基于紅外焦平面讀出電路應用的多層stack電容設計及SPICE模型研究

摘要：基于0.5μmCMOS工藝設計并制備了一種應用于紅外焦平面讀出電路的多層堆疊（stack）電容結構，測試結果表明，相比單一形式電容，stack電容的單位面積值增大兩倍以上，因而能夠有效地提升紅外焦平面讀出電路的電荷存儲能力。此外，本文還為設計的多層stack電容建立了一套描述其電學特性的SPICE模型，模型均方根誤差在2%以內，因此可以準確描述stack電容的電學特性，滿足了紅外焦平面讀出電路的仿真設計要求。

關鍵詞：紅外焦平面讀出電路；stack電容；SPICE模型；BSIM3V3模型；邊緣效應

中圖分類號：TN215文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）04-0049-05

0引言

紅外焦平面陣列（InfraredFocalPlaneArray，IRFPA）是一種高性能的紅外固體圖像傳感器，也是紅外成像技術中獲取紅外圖像信號的核心光電器件。它主要由紅外探測器陣列和讀出電路（ReadoutCircuit，ROIC）陣列組成[1-4]，其工作性能不僅與探測器性能，如量子效率、光譜響應、噪聲譜、均勻性等有關，還與信號的輸出性能，如電路輸入級的電荷存儲、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率，讀出電路中的電荷轉移效率、電荷處理能力、串擾等有關。對于許多成熟的紅外焦平面探測器技術來說，目前限制紅外焦平面陣列性能的不再是紅外探測器陣列，而是紅外焦平面陣列中的讀出電路部分。紅外焦平面讀出電路中的積分電容則體現了電路存儲電荷的能力，積分電容容量的增加能夠有效提升焦平面陣列的電荷處理能力，進而提升紅外焦平面的動態范圍、信噪比以及靈敏度，提高圖像信號的質量。

與當前紅外讀出電路大多采用的單層MOS電容相比，采用多層stack電容的較少，目前報道的采用的stack電容多為兩層或者三層[5-7]。多層stack電容采用縱向“堆疊”的工藝，能夠在有限的空間內有效增大紅外讀出電路的積分電容容量，很好地平衡電容容量和占用面積的關系。

SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）模型是工藝代工廠和電路設計者之間的橋梁，很多研究機構以及EDA供應商在SPICE模型的研究上投入了大量的精力。然而，到目前為止還沒有出現能夠描述stack電容電學特性的SPICE模型。

本文基于0.5μmCMOS工藝設計了一種應用于紅外焦平面讀出電路的多層stack電容，該電容采用四層縱向“堆疊”工藝，可以在更小的空間內獲得更大的電容容量，并為該電容建立了一套描述電容特性的SPICE模型。

1stack電容的結構設計

圖1為設計的多層stack電容示意圖，最下層為MOS電容，在MOS電容的柵氧化層上方形成一層PIP（Poly-Insulator-Poly）電容，在A2層與A3層之間形成一層MIM（Metal-Insulator-Metal）電容（記為MIM1電容），A3層與A4層之間形成另一層MIM電容（記為MIM2電容）。MIM1電容、MIM2電容、PIP電容以及MOS電容為并聯關系。

由圖2可以看出，stack電容在其MOS電容處于反型區時的電容值為5.5pF，處于積累區的電容值為7.6pF；且處于積累區的stack電容值隨著偏置電壓變化的幅度更小。

由圖2所還可以看出，占用面積同為32μm×32μm，stack電容能獲得7.6pF的電容容量，而MOS電容、MIM電容、PIP電容分別為2.5pF，2.1pF，1.7pF，stack電容的容量較其他單一形式電容增大兩倍以上。可見，作為紅外焦平面讀出電路的積分電容，所制備的stack電容在較小的空間內能夠保證更大的電容容量，較之MOS電容、MIM電容、PIP電容等單一形式電容有明顯的優勢。

2stack電容的SPICE模型建模

stack電容SPICE模型的建模思路如圖3所示，分別對MOS電容、MIM電容、PIP電容建立SPICE模型。

2.1MOS電容的SPICE模型

設計中，MOS電容模型應用BSIM3V3模型[8-11]，該SPICE模型的示意圖如圖4所示。

在極板面的線度與極板之間距離相近時，在平板電容的邊緣處由于電極形狀的限制，電場線從極板間區域擴展到外部空間[12-13]。如圖6所示，電場線由平行線變為呈開口狀分布，式（12）無法適用于邊緣處的電容。

3結論

本文基于0.5μmCMOS工藝設計并制備了一種適用于紅外讀出電路的多層stack電容，該電容能夠在有限的空間內有效增加積分電容容量，從而有效提升紅外讀出電路存儲電荷的能力；將stack電容視為MOS電容、MIM電容、PIP電容的并聯，進而得出了stack電容精確的SPICE模型。經驗證，該模型的均方根誤差均在2%之內，具有很高的精確度，可以準確描述stack電容的電學特性，滿足紅外讀出電路的仿真設計。