基于红外焦平面读出电路应用的多层stack电容设计及SPICE模型研究

叶伟+戴佼容+刘斯扬+孙伟锋

摘要：基于0.5μmCMOS工艺设计并制备了一种应用于红外焦平面读出电路的多层堆叠（stack）电容结构，测试结果表明，相比单一形式电容，stack电容的单位面积值增大两倍以上，因而能够有效地提升红外焦平面读出电路的电荷存储能力。此外，本文还为设计的多层stack电容建立了一套描述其电学特性的SPICE模型，模型均方根误差在2%以内，因此可以准确描述stack电容的电学特性，满足了红外焦平面读出电路的仿真设计要求。

关键词：红外焦平面读出电路；stack电容；SPICE模型；BSIM3V3模型；边缘效应

中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）04-0049-05

0引言

红外焦平面阵列（InfraredFocalPlaneArray，IRFPA）是一种高性能的红外固体图像传感器，也是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。它主要由红外探测器阵列和读出电路（ReadoutCircuit，ROIC）阵列组成[1-4]，其工作性能不仅与探测器性能，如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关，还与信号的输出性能，如电路输入级的电荷存储、均匀性、线性度、噪声谱、注入效率，读出电路中的电荷转移效率、电荷处理能力、串扰等有关。对于许多成熟的红外焦平面探测器技术来说，目前限制红外焦平面阵列性能的不再是红外探测器阵列，而是红外焦平面阵列中的读出电路部分。红外焦平面读出电路中的积分电容则体现了电路存储电荷的能力，积分电容容量的增加能够有效提升焦平面阵列的电荷处理能力，进而提升红外焦平面的动态范围、信噪比以及灵敏度，提高图像信号的质量。

与当前红外读出电路大多采用的单层MOS电容相比，采用多层stack电容的较少，目前报道的采用的stack电容多为两层或者三层[5-7]。多层stack电容采用纵向“堆叠”的工艺，能够在有限的空间内有效增大红外读出电路的积分电容容量，很好地平衡电容容量和占用面积的关系。

SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）模型是工艺代工厂和电路设计者之间的桥梁，很多研究机构以及EDA供应商在SPICE模型的研究上投入了大量的精力。然而，到目前为止还没有出现能够描述stack电容电学特性的SPICE模型。

本文基于0.5μmCMOS工艺设计了一种应用于红外焦平面读出电路的多层stack电容，该电容采用四层纵向“堆叠”工艺，可以在更小的空间内获得更大的电容容量，并为该电容建立了一套描述电容特性的SPICE模型。

1stack电容的结构设计

图1为设计的多层stack电容示意图，最下层为MOS电容，在MOS电容的栅氧化层上方形成一层PIP（Poly-Insulator-Poly）电容，在A2层与A3层之间形成一层MIM（Metal-Insulator-Metal）电容（记为MIM1电容），A3层与A4层之间形成另一层MIM电容（记为MIM2电容）。MIM1电容、MIM2电容、PIP电容以及MOS电容为并联关系。

由图2可以看出，stack电容在其MOS电容处于反型区时的电容值为5.5pF，处于积累区的电容值为7.6pF；且处于积累区的stack电容值随着偏置电压变化的幅度更小。

由图2所还可以看出，占用面积同为32μm×32μm，stack电容能获得7.6pF的电容容量，而MOS电容、MIM电容、PIP电容分别为2.5pF，2.1pF，1.7pF，stack电容的容量较其他单一形式电容增大两倍以上。可见，作为红外焦平面读出电路的积分电容，所制备的stack电容在较小的空间内能够保证更大的电容容量，较之MOS电容、MIM电容、PIP电容等单一形式电容有明显的优势。

2stack电容的SPICE模型建模

stack电容SPICE模型的建模思路如图3所示，分别对MOS电容、MIM电容、PIP电容建立SPICE模型。

2.1MOS电容的SPICE模型

设计中，MOS电容模型应用BSIM3V3模型[8-11]，该SPICE模型的示意图如图4所示。

在极板面的线度与极板之间距离相近时，在平板电容的边缘处由于电极形状的限制，电场线从极板间区域扩展到外部空间[12-13]。如图6所示，电场线由平行线变为呈开口状分布，式（12）无法适用于边缘处的电容。

3结论

本文基于0.5μmCMOS工艺设计并制备了一种适用于红外读出电路的多层stack电容，该电容能够在有限的空间内有效增加积分电容容量，从而有效提升红外读出电路存储电荷的能力；将stack电容视为MOS电容、MIM电容、PIP电容的并联，进而得出了stack电容精确的SPICE模型。经验证，该模型的均方根误差均在2%之内，具有很高的精确度，可以准确描述stack电容的电学特性，满足红外读出电路的仿真设计。endprint

