集成光電智能探測(cè)器SOC研究

　　1 序言 

　　本文所討論的智能探測(cè)器，是一種集成的半導(dǎo)體光電探測(cè)器。它與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光敏器件相比，最為明顯的特點(diǎn)是系統(tǒng)集成，即將硅光電二極管與信號(hào)的放大、處理電路及輸出電路集成在一個(gè)芯片上，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性明顯提高，體積大大減小，功耗和噪聲也大幅度減小，在批量生產(chǎn)的前提下，成本也較為低廉。它的另一個(gè)特點(diǎn)是技術(shù)含量較高，表現(xiàn)在：第一，需要設(shè)計(jì)一套CMOS兼容集成工藝流程，使它既能制造出合乎要求的光電二極管又能制造出CMOS模擬和數(shù)字電路。第二，工藝要求高。因?yàn)楣怆姸O管陣列和外圍讀放電路集成在同一個(gè)芯片上，任何一部分出問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片報(bào)廢。因此，要求較高的成品率和工藝水平。第三，芯片要求設(shè)計(jì)精度較高，速度較快。在復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和海關(guān)檢測(cè)等領(lǐng)域，均已使用了功能類似的探測(cè)器芯片，但這些探測(cè)器芯片都是用于探測(cè)線條較粗的物體的。而本文研制的智能探測(cè)器要求探測(cè)直徑200微米左右的微細(xì)線條，這就要求它在設(shè)計(jì)上要有很高的靈敏度和讀出速度。

　　2 應(yīng)用背景

　　本文所研究的智能探測(cè)器SOC可被應(yīng)用于光敏器件陣列的信號(hào)放大，和掃描輸出，也可用于其它多通道輸入信號(hào)的放大和串行輸出。它可以應(yīng)用于食品安全檢測(cè)、工業(yè)CT等多種X射線檢測(cè)領(lǐng)域。圖1所示的X射線檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)典型的應(yīng)用范例。傳送帶以較高的速度將被探測(cè)的物體(比如說(shuō)，食品、物品、行李箱等)依次從探測(cè)系統(tǒng)中穿過(guò)，探測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別有關(guān)信息并將其送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。按圖中的處理步驟依次為：X射線機(jī)發(fā)出適當(dāng)強(qiáng)度的X射線，此射線通過(guò)被探測(cè)物品后即變成載有圖像信號(hào)的射線，然后，載有信號(hào)的X射線通過(guò)某種特殊的晶體，變成可見光，可見光信號(hào)被智能探測(cè)器掃描接收，變成串行的電信號(hào)，此電信號(hào)根據(jù)需要，有可能還要進(jìn)行一些放大，濾波等處理，再經(jīng)過(guò)A／D變換后變成可以被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，在有關(guān)圖像處理和分析軟件的支持下即可在計(jì)算機(jī)上輸出需要的信息。這樣，自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)就可以以較高的速度進(jìn)行高精度大批量處理。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　智能探測(cè)器電路設(shè)計(jì)采用了相關(guān)雙采樣(Correlated double sampling，CDS)的原理來(lái)降低噪聲。電路系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。每個(gè)電荷放大器處理通道由前端的積分器和后端的相關(guān)雙采樣組成。為了能夠?qū)Ψe分和讀出進(jìn)行并行處理，在每一通道上，加入并行的兩個(gè)分支，每個(gè)分支的結(jié)構(gòu)完全相同。每通道有兩個(gè)傳輸門TGA和TGB控制系統(tǒng)的采樣與讀出。當(dāng)TGA導(dǎo)通時(shí)，TGB關(guān)閉，于是分支A被連接到輸出總線，64路分支A上的信號(hào)被移位寄存器掃描輸出。同時(shí)，分支B與輸出總線的聯(lián)系將被切斷，64路分支B上的信號(hào)即進(jìn)行積分與采樣。當(dāng)TGB導(dǎo)通時(shí)，TGA關(guān)閉，情況正好相反，分支B輸出信號(hào)而分支A積分和采樣。于是，我們可以連續(xù)地進(jìn)行積分，采樣和輸出。在有些情況下，這樣的處理，提高了信號(hào)處理速度。

　　如圖2、圖3所示，當(dāng)φREAD為低電平時(shí)，分支A積分和采樣，分支B讀出。首先，φRESET給出一個(gè)高電平復(fù)位脈沖，將積分器復(fù)位。然后φRESET信號(hào)變低，積分過(guò)程開始。首先，在積分剛剛開始時(shí)，分支A中的TG1導(dǎo)通，將積分器輸出信號(hào)采樣到電容C1上，此時(shí)的輸出信號(hào)包括失調(diào)及傳輸噪聲。然后，TG1關(guān)閉，積分繼續(xù)進(jìn)行。在積分結(jié)束前，TG2導(dǎo)通，將積分器輸出信號(hào)采樣到電容C2上，此時(shí)的輸出信號(hào)包括信號(hào)電壓，失調(diào)及傳輸噪聲。在分支A進(jìn)行積分及采樣的過(guò)程中，分支B中的傳輸門TG1與TG2一直關(guān)斷，因此，積分器輸出的變化不會(huì)影響到分支B采樣電容上供掃描輸出的信號(hào)。同時(shí)，分支A中的傳輸門TGA亦關(guān)斷，因此，移位寄存器的輸出信號(hào)也不會(huì)將分支A上的信號(hào)連接至輸出總線。

