楊斯博,李敬國,袁 媛

(中電科光電科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

焦平面紅外探測器的核心是如圖1所示的探測器陣列與讀出電路倒裝互聯(lián)在一起的混成芯片,其工作原理是探測器陣列在視場內(nèi)受到特定波段的紅外光激發(fā),每個像素單元產(chǎn)生微弱的光電流,這些電流通過銦柱流入或流出與之相對應(yīng)的讀出電路的像素級,通過時序的控制,在像素級的積分電容上產(chǎn)生與光電流相應(yīng)的電壓信號,然后讀出電路按序輸出給后端采集系統(tǒng)成像。作為紅外探測器的重要組成部分,讀出電路的性能指標(biāo)對紅外探測器的總體成像質(zhì)量有著直接的影響。隨著紅外探測器技術(shù)的發(fā)展,讀出電路逐漸往更大的規(guī)模陣列和更小的像元間距突破以獲得更細(xì)膩的成像質(zhì)量,這也造成像素的像元面積被進(jìn)一步壓縮,積分電容的布局受到限制,提高了像素的設(shè)計難度。[1]

2 讀出電路電荷處理能力與紅外探測器性能的關(guān)系

動態(tài)范圍(DR)和噪聲等效溫差(NETD)是衡量紅外探測器靈敏度的主要指標(biāo),在20 ℃～35 ℃溫差條件下,根據(jù)NETD的計算公式:

(1)

NETD為溫差與信噪比SNR的比值,SNR計算公式如下:

(2)

其中,Nph是光子噪聲電子數(shù),按下面的公式獲得:

(3)

Ndark是暗電流噪聲電子數(shù),依下列公式求得:

(4)

NR是由固定圖形噪聲、熱噪聲、1/f噪聲、KTC噪聲等組成的讀出電路的噪聲。

由于本探測器需要在110 K這個相對較高的溫度下工作,探測器的暗電流會隨著工作溫度的升高而迅速增大,從而對探測器的最終信噪比造成嚴(yán)重影響,從而造成NETD數(shù)值升高,成像質(zhì)量不佳。從讀出電路著手考慮,需要在讀出電路噪音中需要將KTC噪音降到最低。

KTC噪聲是像素單元因復(fù)位動作而產(chǎn)生的一項噪聲,其表達(dá)式為:

Vn=(KT/CP)1/2

(5)

Cp是前置放大器輸入端電容,是包括輸入級積分電容的節(jié)點全部電容值總和。[2]

從設(shè)計的角度考慮減小KTC噪聲,CP作為分母項,我們可以通過設(shè)計盡可能大的積分電容達(dá)到減小KTC噪聲的目的,電路的積分電容越大,KTC噪聲Vn就會越小,相應(yīng)的紅外探測器性能指標(biāo)也會越好。

3 大電荷處理能力像素單元設(shè)計

電路的積分電容布置在像素單元內(nèi),一般采用MOS電容設(shè)計,其單位面積電容密度較大。版圖設(shè)計要遵守符合半導(dǎo)體集成電路制造可靠性的最小的設(shè)計規(guī)則(Design Rule),圖2列舉出一些版圖設(shè)計規(guī)則。

為了能夠保證高中化學(xué)分層教學(xué)能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用，不斷地提升高中化學(xué)教學(xué)水平以及學(xué)生的化學(xué)綜合能力，相關(guān)的教職人員在實際教學(xué)的過程當(dāng)中必須要對教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的分層處理。只有在明確的教學(xué)目標(biāo)下，相關(guān)的高中化學(xué)教職人員才能夠順利的開展分層教學(xué)，進(jìn)而實現(xiàn)既定教學(xué)目標(biāo)。

圖2 0.18 μm工藝設(shè)計規(guī)則

設(shè)計規(guī)則中構(gòu)成的MOS管的金屬和金屬、多晶硅與多晶硅,N阱與NMOS之間有嚴(yán)格的距離限制,違反這些規(guī)則可能導(dǎo)致制造工藝失敗從而引起電路失效。由于本款電路像元中心間距僅為15 μm,因此在非常有限的像素區(qū)域內(nèi)很難布置出大的積分電容,這對像素單元的版圖設(shè)計是不小的挑戰(zhàn)。本次設(shè)計采用如下三個方法提升像素的積分電容。