摘要：基于0.5μmCMOS工艺设计并制备了一种应用于红外焦平面读出电路的多层堆叠（stack）电容结构，测试结果表明，相比单一形式电容，stack电容的单位面积值增大两倍以上，因而能够有效地提升红外焦平面读出电路的电荷存储能力。此外，本文还为设计的多层stack电容建立了一套描述其电学特性的SPICE模型，模型均方根误差在2%以内，因此可以准确描述stack电容的电学特性，满足了红外焦平面读出电路的仿真设计要求。

关键词：红外焦平面读出电路；stack电容；SPICE模型；BSIM3V3模型；边缘效应

中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）04-0049-05

0引言

红外焦平面阵列（InfraredFocalPlaneArray，IRFPA）是一种高性能的红外固体图像传感器，也是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。它主要由红外探测器阵列和读出电路（ReadoutCircuit，ROIC）阵列组成[1-4]，其工作性能不仅与探测器性能，如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关，还与信号的输出性能，如电路输入级的电荷存储、均匀性、线性度、噪声谱、注入效率，读出电路中的电荷转移效率、电荷处理能力、串扰等有关。对于许多成熟的红外焦平面探测器技术来说，目前限制红外焦平面阵列性能的不再是红外探测器阵列，而是红外焦平面阵列中的读出电路部分。红外焦平面读出电路中的积分电容则体现了电路存储电荷的能力，积分电容容量的增加能够有效提升焦平面阵列的电荷处理能力，进而提升红外焦平面的动态范围、信噪比以及灵敏度，提高图像信号的质量。

与当前红外读出电路大多采用的单层MOS电容相比，采用多层stack电容的较少，目前报道的采用的stack电容多为两层或者三层[5-7]。多层stack电容采用纵向“堆叠”的工艺，能够在有限的空间内有效增大红外读出电路的积分电容容量，很好地平衡电容容量和占用面积的关系。

SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）模型是工艺代工厂和电路设计者之间的桥梁，很多研究机构以及EDA供应商在SPICE模型的研究上投入了大量的精力。然而，到目前为止还没有出现能够描述stack电容电学特性的SPICE模型。

本文基于0.5μmCMOS工艺设计了一种应用于红外焦平面读出电路的多层stack电容，该电容采用四层纵向“堆叠”工艺，可以在更小的空间内获得更大的电容容量，并为该电容建立了一套描述电容特性的SPICE模型。

1stack电容的结构设计

图1为设计的多层stack电容示意图，最下层为MOS电容，在MOS电容的栅氧化层上方形成一层PIP（Poly-Insulator-Poly）电容，在A2层与A3层之间形成一层MIM（Metal-Insulator-Metal）电容（记为MIM1电容），A3层与A4层之间形成另一层MIM电容（记为MIM2电容）。MIM1电容、MIM2电容、PIP电容以及MOS电容为并联关系。

由图2可以看出，stack电容在其MOS电容处于反型区时的电容值为5.5pF，处于积累区的电容值为7.6pF；且处于积累区的stack电容值随着偏置电压变化的幅度更小。

由图2所还可以看出，占用面积同为32μm×32μm，stack电容能获得7.6pF的电容容量，而MOS电容、MIM电容、PIP电容分别为2.5pF，2.1pF，1.7pF，stack电容的容量较其他单一形式电容增大两倍以上。可见，作为红外焦平面读出电路的积分电容，所制备的stack电容在较小的空间内能够保证更大的电容容量，较之MOS电容、MIM电容、PIP电容等单一形式电容有明显的优势。

2stack电容的SPICE模型建模

stack电容SPICE模型的建模思路如图3所示，分别对MOS电容、MIM电容、PIP电容建立SPICE模型。

2.1MOS电容的SPICE模型

设计中，MOS电容模型应用BSIM3V3模型[8-11]，该SPICE模型的示意图如图4所示。

在极板面的线度与极板之间距离相近时，在平板电容的边缘处由于电极形状的限制，电场线从极板间区域扩展到外部空间[12-13]。如图6所示，电场线由平行线变为呈开口状分布，式（12）无法适用于边缘处的电容。

3结论

本文基于0.5μmCMOS工艺设计并制备了一种适用于红外读出电路的多层stack电容，该电容能够在有限的空间内有效增加积分电容容量，从而有效提升红外读出电路存储电荷的能力；将stack电容视为MOS电容、MIM电容、PIP电容的并联，进而得出了stack电容精确的SPICE模型。经验证，该模型的均方根误差均在2%之内，具有很高的精确度，可以准确描述stack电容的电学特性，满足红外读出电路的仿真设计。endprint

