测技术逐渐走向成熟,而成本因素也逐渐成为其在民用和商用领域应用的主要限制因素。因此,低成本非制冷热红外探测器的研制得到了广泛的关注。目前,把热红外探测器和读出电路集成到同一材料上(即单片式)并且同标准CMOS工艺兼容是获得低成本探测器的最主要途径。

微悬桥结构和温度敏感机理是低成本非制冷热红外探测器两个核心部分。一方面,利用CMOS工艺和MEMS工艺,大量的微悬桥结构得以实现和报道。最常用的方法有表面刻蚀体硅技术[1-2]、背面刻蚀体硅技术[3-4]和表面牺牲层技术[5-8]。其中,表面刻蚀体硅技术和表面牺牲层技术不需要任何额外的掩膜版和光刻工艺,工艺简单,成本较低。另一方面,与标准CMOS工艺兼容的多种温度敏感机理也被大量报道,包括热敏电阻、热敏二极管[1]、热电堆[9-10]以及热敏MOS管[3,11]等。其中,热敏电阻型机理使用最广泛,并且大量的温敏材料被采用,比如氧化钒[12-13]、钛及氧化钛[8,14]以及锗硅[15]等,这些材料拥有很好的温敏特性,但由于不属于标准CMOS技术从而需要额外的光刻和薄膜沉积工艺,不利于成本控制。

本文利用0.5μm标准CMOS工艺和简单的后CMOS工艺,设计和制作了一种低成本钨微测辐射热计阵列。该微测辐射热计利用标准CMOS工艺中多晶硅层作为表面牺牲层实现微悬桥结构,使用标准CMOS工艺中的通孔材料钨作为热敏电阻。整个工艺过程不需要任何额外的光刻工艺和薄膜沉积工艺,读出电路集成在微悬桥结构下方,具有较低的成本。

1 器件的结构设计与制作工艺

为了实现低成本和高度集成,钨微测辐射热计阵列的主体结构与CMOS读出电路在标准CMOS加工过程中同时完成。该标准CMOS工艺包含有两层多晶硅层(Poly1和Poly2)、三层金属铝互连线层(M1,M2和M3)和一层钝化层(Si3N4)。其中,M1层和多晶硅层之间以及M1层与M2层之间的过孔填充材料为金属钨,M2层和M3层之间的过孔填充材料为金属铝。

微悬桥结构和热敏电阻是测辐射热计的必要组成部分。基于0.5 μm标准CMOS工艺对钨微测辐射热计的结构和工艺进行设计(图1)。微悬桥结构由表面牺牲层技术实现,Poly2层被设计为牺牲层。热敏电阻由M1层和M2层之间的通孔材料钨构成。这样的设计主要从以下几点考虑:首先,表面牺牲层技术不需要任何额外的光刻和薄膜沉积工艺,成本较低;其次,多晶硅材料是最常用的半导体材料,易于腐蚀;再次,钨拥有很好的热稳定性和电气特性,适于作为热敏电阻。

器件的工艺流程如图1所示,具体步骤如下:①利用多晶圆代工完成器件的CMOS工艺流程,形成传感器主体结构和完整的读出电路。为了将牺牲层(Poly2)裸露出来,在标准CMOS工艺中的光刻钝化窗口流程中,除了焊盘部分,设计专用腐蚀窗口,如图1(a)所示。②在样片背面溅射一层金属铝。当湿法腐蚀牺牲层(Poly2层)时,这层铝可以保护背面的硅片免于腐蚀,如图1(b)所示。③湿法腐蚀牺牲层(Poly2层)。由于样片的焊盘材料为金属铝,所以腐蚀液为不腐蚀铝的TMAH配方溶液[5]。腐蚀去除多晶硅牺牲层后,微桥在支撑柱的支撑下主体悬空,如图1(c)所示。

图1 钨微测辐射热计加工工艺流程图

图2 钨微测辐射热计阵列读出电路框图

2 读出电路的设计

图2为钨微测辐射热计阵列读出电路框图。读出电路主要由恒流源电路、扫描电路以及差分输出电路组成。扫描电路包括一个行扫描移位寄存器、一个列扫描移位寄存器以及若干个钨微测辐射热计单元。每个钨微测辐射热计单元包括4个模拟开关和一个热敏电阻。其中,两个模拟开关由行扫描移位寄存器控制,连接热敏电阻和恒流源以及热敏电阻和节点N1。另外两个模拟开关由列扫描移位寄存器控制,连接热敏电阻和地以及感温电阻和节点N2。每个钨微测辐射热计单元,只有相应的4个模拟开关全部被扫描移位寄存器打开,其热敏电阻才会连接到差分输出电路实现温度检测。图3为钨微测辐射热计阵列及其读出电路的光学显微镜图。本设计将读出电路中相应的扫描电路(数字电路)集成在每个钨微测辐射热计单元的支撑柱内,而恒流源电路和信号放大电路(模拟电路)采用片外连接方式。

