基于标准CMOS工艺的片上太阳敏感器研究_范柚攸.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 0-0 2.基金项目:北京微电子技术研究所高校专项计划项目(T X-Z 2 2-0 1).*通信作者:范柚攸E-m a i l:1 5 2 0 9 2 2 8 3 1 51 6 3.c o m光电器件D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 1 0 0 2 0 1基于标准CMO S工艺的片上太阳敏感器研究范柚攸1,2*,王红义3,权海洋2(1.北京大学 集成电路学院,北京1 0 0 8 7 1;2.北京微电子技术研究所,北京1 0 0 0 7 6;3.西安交通大学 微电子学院,西安7 1 0 0 4 9)摘 要:微纳卫星对于载荷的苛刻要求使得太阳敏感器的微型化研究具有重要意义。为了解决光学器件和处理电路的集成兼容问题,文章基于标准CMO S工艺提出一种新型片上太阳敏感器,以金属走线层构建微型墙结构,两侧均匀分布p n结构成光电传感器,通过检测两侧光电流比例解算出入射光角度。文章从工艺实现、模型建立、数值仿真和实验测试等方面验证了器件的合理性和可行性。最终,片上太阳敏感器阵列芯片质量为1.5g,尺寸为3 0 4.2mm3,检测精度为1.6,视场范围为8 0,可满足微型化需求。关键词:标准CMO S工艺;太阳敏感器;阵列结构中图分类号:T N 1 5 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 1 8-0 7R e s e a r c ho nO n-c h i pS u nS e n s o rB a s e do nS t a n d a r dCMO SP r o c e s sF ANY o u y o u1,2,WANG H o n g y i3,QUAN H a i y a n g2(1.S c h o o l o f I n t e g r a t e dC i r c u i t s,P e k i n gU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 8 7 1,C H N;2.B e i j i n gM i c r o e l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yI n s t i t u t e,B e i j i n g1 0 0 0 7 6,C H N;3.S c h o o l o fM i c r o e l e c t r o n i c s,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C H N)A b s t r a c t:I t i s i m p o r t a n t t os t u d y t h em i n i a t u r i z a t i o no f s u ns e n s o r su s e d i n t h em i c r o-n a n os a t e l l i t e sw h o s el o a dr e q u i r e m e n ti sr i g o r o u s.I no r d e rt os o l v et h ei n t e g r a t i o nc o m p a t i b i l i t yp r o b l e mo fo p t i c a l d e v i c e sa n dp r o c e s s i n gc i r c u i t s,an o v e lo n-c h i ps u ns e n s o rb a s e do ns t a n d a r dCMO Sp r o c e s si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r.T h e m i c r o-w a l ls t r u c t u r ew a sc o n s t r u c t e db y m e t a ll a y e r s,a n dt h ep nj u n c t i o n sw e r eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e do nb o t hs i d e sa sp h o t o e l e c t r i cs e n s o r s.T h ea n g l eo f i n c i d e n t l i g h tw a sc a l c u l a t e db yd e t e c t i n gt h er a t i oo fp h o t o c u r r e n t so nb o t hs i d e s.T h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ed e v i c e w e r ev e r i f i e db yt h ep r o c e s sr e a l i z a t i o n,m o d e le s t a b l i s h m e n t,n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l t e s t i n gi nt h i sp a p e r.F i n a l l y,t h eo n-c h i ps u ns e n s o ra r r a yc h i pi sd e s i g n e da n df a b r i c a t e dw h o s em a s si s1.5g,s i z ei s3 0 4.2mm3,t h ed e t e c t i o na c c u r a c y i s1.6 a n d t h e f i e l do f v i e wr a n g e i s 8 0,w h i c hc a nm e e t t h e r e q u i r e m e n t so fm i n i a t u r i z a t i o n.K e yw o r d s:s t a n d a r dCMO Sp r o c e s s;s u ns e n s o r;a r r a ys t r u c t u r e0 引言随着微纳加工和微电子技术的进步,质量小于1 0 0k g的微纳卫星1-3将进一步降低探索宇宙的准入门槛并激发商业市场热情。