利用專(zhuān)用晶圓加工工藝實(shí)現高性能模擬IC

當今電子產(chǎn)品對性能和精度的要求越來(lái)越高。這些產(chǎn)品涵蓋我們日常使用的各種設備(比如，手機、音響系統和高清電視)以及只會(huì )間接接觸到的設備(比如CT掃描儀和工業(yè)控制系統)，系統大多采用某種數字微處理器或DSP作為計算引擎，但產(chǎn)品的差異化特性還是由其內部的高性能模擬芯片所決定的。

這些模擬IC往往需要采用能夠優(yōu)化性能和精度的特殊IC工藝技術(shù)。由于專(zhuān)用工藝最初是為提高性能而設計，并非針對注重成本的常規應用，通常生產(chǎn)出的獨立設備具有特殊性能。隨著(zhù)技術(shù)的不斷穩定發(fā)展，這種獨立設計最終在系統級芯片(SoC)方案中獲得了廣泛的應用。

例如，曾為集成器件制造商(IDMS)所專(zhuān)用的高性能模擬CMOS工藝已在各種專(zhuān)業(yè)晶圓代工廠(chǎng)中越來(lái)越普及。隨著(zhù)差異化的新型電子產(chǎn)品不斷涌入，我們不斷見(jiàn)證著(zhù)模擬IC產(chǎn)業(yè)以高于整個(gè)產(chǎn)業(yè)的速度迅猛增長(cháng)。

不斷優(yōu)化的關(guān)鍵模擬器件

是什么推動(dòng)著(zhù)高精度模擬芯片設計？很簡(jiǎn)單，這是工程設計人才和不斷優(yōu)化的關(guān)鍵器件相結合的結果。雖然技術(shù)成熟的設計人員相當擅長(cháng)利用工藝最大限度地提高性能，但他們最終還是受制于可供他們使用的關(guān)鍵器件的性能。

關(guān)鍵模擬CMOS器件由MOS晶體管、電阻和電容組成。MOS器件在每一個(gè)信號鏈IC(放大器、ADC和DAC)中都非常重要，而電阻在DAC中特別重要，電容則是ADC中的關(guān)鍵。電阻和電容在放大器中也充當重要角色，而且在相應的轉換器應用中也很關(guān)鍵。

對于MOS晶體管來(lái)講，諸如閾值電壓(VT)和驅動(dòng)電流(ID,sat)等典型參數十分重要——VT需足夠高，以維持低關(guān)斷電流(IOFF)，而由于開(kāi)關(guān)需要低電阻和小外形尺寸來(lái)最大限度地減少寄生電容，因此ID,sat非常重要。不過(guò)，在高性能領(lǐng)域中， MOS器件需重點(diǎn)關(guān)注的是1/f噪聲、襯底電流(ISUB)、重疊電容和歐拉電壓(VA)等新的“考慮因素”。

由于高精度產(chǎn)品必須保持高信噪比(SNR)，從而能夠從背景噪聲中分辨出微弱的信號，因此噪聲特別重要。必須在早期就對噪聲進(jìn)行頻繁地測量，并且進(jìn)行處理，而不只是簡(jiǎn)單記錄。噪聲往往是一個(gè)影響高精度芯片成功與否的因素。

ISUB可能是高精度設計的真正問(wèn)題所在。這種效果是由通道的漏極端產(chǎn)生熱載波沖突引起的，NMOS器件尤其會(huì )這樣。ISUB會(huì )產(chǎn)生總諧波失真(THD)，因此ISUB必須在不顯著(zhù)犧牲IDsat的情況下進(jìn)行控制。這需要在設計漏極時(shí)下更多的功夫，而不僅僅只是按照常規滿(mǎn)足器件的可靠性要求。

MOS晶體管中的寄生電容必須盡可能最大限度地減小，因為這些寄生電容可能會(huì )產(chǎn)生SNR問(wèn)題，并且會(huì )形成分壓器網(wǎng)絡(luò )，從而降低整個(gè)電容中的電壓。即使是用于高性能模擬工藝的金屬系統也必須進(jìn)行仔細檢查，并通過(guò)優(yōu)化來(lái)減少其寄生效應。