图3 钨微测辐射热计阵列光学显微镜图

图4 加工后的钨微测辐射热计阵列扫描电镜图

3 测试结果与分析

图4为4×4钨微测辐射热计阵列的扫描电镜图。每个钨微测辐射热计单元的尺寸为100 μm×100 μm,其中包括一个40 μm×40 μm的支撑柱、两个10 μm宽的支撑梁和一个50 μm×40 μm的悬空红外吸收体。支撑梁的材料由氮化硅、氧化硅和钨组成。钨电阻的宽度为0.8 μm,腐蚀窗口的最小宽度为10 μm。这样的设计主要有以下两点考虑:一,采用两条支撑梁结构可以增大微测辐射热计的填充因子,获得较好的热隔离结构。二,每个微测辐射热计的读出电路集成在支撑柱内部,两条支撑梁连接到一个支撑柱上便于电气连接。本设计的钨微测辐射热计的填充因子为20%。

微测辐射热计中热敏电阻的温度系数α是一个重要的参数,它可以表示为:

(1)

其中,R0为当温度为T0时的电阻值,R为当温度为T时的电阻,ΔT为温度变化值。

为了得到钨电阻的温度系数,钨微测辐射热计被放入马弗炉中,温度范围设为283 K到373 K。温度每上升5 K记录下钨电阻的电阻值。标定时采用的温度计为马弗炉自带温度,马弗炉的控温精度为±1 K。图5为钨电阻阻值随温度变化关系线性拟合图。计算得到钨电阻有一个正的电阻温度系数值,在实验测试温度内其值为0.228%/K。

图5 钨电阻阻值随温度变化

热导G是微测辐射热计的另一个重要参数,热导越小,绝热性越好,则器件对辐射热的敏感度越高。为消除空气导热,微测辐射热计的使用环境为真空环境。利用自加热效应计算器件的等效热导。在真空环境下,悬空红外吸收体主要的热损失机理为通过支撑结构的热传导,热稳态时悬空红外吸收体的温升ΔT和自加热电流Ib遵循公式:

(2)

其中,R为微测辐射热计的热敏电阻值。

联合式(1)和式(2),可以得到:

(3)

其中,R0为室温下微测辐射热计的电阻值。

图6 热敏电阻值倒数与自加热电流平方的关系

图6为实验测量的钨微测辐射热计的热敏电阻值倒数与加热电流平方的关系线性拟合图。实验得到当加热电流大于0.5 mA时自加热效应明显。根据式(3)计算得到钨微测辐射热计的等效热导为1.31×10-4W/K。此值与其他同类器件[8,12]相比有些偏大,对比分析可能有两个原因:一,两条支撑梁的宽长比偏大。二,多晶硅牺牲层的厚度(0.22 μm)偏小。本设计虽然牺牲了一定的绝热性,但该结构具有更好地的机械可靠性,并且可以获得更高的成品率。

响应率是微测辐射热计的最重要参数之一,它能直接反映微测辐射热计的性能。微测辐射热计的响应率(Rv)的表达式为:

(4)

其中,S为运放输出端的测量信号,E为红外辐射强度,Ad为器件的有效面积

为了得到钨微测辐射热计的响应率,我们对其进行了光学实验测试。钨微测辐射热计被放置在一个有供红外光透过的锗窗口的真空腔内。红外光源经过机械斩波器调制后,由锗窗口照射到钨微测辐射热计上。红外光源采用辐射波长为1 047 nm的红外激光器。机械斩波器的频率范围为10 Hz到500 Hz。由于钨微测辐射热计在加热电流大于0.5 mA时自加热效应明显,所以钨微测辐射热计的偏置电流应小于0.5 mA,本测试中恒流源设定为0.2 mA。图7为不同斩波频率下,测得的钨微测辐射热计的电压响应率。从图中可以得出钨微测辐射热计的截止频率为120 Hz,计算得到其热时间常数τ为1.33 ms。从而,由热导和热时间常数的乘积计算出其热容为1.74×10-7J/K。当斩波频率为10 Hz时,钨微测辐射热计的响应率为1.91×103V/W。

图7 钨微测辐射热计的响应率与斩波频率的关系

微测辐射热计的探测率表达式为:

(5)

计算得到本文的钨微测辐射热计的噪声等效功率为2.37×10-7W/Hz1/2,探测率为1.88×107cm·Hz1/2/W。

表1为钨微测辐射热计同其他类型微测辐射热计的性能参数比较。从表中可以得出,钨微测辐射热计有着非常低的成本和不错的探测率,对制作低成本微测辐射热计阵列有一定的参考价值,但同时也存在着一些不足需要进一步的改进,比如减小钨微测辐射热计阵列单元的尺寸、提高其填充因子等,从而获得更高的红外探测率。

表1 钨微测辐射热计同其他类型微测辐射热计的性能比较

4 结论

应用0.5 μm标准CMOS工艺和微机械加工技术,成功研制出低成本非制冷钨微测辐射热计阵列集成芯片。读出电路和钨微测辐射热计阵列集成在同一芯片内,有效降低其成本。器件制备工艺简单,成品率高,对于制作大规模焦平面阵列有一定参考价值。在此基础上进一步优化设计和工艺,可以制作出更高性能的低成本微测辐射热计阵列。

[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.一种CMOS工艺兼容的PMOS管红外探测器[J].传感技术学报,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.

申宁(1986-),男,大连理工大学电子科学与技术学院在读博士研究生,主要从事低成本非制冷红外探测器和MEMS工艺的研究,dlshenning@163.com;

唐祯安(1955-),男,大连理工大学电子科学与技术学院院长、教授,主要研究领域为集成电路设计及制造、微机电系统、气体传感器及半导体器件的微尺度传热,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

项目来源:国家自然科学基金项目(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