3.1 輸入級結(jié)構(gòu)選型

讀出電路像素的輸入級直接通過銦柱與探測器相連,常用的輸入級結(jié)構(gòu)主要有以下幾種:自積分(SI)、直接注入型(DI)、源跟隨器型(SF)、電容跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)(CTIA)等,各種結(jié)構(gòu)在噪聲、占用面積等方面各有優(yōu)劣[3],性能對比見表1所示。

表1 各種輸入級結(jié)構(gòu)性能對比

本次設(shè)計選擇DI搭配SF的像素級結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在噪聲表現(xiàn)、線性度和占用面積方面均有不錯的表現(xiàn),其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輸入級結(jié)構(gòu)

在這種結(jié)構(gòu)中,CK_INT連接的是GPOL管,可以為探測器提供穩(wěn)定偏壓,使探測器工作在反偏區(qū)。RSTB_INT是積分電容的復(fù)位管,當(dāng)高電平脈沖時,MOS管開啟,積分電容C1被復(fù)位。開關(guān)管GAIN連接電容C2,可以做增益切換使用,開啟時電容C2并入積分電容。開關(guān)SH是采樣開關(guān),這個設(shè)計使得電路具備IWR工作模式,在IWR模式下,C1/C2作為積分電容,C3 作為采樣電容,在ITR模式下SH常開,C1、C2、C3并聯(lián)。RSTB_SH是采樣電容C3的復(fù)位管,原理同RSTB_INT。SF管作為為多路傳輸器提供電壓信號并增加驅(qū)動能力的源跟隨器使用。在行選管RS被選通時,源隨輸出電壓輸出至列總線上。DI結(jié)構(gòu)輸入級在各項指標(biāo)表現(xiàn)均衡,并且結(jié)構(gòu)十分簡單,較少的占用面積可以騰出更多的空間布置積分電容,于是我們采用DI結(jié)構(gòu)用做輸入級結(jié)構(gòu)[4]。

3.2 優(yōu)化MOS電容設(shè)計

集成電路版圖設(shè)計一般調(diào)用PDK(Process Design Kit)中標(biāo)準(zhǔn)的MOS器件,通過設(shè)置寬、長參數(shù)以及插指數(shù)便可直接得到MOS器件的版圖圖形,如圖4所示。這種方法十分方便,缺點是這樣調(diào)用的MOS器件均是規(guī)整的矩形,無法充分利用像素面積。采用自定義設(shè)計的積分電容MOS器件,手動按層繪制,可以設(shè)計出不規(guī)則圖形的MOS器件,通過細(xì)微調(diào)整,在滿足DRC規(guī)則的前提下,可以充分利用像素空間,優(yōu)化后的MOS電容如圖5所示。

圖4 典型PCELL MOS器件版圖

圖5 自定義設(shè)計MOS器件版圖

根據(jù)版圖LVS的提取結(jié)果,采用自定義設(shè)計的MOS器件有效柵氧面積達(dá)到148.76 μm2,而采用PCELL設(shè)計的積分電容面積僅為127.8 μm2,采用自定義設(shè)計的MOS器件相較于PCELL電容值增大16 %。

3.3 采用立體垂直式MIM電容疊層設(shè)計

多層金屬布線集成電路工藝的金屬與金屬之間通過絕緣鈍化層隔離,在兩層導(dǎo)體之間夾雜絕緣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)形成了天然的電容器,這種電容器稱為MIM電容器,結(jié)構(gòu)如圖6所示。像素單元中的積分電容采用MOS管的柵氧化層電容,但是受像素單元面積限制不能做的很大。MIM電容結(jié)構(gòu)在集成電路后道工藝中制作,不占用MOS器件結(jié)構(gòu)的面積,在底層的MOS電容無法再增大的情況下,可以在MOS電容上方并聯(lián)疊加MIM電容,充分利用像素單元縱向空間結(jié)構(gòu),達(dá)到增大積分電容的目的。

