基于CMOS技術(shù)設(shè)計智能探測器研究

1 序言

　　本文所討論的智能探測器，是一種集成的半導(dǎo)體光電探測器。它與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光敏器件相比，最為明顯的特點是系統(tǒng)集成，即將硅光電二極管與信號的放大、處理電路及輸出電路集成在一個芯片上，使得整個系統(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。它的另一個特點是技術(shù)含量較高，表現(xiàn)在：第一，需要設(shè)計一套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。因為光電二極管陣列和外圍讀放電路集成在同一個芯片上，任何一部分出問題就會導(dǎo)致整個芯片報廢。因此，要求較高的成品率和工藝水平。第三，芯片要求設(shè)計精度較高，速度較快。在復(fù)印機、傳真機和海關(guān)檢測等領(lǐng)域，均已使用了功能類似的探測器芯片，但這些探測器芯片都是用于探測線條較粗的物體的。而本文研制的智能探測器要求探測直徑200微米左右的微細線條，這就要求它在設(shè)計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器SOC可被應(yīng)用于光敏器件陣列的信號放大，和掃描輸出，也可用于其它多通道輸入信號的放大和串行輸出。它可以應(yīng)用于食品安全檢測、工業(yè)CT等多種X射線檢測領(lǐng)域。圖1所示的X射線檢測系統(tǒng)是一個典型的應(yīng)用范例。傳送帶以較高的速度將被探測的物體(比如說，食品、物品、行李箱等)依次從探測系統(tǒng)中穿過，探測系統(tǒng)自動識別有關(guān)信息并將其送入計算機進行處理。按圖中的處理步驟依次為：X射線機發(fā)出適當(dāng)強度的X射線，此射線通過被探測物品后即變成載有圖像信號的射線，然后，載有信號的X射線通過某種特殊的晶體，變成可見光，可見光信號被智能探測器掃描接收，變成串行的電信號，此電信號根據(jù)需要，有可能還要進行一些放大，濾波等處理，再經(jīng)過A／D變換后變成可以被計算機處理的數(shù)字信號輸入計算機，在有關(guān)圖像處理和分析軟件的支持下即可在計算機上輸出需要的信息。這樣，自動探測系統(tǒng)就可以以較高的速度進行高精度大批量處理。

3 電路設(shè)計

　　智能探測器電路設(shè)計采用了相關(guān)雙采樣(Correlated double sampling，CDS)的原理來降低噪聲。電路系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。每個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分和讀出進行并行處理，在每一通道上，加入并行的兩個分支，每個分支的結(jié)構(gòu)完全相同。每通道有兩個傳輸門TGA和TGB控制系統(tǒng)的采樣與讀出。當(dāng)TGA導(dǎo)通時，TGB關(guān)閉，于是分支A被連接到輸出總線，64路分支A上的信號被移位寄存器掃描輸出。同時，分支B與輸出總線的聯(lián)系將被切斷，64路分支B上的信號即進行積分與采樣。當(dāng)TGB導(dǎo)通時，TGA關(guān)閉，情況正好相反，分支B輸出信號而分支A積分和采樣。于是，我們可以連續(xù)地進行積分，采樣和輸出。在有些情況下，這樣的處理，提高了信號處理速度。

　　如圖2、圖3所示，當(dāng)φREAD為低電平時，分支A積分和采樣，分支B讀出。首先，φRESET給出一個高電平復(fù)位脈沖，將積分器復(fù)位。然后φRESET信號變低，積分過程開始。首先，在積分剛剛開始時，分支A中的TG1導(dǎo)通，將積分器輸出信號采樣到電容C1上，此時的輸出信號包括失調(diào)及傳輸噪聲。然后，TG1關(guān)閉，積分繼續(xù)進行。在積分結(jié)束前，TG2導(dǎo)通，將積分器輸出信號采樣到電容C2上，此時的輸出信號包括信號電壓，失調(diào)及傳輸噪聲。在分支A進行積分及采樣的過程中，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影響到分支B采樣電容上供掃描輸出的信號。同時，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也不會將分支A上的信號連接至輸出總線。

當(dāng)φREAD由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綍r，在分支A的采樣電容上儲存好的一對差分信號，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，分支B將進行對信號的積分和采樣。
在實踐上，我們根據(jù)圖2、圖3所示的原理，使用開關(guān)電容技術(shù)實現(xiàn)了低噪聲、高讀出速度的智能探測器電路設(shè)計。由于篇幅所限，具體電路結(jié)構(gòu)本文不再贅述。具體的測試結(jié)果見本文第5部分。

4 工藝設(shè)計

　　本電路采用1μm準(zhǔn)雙阱硅柵CMOS工藝制造，探測器部分基本結(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阱版沒有差異。對光電二極管，本次P阱注入形成保護環(huán)和接觸區(qū)。

　　(2)N阱版

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

　　(3)P阱場注和有源區(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，還對光電二極管的接觸區(qū)進行了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”來達到此目的。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，還要刻掉光電二極管有源區(qū)表面的鈍化層。

　　這一步也需要重點優(yōu)化。實際上，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監(jiān)測。但是，該方法也存在一定的缺點，即橫向鉆蝕較厲害。故尚有待于進一步優(yōu)化。

5 測試結(jié)果

　　我們使用類似于圖1的系統(tǒng)對智能探測器的噪聲進行了測試，結(jié)果表明，其運行速度達到了每秒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)，智能探測器的噪聲水平均達到了1250uV-230uV的水平。這個水平完全可以達到食品檢測和安全檢測所要求的精度。

6 結(jié)論

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