光纖通信芯片工藝研究

1、光纖通信芯片工藝研究 摘要：近年來(lái)，光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展使得超高速砷化鎵集成電路的研究成為必然。用深亞微米工藝實(shí)現(xiàn)高速、高性能芯片設(shè)計(jì)的工藝也已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。文章對(duì)各種工藝特點(diǎn)進(jìn)行研究對(duì)比，以便盡可能發(fā)揮各種工藝的優(yōu)點(diǎn)。得到關(guān)于具體芯片如何選擇合適設(shè)計(jì)工藝的方案。 關(guān)鍵詞：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體；砷化鎵；芯片工藝；光纖通信 目前，采用深亞微米互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Comple-mentaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）工藝設(shè)計(jì)超高速集成電路是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通過(guò)系統(tǒng)和電路的優(yōu)化將器件速度推進(jìn)到最高。雖然國(guó)外已經(jīng)有利用0.18

2、1;mCMOS工藝實(shí)現(xiàn)10Gb/s18分接器的報(bào)道，但采用0.25µmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)的14分接器的最高速率僅為4.25Gb/s。要采用0.25µmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)10Gb/s數(shù)據(jù)速率，必須在系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)上有所創(chuàng)新。同時(shí)，由于0.25µmCMOS工藝更容易得到代工支持（2002年國(guó)內(nèi)已可以投片），制造費(fèi)用低于0.18µmCMOS工藝，CMOS集成電路采用場(chǎng)效應(yīng)管，且都是互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，工作時(shí)兩個(gè)串聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管總是處于一個(gè)管導(dǎo)通，另一個(gè)管截止的狀態(tài)，電路靜態(tài)功耗理論上為0。實(shí)際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗，所以功耗非常低。這是CMOS集成電

3、路一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。所以本課題對(duì)于各種工藝的研究對(duì)比將具有產(chǎn)業(yè)化的前景1。 1國(guó)內(nèi)外代工廠(chǎng)最新研究動(dòng)態(tài) 目前，國(guó)內(nèi)外有很多代工廠(chǎng)的產(chǎn)品和技術(shù)的更新速度極快，讓人們不得不對(duì)最新的發(fā)展進(jìn)行全面了解，進(jìn)而可以與時(shí)俱進(jìn)地進(jìn)行研究。下文是幾個(gè)比較大的代工廠(chǎng)相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外正致力于用標(biāo)準(zhǔn)工藝開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品，一些業(yè)界領(lǐng)袖公司還開(kāi)發(fā)出了可完全用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)生產(chǎn)的微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）產(chǎn)品。目前，akustica利用CMOS制造設(shè)施和MEMS代工廠(chǎng)生產(chǎn)出了基于MEMS的麥克風(fēng)芯片，該公司可以使用x-fab半導(dǎo)體公司工廠(chǎng)生產(chǎn)0.6mCM

4、OS晶片。臺(tái)積電早在2012年就開(kāi)始了14nm工藝的研發(fā)，并于2015年投入批量生產(chǎn)。使用450mm（18英寸）新晶圓來(lái)制造14nm工藝芯片，而不是當(dāng)時(shí)主流的300mm，這是由于更大尺寸的晶圓將有助于降低生產(chǎn)成本。技術(shù)的發(fā)展總是日新月異，有西班牙媒體報(bào)道稱(chēng)，臺(tái)積電計(jì)劃于5年后部署2nm技術(shù)的工廠(chǎng)，廠(chǎng)址擬定選在中國(guó)臺(tái)灣新竹。即將落戶(hù)在新竹的3nm研發(fā)廠(chǎng)房的環(huán)評(píng)也在近期得以順利通過(guò)，一旦環(huán)評(píng)大會(huì)的結(jié)論得以確認(rèn)，3nm晶圓的生產(chǎn)將會(huì)很快開(kāi)展，預(yù)計(jì)可以順利趕上量產(chǎn)時(shí)程。1.1深亞微米CMOS工藝近幾年來(lái)，隨著集成電路生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，CMOS集成電路的特征尺寸也隨著摩爾定律不斷減小。人們通常把特征尺

5、寸MOS管的柵長(zhǎng)在10.5µm的集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，稱(chēng)為亞微米設(shè)計(jì)2，而將0.50.1µm的集成電路設(shè)計(jì)稱(chēng)為深亞微米設(shè)計(jì)。中芯國(guó)際集成電路新技術(shù)研發(fā)（上海）有限公司由中芯國(guó)際控股，華為、imec，Qualcomm各占一定股比。目前以14nm先進(jìn)邏輯工藝研發(fā)為主。隨著深亞微米工藝的發(fā)展，CMOS制造工藝對(duì)設(shè)計(jì)的影響也越來(lái)越大。在0.18µm以前都可以忽略的工藝影響，在工藝一步步發(fā)展的情形下，制造工藝所帶來(lái)的影響變成了芯片設(shè)計(jì)中不可忽視的因素。中芯國(guó)際首席執(zhí)行官邱慈云表示：“經(jīng)過(guò)15年的努力經(jīng)營(yíng)和技術(shù)積累，中芯國(guó)際成為國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的集成電路企業(yè)，有能力進(jìn)行14nm技術(shù)的