MOS晶體管用作增益極。由于增益與晶體管的輸出電阻(ro)有關(guān)，因此這個(gè)因素在高性能設計中變得非常重要。這實(shí)際上是飽和區的IV曲線(xiàn)的“平坦度”。由于與雙極性晶體管情況類(lèi)似，有時(shí)稱(chēng)為VA。VA是通道長(cháng)度的一個(gè)函數，它與漏極設計策略有著(zhù)密切關(guān)系。VA 較高(特別是對于最小的器件來(lái)講)時(shí)比較理想，因為設計人員的目標是在寄生電容最小的情況下獲得增益。

對于電阻來(lái)講，主要考慮因素是表面電阻和電阻容差以及電壓和溫度系數。簡(jiǎn)單地講，設計人員所需要的理想器件是：占板面積小(從而降低寄生電容)，無(wú)工藝變異性，在所有環(huán)境下的特性均不發(fā)生變化。這對于多晶硅電阻來(lái)講比較難，這種電阻具有眾所周知的溫度特性，無(wú)法輕易地減小其絕對值，并且還具有1/f噪聲特點(diǎn)。

因此我們使用薄膜電阻(TFR)，因為這種電阻在必要時(shí)采用激光微調能夠具有更優(yōu)的整體表現和能力。雖然TFR的工藝更加復雜，需要更多的掩蔽工序，不過(guò)增加的復雜性往往也是好產(chǎn)品與優(yōu)異產(chǎn)品之間差別的體現。對于專(zhuān)用的頂尖產(chǎn)品而言，這往往是一個(gè)容易做的決定。

對于電容來(lái)講，主要關(guān)注的問(wèn)題是電容密度、容差、電壓系數和介電吸收(DA，有時(shí)稱(chēng)為磁滯現象)。后面的這種效應與電容介質(zhì)中的電荷捕獲效應有著(zhù)密切關(guān)系，這種效應會(huì )使剩余電荷在器件充電之后重新出現在電容板上。

在許多標準應用中，設計人員需要獲得他們能夠得到的最高電容/區域，不過(guò)高精度模擬應用卻不一定是這樣。在這種應用中，由于電容匹配(在下文中討論)要求更大的尺寸，因此電容密度往往會(huì )降低，從而最大限度地減少了系統中的總電容。電容電壓系數由選擇的電容板摻雜水平確定，而介電吸收則由選擇的介電材料等因素確定。很明顯，要優(yōu)化工藝就需要掌握大量特性的二階和三階影響。

對于以上列出的每一種器件，器件不匹配都是模擬設計中極其重要的一個(gè)因素。不匹配的具體定義是兩個(gè)具有相同設計的器件之差與其平均值之間的百分比。匹配一般可以通過(guò)較大的器件尺寸來(lái)提升(到一定極限)。不匹配值越小，設計所需的器件尺寸越小，而這意味著(zhù)給定的設計具有更小的裸片和更低的裸片成本。這是用來(lái)淘汰低劣工藝的一個(gè)關(guān)鍵因素。

其它產(chǎn)品應用可能需要一些專(zhuān)用器件，比如，結型場(chǎng)效應晶體管(JFET)可以實(shí)現低噪聲輸入，漏極擴展CMOS (DECMOS)器件可以實(shí)現擴展電壓能力。這些器件需要進(jìn)行一些自身的專(zhuān)用優(yōu)化工作，并且必須采用整體高精度工藝，同時(shí)不降低關(guān)鍵的核心器件的品質(zhì)。本文將不對此進(jìn)行討論。