摘要：基于0.5μmCMOS工艺设计并制备了一种应用于红外焦平面读出电路的多层堆叠（stack）电容结构，测试结果表明，相比单一形式电容，stack电容的单位面积值增大两倍以上，因而能够有效地提升红外焦平面读出电路的电荷存储能力。此外，本文还为设计的多层stack电容建立了一套描述其电学特性的SPICE模型，模型均方根误差在2%以内，因此可以准确描述stack电容的电学特性，满足了红外焦平面读出电路的仿真设计要求。

关键词：红外焦平面读出电路；stack电容；SPICE模型；BSIM3V3模型；边缘效应

中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）04-0049-05

0引言

红外焦平面阵列（InfraredFocalPlaneArray，IRFPA）是一种高性能的红外固体图像传感器，也是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件。它主要由红外探测器阵列和读出电路（ReadoutCircuit，ROIC）阵列组成[1-4]，其工作性能不仅与探测器性能，如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关，还与信号的输出性能，如电路输入级的电荷存储、均匀性、线性度、噪声谱、注入效率，读出电路中的电荷转移效率、电荷处理能力、串扰等有关。对于许多成熟的红外焦平面探测器技术来说，目前限制红外焦平面阵列性能的不再是红外探测器阵列，而是红外焦平面阵列中的读出电路部分。红外焦平面读出电路中的积分电容则体现了电路存储电荷的能力，积分电容容量的增加能够有效提升焦平面阵列的电荷处理能力，进而提升红外焦平面的动态范围、信噪比以及灵敏度，提高图像信号的质量。

与当前红外读出电路大多采用的单层MOS电容相比，采用多层stack电容的较少，目前报道的采用的stack电容多为两层或者三层[5-7]。多层stack电容采用纵向“堆叠”的工艺，能够在有限的空间内有效增大红外读出电路的积分电容容量，很好地平衡电容容量和占用面积的关系。

SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）模型是工艺代工厂和电路设计者之间的桥梁，很多研究机构以及EDA供应商在SPICE模型的研究上投入了大量的精力。然而，到目前为止还没有出现能够描述stack电容电学特性的SPICE模型。

本文基于0.5μmCMOS工艺设计了一种应用于红外焦平面读出电路的多层stack电容，该电容采用四层纵向“堆叠”工艺，可以在更小的空间内获得更大的电容容量，并为该电容建立了一套描述电容特性的SPICE模型。

1stack电容的结构设计

图1为设计的多层stack电容示意图，最下层为MOS电容，在MOS电容的栅氧化层上方形成一层PIP（Poly-Insulator-Poly）电容，在A2层与A3层之间形成一层MIM（Metal-Insulator-Metal）电容（记为MIM1电容），A3层与A4层之间形成另一层MIM电容（记为MIM2电容）。MIM1电容、MIM2电容、PIP电容以及MOS电容为并联关系。

由图2可以看出，stack电容在其MOS电容处于反型区时的电容值为5.5pF，处于积累区的电容值为7.6pF；且处于积累区的stack电容值随着偏置电压变化的幅度更小。

由图2所还可以看出，占用面积同为32μm×32μm，stack电容能获得7.6pF的电容容量，而MOS电容、MIM电容、PIP电容分别为2.5pF，2.1pF，1.7pF，stack电容的容量较其他单一形式电容增大两倍以上。可见，作为红外焦平面读出电路的积分电容，所制备的stack电容在较小的空间内能够保证更大的电容容量，较之MOS电容、MIM电容、PIP电容等单一形式电容有明显的优势。

2stack电容的SPICE模型建模

stack电容SPICE模型的建模思路如图3所示，分别对MOS电容、MIM电容、PIP电容建立SPICE模型。

2.1MOS电容的SPICE模型

设计中，MOS电容模型应用BSIM3V3模型[8-11]，该SPICE模型的示意图如图4所示。

在极板面的线度与极板之间距离相近时，在平板电容的边缘处由于电极形状的限制，电场线从极板间区域扩展到外部空间[12-13]。如图6所示，电场线由平行线变为呈开口状分布，式（12）无法适用于边缘处的电容。

3结论

本文基于0.5μmCMOS工艺设计并制备了一种适用于红外读出电路的多层stack电容，该电容能够在有限的空间内有效增加积分电容容量，从而有效提升红外读出电路存储电荷的能力；将stack电容视为MOS电容、MIM电容、PIP电容的并联，进而得出了stack电容精确的SPICE模型。经验证，该模型的均方根误差均在2%之内，具有很高的精确度，可以准确描述stack电容的电学特性，满足红外读出电路的仿真设计。endprint