因此,卫星系统中各模块和器件的微型化也就成为科研人员的研究热点。太阳敏感器4-6由于应用限制少、姿态检测精度高和成本低等优点被最广泛地应用于卫星姿态控制系统,国内外均已开展了对太阳敏感器微型化和智能化的研究。K i m等7研究了一种双轴式模拟型太阳敏感器,入射光经过带有狭缝的光学探头后在81S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2 0 2 3 两片光电池上形成光条纹,根据入射光角度的不同,两片光电池产生的光电流也发生相应变化,光电流经放大电路、采样电路和模数转换电路等处理后输出入射光角度信息。该太阳敏感器有两个狭缝相互垂直的光学 探头,器件尺寸 为8 0mm8 0mm3 0mm,质量为1 5 0g,检测视场为6 0,检测精度为1.2。B o o m等8利用方形孔作为光学探头将入射光引导到底部的光电池上,底部光电池采用四象限阵列布局,通过差分计算太阳光斑在四象限中分布情况检测入射光的高度角和方位角,器件尺寸为4 6mm4 5mm1 7mm,质量为6 0g,检测视场为6 4,检测精度小于2。D e l g a d o等9利用MEM S工艺设计生产了一种二维太阳传感器,利用在硅衬底上生长的氧化层形成窗口和光学传输层,通过光在底部光电二极管上感应的光电流差值得到入射光方向。这种光方向传感器被应用于航天器的定位和调姿,尺寸约为3 0mm3 0mm1 2mm,检测视场为6 0,在一定检测范围内检测精度可达0.1,但是需要外接必要的控制电路检测入射光的信息。目前主流的微型化方式是采用MEM S或硅光子集成工艺1 0等对光学探头进行微型化处理,再结合光电传感器和外围处理电路实现微型化设计。但是这种设计方案面临光学探头和光电传感器的安装对准问题,需要采用复杂的补偿算法进行修正。MEM S或硅光子集成工艺与标准CMO S工艺在兼容性上还存在一些困难,无法利用集成电路的强大信号处理功能,虽然将集成电路和微型化的前端检测结构进行合封1 1是一种可行的方案,但是由于光电信号不得不经过较长的路径才能被处理从而信噪比成为一个非常棘手的问题。本文针对上述问题提出一种基于标准CMO S工艺的太阳敏感器,且其可与处理电路实现真正的单片集成,该解决方案可以为微纳卫星提供一种微型化、低成本和低功耗的太阳敏感器。1 器件结构及原理1.1 工艺实现片上全集成太阳敏感器各结构中难度最大的就是如何构建光学探头将入射光投射到光电传感器上,应用于传统光学探头中的透镜和棱镜等结构由于加工工艺的限制不在研究范围之内,本文重点研究孔隙、挡板等工艺可实现结构。根据障碍物的尺寸大小,入射光发生衍射的程度不同,直线传播是衍射的一种极限情况。利用CMO S工艺构建的微结构关键尺寸一般在微米量级,与可见光波长相近,可能会发生衍射而造成检测偏差。引入菲涅耳数作为判定衍射区域的参数,菲涅耳数的定义如式(1)所示:N=21l0+1r0(1)式中,为孔隙或挡板尺寸,为入射光波长,l0为光源到孔径的距离,r0为接收屏到孔径的距离。实际太阳敏感器工作时l0r0,式(1)可以改写为N=21r0(2)当孔径尺寸不变时,根据接收屏到孔径距离r0的不同可以将衍射情况分为几个不同的区间:几何区(N1)、菲涅耳衍射区(N1)和夫琅禾费衍射区(N1)。同时,孔径尺寸和入射光波长也会影响光学探头的衍 射状态。文献 1 2 中 设 计 的 基 于MEM S的光学探头具有如下光学参数:孔径尺寸为5 0m,接收屏到孔径的距离为4mm,入射光波长为1m,根据上述理论分析计算其菲涅耳数N=0.1 2 5,处于夫琅禾费衍射区具有较强的衍射效应,对于太阳敏感器的检测结果有影响,该太阳敏感器需要复杂的算法对于衍射造成的影响进行补偿。光学探头加工的关键是如何利用工艺实现孔隙、狭缝或挡板等障碍物。标准CMO S工艺中的金属层既可以挡光也可以在金属表面刻蚀不同的图形,因此可以利用金属层构建光学探头结构。随着CMO S工艺的进步和超大规模集成电路的实际需求,金属连线的层数在不断增加。不同金属层的加工工艺类似,但厚度不同,越顶层的金属厚度越大。第一层金属和器件端口之间需要通过引线孔进行电学连接,不同金属层之间还需要通孔实现电学互连,同时,金属层之间填充二氧化硅进行绝缘处理。金属层、引线孔和通孔的厚度构成了光学探头垂直方向上的尺寸,即衍射屏到接收屏的距离。表1列出了1 P 3 M CMO S工艺中金属层相关材料的实际加工厚度。根据表1的数据,可以估算在CMO S工艺中加工的光学探头垂直方向的尺寸是微米级的,随着金属层数的增加尺寸会增大。金属层表面刻蚀图形尺寸可以达到几十甚至上百微米,如果图形孔径尺寸为2 0m,入射光波长为1m,接收屏到孔的距离为4m,菲涅耳数N=1 0 0,与文献1 2 中的光学系统相比,衍射效应的影响被大大降低。因此通过合91 半导体光电2 0 2 3年2月第4 4卷第1期范柚攸 等:基于标准CMO S工艺的片上太阳敏感器研究 理设计可以使得基于CMO S工艺的光学探头的衍射效应得到抑制。表1 1 P 3 MCMO S工艺中金属材料厚度不同材料层厚度/n m引线孔7 3 0第一层金属5 2 0第一与第二层金属之间通孔7 3 0第二层金属6 0 0第二与第三层金属之间通孔7 3 0第三层金属7 2 51.2 模型建立本文基于