現在，所有需要關(guān)注的問(wèn)題似乎都已經(jīng)有所涉及。不過(guò)，晶圓離開(kāi)晶圓廠(chǎng)后，工藝開(kāi)發(fā)人員的工作并不算完。評估后續的結果至關(guān)重要。由于磨薄后的晶圓和封裝模塑料產(chǎn)生的應力，晶圓廠(chǎng)獲得的性能可能會(huì )在晶圓磨薄和IC封裝工藝過(guò)程中輕易地失去。因此，必須密切關(guān)注這類(lèi)問(wèn)題，以便減輕這些有害的影響。要達到這個(gè)目的，可以采用聚酰亞胺等應力釋放層或者其它技術(shù)，比如在晶圓磨薄前在硅工藝結束時(shí)采用這些技術(shù)，或者在封裝過(guò)程中采用這些技術(shù)。

采用晶圓廠(chǎng)的專(zhuān)用模擬COMS工藝

電子設計人員不再需要僅依靠模擬IDM獲取高性能模擬CMOS性能來(lái)實(shí)現其產(chǎn)品的差異化。產(chǎn)品制造商以及無(wú)晶圓廠(chǎng)企業(yè)現在可以通過(guò)世界級的專(zhuān)業(yè)晶圓廠(chǎng)輕松地采用頂級模擬CMOS工藝。

為了詳細了解目前可以實(shí)現的高精度晶圓加工工藝，這里研究一下Dongbu HiTek 公司0.18μm節點(diǎn)的HP180工藝的特點(diǎn)。這個(gè)專(zhuān)用模擬CMOS工藝的核心是經(jīng)過(guò)精磨細鑿的器件。圖1a和圖1b是用于NMOS和PMOS器件的標準邏輯CMOS工藝、極具成本效益的模擬CMOS工藝和高精度模擬CMOS晶圓加工工藝的1/f噪聲對比圖。

圖1a和圖1b：數字、模擬和高性能模擬CMOS器件的噪聲對比：a) NMOS和b) PMOS。

圖1a和圖1b：數字、模擬和高性能模擬CMOS器件的噪聲對比：a) NMOS和b) PMOS。

這種專(zhuān)用的晶圓加工工藝采用雙層多晶硅法，可以更好地選擇電容介質(zhì)，最大限度地減少介電吸收，同時(shí)仍可實(shí)現較好的電壓系數。通過(guò)優(yōu)化聚板的摻雜水平，可以實(shí)現單位數的極低線(xiàn)性參數和寄生參數。電容比與電壓的典型曲線(xiàn)圖如圖2所示。

圖2：高性能雙層多晶硅電容比與電壓。

如圖3所示，HP180薄膜電阻(TFR)的溫漂為7ppm/°C(表面電阻為950°C/sq)。此外，薄膜電阻匹配性能遠高于傳統多晶硅電阻的匹配性能。

圖3：多晶硅高表面電阻(HSR)與薄膜電阻(TFR)的匹配性能對比，兩種電阻的表面電阻均均約為1K/sq。

雖然設計人員所預期的高性能模擬產(chǎn)品可能都是獨立芯片，不過(guò)模塊化的專(zhuān)用晶圓加工工藝可以實(shí)現高密度邏輯(115Kgates/mm2)，再加上能夠整合板上非易失性存儲器，因此可以進(jìn)一步實(shí)現高性能工藝，從而輕松地從獨立芯片轉化為系統級芯片(SoC)。

本文小結

高性能電子產(chǎn)品需要高精度模擬CMOS工藝技術(shù)，從而實(shí)現接近理想的MOS晶體管、電阻、電容以及專(zhuān)用JFET和DECMOS器件。為了實(shí)現最終芯片的差異化，必須對這種關(guān)鍵的器件從頭進(jìn)行設計，使精度設計貫穿整個(gè)設計周期。曾經(jīng)專(zhuān)屬于模擬IDM的技術(shù)領(lǐng)域(比如高性能模擬CMOS工藝技術(shù))如今可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)晶圓廠(chǎng)來(lái)實(shí)現。在這種趨勢下，設計人員現在可以通過(guò)采用晶圓廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的模擬CMOS工藝實(shí)現其芯片，從而更快地實(shí)現更大的差異化。