　　當(dāng)φREAD由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，在分支A的采樣電容上儲(chǔ)存好的一對(duì)差分信號(hào)，將被連接至輸出數(shù)據(jù)總線Video1與Video2，并被移位寄存器掃描輸出，同時(shí)，分支B將進(jìn)行對(duì)信號(hào)的積分和采樣。

　　在實(shí)踐上，我們根據(jù)圖2、圖3所示的原理，使用開關(guān)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低噪聲、高讀出速度的智能探測(cè)器電路設(shè)計(jì)。由于篇幅所限，具體電路結(jié)構(gòu)本文不再贅述。具體的測(cè)試結(jié)果見本文第5部分。

　　4 工藝設(shè)計(jì)

　　本電路采用1μm準(zhǔn)雙阱硅柵CMOS工藝制造，探測(cè)器部分基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。我們力求在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的基礎(chǔ)上做少量修改，保證在不影響正常工藝步驟的情況下，加入少量幾個(gè)工藝步驟，在同一芯片上，制備出高性能光電二極管。與常規(guī)CMOS工藝相比，主要有如下特殊之處：

　　(1)P阱版

　　在電路區(qū)，與常規(guī)的P阱版沒(méi)有差異。對(duì)光電二極管，本次P阱注入形成保護(hù)環(huán)和接觸區(qū)。

　　(2)N阱版

　　在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，不必進(jìn)行這次光刻，只要對(duì)整個(gè)硅片進(jìn)行大面積注入即可。但是，對(duì)于智能探測(cè)器工藝，由于存在光電二極管區(qū)，因此不能進(jìn)行這樣處理。我們?cè)赑阱注入后再加入一塊N阱版，擋住光電二極管區(qū)，只對(duì)電路區(qū)進(jìn)行注入，這樣，就達(dá)到了分別優(yōu)化的目的。

　　(3)P阱場(chǎng)注和有源區(qū)注入

　　這次光刻是利用常規(guī)CMOS工藝的P阱場(chǎng)注形成光電二極管的有源區(qū)注入，該步驟有待于優(yōu)化。

　　(4)P+注入

　　如圖4所示，本次注入在形成電路的P+區(qū)的同時(shí)，還對(duì)光電二極管的接觸區(qū)進(jìn)行了P+注入，以形成良好的接觸。

　　(5)孔版

　　常規(guī)CMOS工藝一次即可刻出接觸孔，但對(duì)光電二極管，不但要刻接觸孔，而且還要刻掉光電二極管光敏面上的LPCVD層，因此，如3.1節(jié)所述，我們使用“孔版”和“孔和有源區(qū)版”來(lái)達(dá)到此目的。第一次光刻接觸孔和光電二極管的有源區(qū)，腐蝕掉LPCVD層，第二次光刻所有的接觸孔，腐蝕掉氮化硅層和二氧化硅層。

　　(6)鈍化版

　　與常規(guī)CMOS工藝的不同之處是，為了避免影響透光，在刻壓焊塊上的鈍化層的同時(shí)，還要刻掉光電二極管有源區(qū)表面的鈍化層。

　　這一步也需要重點(diǎn)優(yōu)化。實(shí)際上，我們已經(jīng)作了一些優(yōu)化工作。例如，可先不做孔和有源區(qū)光刻，等刻完鈍化后再用該版掩蔽濕法刻去光電二級(jí)管有源區(qū)的厚氧化層。這樣，可以省去刻鋁后的PECVD氧化硅鈍化，另外還可提高氧化層刻蝕的終點(diǎn)監(jiān)測(cè)。但是，該方法也存在一定的缺點(diǎn)，即橫向鉆蝕較厲害。故尚有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

　　5 測(cè)試結(jié)果

　　我們使用類似于圖1的系統(tǒng)對(duì)智能探測(cè)器的噪聲進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，其運(yùn)行速度達(dá)到了每秒1 MHz的數(shù)據(jù)輸出速率。不同增益水平下的輸出噪聲如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，從0.5pF至3.5pF的所有增益范圍內(nèi)，智能探測(cè)器的噪聲水平均達(dá)到了1250uV-230uV的水平。這個(gè)水平完全可以達(dá)到食品檢測(cè)和安全檢測(cè)所要求的精度。

　　6 結(jié)論

　　本文討論的集成光電智能探測(cè)器，是基于CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的片上系統(tǒng)。在一片硅片上，既實(shí)現(xiàn)了傳感器功能，又實(shí)現(xiàn)了CMOS信號(hào)處理電路，有效地提高了芯片的處理能力和附加價(jià)值。經(jīng)測(cè)試，其功能完全符合設(shè)計(jì)要求，讀出速度達(dá)到1 MHz的水平，而噪聲水平在0.5pF-3.5pF的增益范圍內(nèi)，達(dá)到1250uV-230uV，具備應(yīng)用于食品檢測(cè)和工業(yè)CT等X射線探測(cè)領(lǐng)域的基本條件。