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作者：Lou N. Hutter，高級副總裁兼總經理，Dongbu HiTek公司 當今電子產品對性能和精度的要求越來越高。這些產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)以及只會間接接觸到的設備(比如CT掃描儀和工業控制系統)，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化性能和精度的特殊IC工藝技術。由于專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，通常生產出的獨立設備具有特殊性能。隨著技術的不斷穩定發展，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)所專用的高性能模擬CMOS工藝已在各種專業晶圓代工廠中越來越普及。隨著差異化的新型電子產品不斷涌入，我們不斷見證著模擬IC產業以高于整個產業的速度迅猛增長。 不斷優化的關鍵模擬器件 是什么推動著高精度模擬芯片設計？很簡單，這是工程設計人才和不斷優化的關鍵器件相結合的結果。雖然技術成熟的設計人員相當擅長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鍵器件的性能。 關鍵模擬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鍵。 對于MOS晶體管來講，諸如閾值電壓(VT)和驅動電流(ID,sat)等典型參數十分重要——VT需足夠高，以維持低關斷電流(IOFF)，而由于開關需要低電阻和小外形尺寸來最大限度地減少寄生電容，因此ID,sat非常重要。不過，在高性能領域中， MOS器件需重點關注的是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行頻繁地測量，并且進行處理，而不只是簡單記錄。噪聲往往是一個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題所在。這種效果是由通道的漏極端產生熱載波沖突引起的，NMOS器件尤其會這樣。ISUB會產生總諧波失真(THD)，因此ISUB必須在不顯著犧牲IDsat的情況下進行控制。這需要在設計漏極時下更多的功夫，而不僅僅只是按照常規滿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產生SNR問題，并且會形成分壓器網絡，從而降低整個電容中的電壓。即使是用于高性能模擬工藝的金屬系統也必須進行仔細檢查，并通過優化來減少其寄生效應。 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，因此這個因素在高性能設計中變得非常重要。這實際上是飽和區的IV曲線的“平坦度”。由于與雙極性晶體管情況類似，有時稱為VA。VA是通道長度的一個函數，它與漏極設計策略有著密切關系。VA 較高(特別是對于最小的器件來講)時比較理想，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)，無工藝變異性，在所有環境下的特性均不發生變化。這對于多晶硅電阻來講比較難，這種電阻具有眾所周知的溫度特性，無法輕易地減小其絕對值，并且還具有1/f噪聲特點。 因此我們使用薄膜電阻(TFR)，因為這種電阻在必要時采用激光微調能夠具有更優的整體表現和能力。雖然TFR的工藝更加復雜，需要更多的掩蔽工序，不過增加的復雜性往往也是好產品與優異產品之間差別的體現。對于專用的頂尖產品而言，這往往是一個容易做的決定。 對于電容來講，主要關注的問題是電容密度、容差、電壓系數和介電吸收(DA，有時稱為磁滯現象)。后面的這種效應與電容介質中的電荷捕獲效應有著密切關系，這種效應會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因素。不匹配的具體定義是兩個具有相同設計的器件之差與其平均值之間的百分比。匹配一般可以通過較大的器件尺寸來提升(到一定極限)。不匹配值越小，設計所需的器件尺寸越小，而這意味著給定的設計具有更小的裸片和更低的裸片成本。這是用來淘汰低劣工藝的一個關鍵因素。 其它產品應用可能需要一些專用器件，比如，結型場效應晶體管(JFET)可以實現低噪聲輸入，漏極擴展CMOS (DECMOS)器件可以實現擴展電壓能力。這些器件需要進行一些自身的專用優化工作，并且必須采用整體高精度工藝，同時不降低關鍵的核心器件的品質。本文將不對此進行討論。 現在，所有需要關注的問題似乎都已經有所涉及。不過，晶圓離開晶圓廠后，工藝開發人員的工作并不算完。評估后續的結果至關重要。由于磨薄后的晶圓和封裝模塑料產生的應力，晶圓廠獲得的性能可能會在晶圓磨薄和IC封裝工藝過程中輕易地失去。因此，必須密切關注這類問題，以便減輕這些有害的影響。要達到這個目的，可以采用聚酰亞胺等應力釋放層或者其它技術，比如在晶圓磨薄前在硅工藝結束時采用這些技術，或者在封裝過程中采用這些技術。 采用晶圓廠的專用模擬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性能來實現其產品的差異化。產品制造商以及無晶圓廠企業現在可以通過世界級的專業晶圓廠輕松地采用頂級模擬CMOS工藝。 為了詳細了解目前可以實現的高精度晶圓加工工藝，這里研究一下Dongbu HiTek 公司0.18μm節點的HP180工藝的特點。這個專用模擬CMOS工藝的核心是經過精磨細鑿的器件。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，最大限度地減少介電吸收，同時仍可實現較好的電壓系數。通過優化聚板的摻雜水平，可以實現單位數的極低線性參數和寄生參數。電容比與電壓的典型曲線圖如圖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品可能都是獨立芯片，不過模塊化的專用晶圓加工工藝可以實現高密度邏輯(115Kgates/mm2)，再加上能夠整合板上非易失性存儲器，因此可以進一步實現高性能工藝，從而輕松地從獨立芯片轉化為系統級芯片(SoC)。 本文小結 高性能電子產品需要高精度模擬CMOS工藝技術，從而實現接近理想的MOS晶體管、電阻、電容以及專用JFET和DECMOS器件。為了實現最終芯片的差異化，必須對這種關鍵的器件從頭進行設計，使精度設計貫穿整個設計周期。曾經專屬于模擬IDM的技術領域(比如高性能模擬CMOS工藝技術)如今可以通過專業晶圓廠來實現。在這種趨勢下，設計人員現在可以通過采用晶圓廠開發的模擬CMOS工藝實現其芯片，從而更快地實現更大的差異化。 |