圖6 MIM電容器結(jié)構(gòu)剖面圖

因為MIM電容的上下極板均為金屬,在進(jìn)行版圖設(shè)計時要綜合考慮貫穿像素陣列的橫向和縱向信號線,預(yù)留走線空間。還要在數(shù)字信號線與敏感模擬節(jié)點間布設(shè)屏蔽金屬層,避免數(shù)字信號對模擬節(jié)點通過寄生的干擾。經(jīng)過幾十種布線方案的迭代,最終確定疊加MIM電容的尺寸分別為11 μm2、25.25 μm2、8.09 μm2,按照其電容密度2 fF/μm2計算,最終MIM電容大小分別為22 fF、50.5 fF、16.18 fF。像素中并聯(lián)疊加的MIM電容如圖7所示,其中METALTOP為MIM電容的上極板,METAL5為MIM電容的下極板。像素設(shè)計最終的完整版圖如圖8所示。

圖7 像素中并聯(lián)的MIM電容

圖8 像素單元完整版圖

按NMOS電容密度5 fF/μm2計算,電路在ITR工作模式下,最大積分電容達(dá)到832.48 fF,按照正常輸出擺幅2.1 V計算,根據(jù)公式:

Q=C·V

(6)

計算得出電路的最大電荷處理能力達(dá)到10.92 Me-。

4 讀出電路設(shè)計仿真結(jié)果

使用ADE軟件對電路進(jìn)行模擬仿真,仿真積分時長設(shè)置為400 μs,仿真結(jié)果如圖9所示:

圖9 像素單元控制信號與積分電壓仿真結(jié)果

像素單元在CKINT_MP波形的低電平期間積分,積分電容上的信號電壓VINT隨著積分時間的增加而線性增加。在積分完成后行選信號RS變?yōu)楦唠娖介_啟,積分得到信號得以向后級傳輸。RST_INT作為積分電容的復(fù)位開關(guān),在下一幀動作開始前置為低電平將積分信號復(fù)位,為下一幀積分做準(zhǔn)備。

仿真相同積分時間、相同激勵條件下一款15微米中心距積分電容為485 fF的讀出電路做對比,如圖10所示,可見具備大帶電荷處理能的讀出電路積分斜率更低,相同激勵條件下更不容易達(dá)到飽和電平。

圖10 與小電容讀出電路仿真對比

對像素單元進(jìn)行掃描仿真,設(shè)置探測器電流范圍0～4.5 nA,步長0.5 nA,仿真電路輸出電壓值與激勵電流對應(yīng)情況,如圖11所示。

圖11 仿真不同激勵下的積分電壓結(jié)果

對仿真結(jié)果總結(jié)并計算出每個步長下電壓變化量見表2。

表2 ITR線性度仿真值

將上述數(shù)據(jù)列表做曲線,得方程y=0.4567x+1.4347,R2值為0.9815,如圖12所示。

圖12 ITR模式線性度仿真計算

由圖12可知,仿真值與擬合曲線對應(yīng)的值最大絕對偏差小于4 mV,輸出最大范圍為2.1 V,因此,非線性度小于0.2 %,讀出電路工作正常,符合設(shè)計預(yù)期。

5 結(jié) 論

本文論述了紅外焦平面探測器讀出電路電荷處理能力對探測器NETD的影響,針對減小讀出電路KTC噪聲,設(shè)計了一款小像元間距大電荷處理能力讀出電路,電路設(shè)計通過采用DI輸入級結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計MOSCAP和并聯(lián)疊層MIM電容三種方法,提升了像素單元積分電容值,最終使讀出電路實現(xiàn)了在ITR模式下10.92 Me-的電荷處理能力。經(jīng)過仿真驗證讀出電路可以正常工作,且I-V線性度良好。