6、量產(chǎn)”。1.2多項(xiàng)目晶圓服務(wù)眾所周知，集成電路在過(guò)去50年的迅猛發(fā)展中，無(wú)論是在電路規(guī)模、制造工藝，還是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面都發(fā)生了重大變革，發(fā)展的速度更是可以用驚人來(lái)形容。多項(xiàng)目晶圓（MultiProjectWafer，MPW）的實(shí)質(zhì)是將多個(gè)相同工藝的集成電路設(shè)計(jì)放在同一圓片上流片，這樣按面積來(lái)分擔(dān)流片費(fèi)用，就可以降低研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，從而降低中小集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)在搞研發(fā)時(shí)的門(mén)檻，降低因單次實(shí)驗(yàn)流片失敗而造成的資源浪費(fèi)。由此看來(lái)，MPW加工服務(wù)可以降低培養(yǎng)人才的成本和進(jìn)行該領(lǐng)域科研工作的成本，也使得企業(yè)在科研持續(xù)性以及創(chuàng)新性上有著深遠(yuǎn)的意義。 2芯片設(shè)計(jì)流程 芯片設(shè)計(jì)絕不是可以一次性完成的簡(jiǎn)單工程，

7、一般都需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的優(yōu)化和修改才能滿(mǎn)足最終的設(shè)計(jì)指標(biāo)，例如芯片的速度、性能等。與一般超大規(guī)模數(shù)字集成電路采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法不同，用于光接入網(wǎng)的發(fā)射和接收核心電路屬于高速模擬集成電路，必須采用全定制的設(shè)計(jì)方法，而無(wú)法使用半定制設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)系統(tǒng)總體要求確定系統(tǒng)指標(biāo)，比如時(shí)間延遲、運(yùn)作速率、電源電壓、動(dòng)態(tài)范圍、誤差范圍、輸出擺幅、功耗等。在對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)研究分析的基礎(chǔ)上再來(lái)確定系統(tǒng)各個(gè)部分的功能和電路結(jié)構(gòu)原理。根據(jù)各個(gè)部分的功能特點(diǎn)來(lái)確定所采用的工藝技術(shù)，不同需求應(yīng)選擇合適的工藝，并取得精確的器件模型參數(shù)。其次，電路的設(shè)計(jì)與仿真，借助仿真軟件如Aos，HsPice，smartspice等通用

8、模擬電路仿真器（SimulationProgramWithIntegratedCircuitEmphasis，SPICE）工具，選取合適的器件參數(shù)進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真的結(jié)果對(duì)電路性能進(jìn)行優(yōu)化3。優(yōu)化完成后就是芯片版圖的設(shè)計(jì)。版圖設(shè)計(jì)是在仿真完成后的電路幾何物理實(shí)現(xiàn)，版圖設(shè)計(jì)的好壞直接影響到芯片的最終性能。所以在版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、對(duì)每個(gè)小模塊都要進(jìn)行檢測(cè)，如版圖電路圖對(duì)照和寄生參數(shù)提取等步驟。在版圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行電路的后仿真，也就是將提取的版圖寄生參數(shù)等值加入電路網(wǎng)表進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)修改原電路和版圖的設(shè)計(jì)，確定后仿真結(jié)果達(dá)到性能指標(biāo)后即可生成標(biāo)準(zhǔn)版圖數(shù)據(jù)。最后，是芯片制造

9、，即將設(shè)計(jì)好的GDSII格式或CIF格式的標(biāo)準(zhǔn)版圖數(shù)據(jù)，交付芯片制造商流片。拿到設(shè)計(jì)好的芯片后需要進(jìn)行芯片測(cè)試，即對(duì)流片制造完成的芯片進(jìn)行品圓或鍵合封裝測(cè)試，針對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，并反饋出現(xiàn)的問(wèn)題和進(jìn)行相應(yīng)的修改和完善。綜合上述步驟，在對(duì)光接入網(wǎng)各種接入技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用于光接入網(wǎng)中的光發(fā)射和接收模塊所需性能，通過(guò)對(duì)各類(lèi)集成電路的工藝進(jìn)行比較，采用全定制的設(shè)計(jì)方法和混合信號(hào)工藝參數(shù)，對(duì)光接口模塊中的復(fù)接器、激光驅(qū)動(dòng)器、前置放大器、限幅放大器和時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的分析，針對(duì)這5種核心電路選擇最佳的芯片設(shè)計(jì)工藝，在滿(mǎn)足基本功能的前提下，達(dá)到系統(tǒng)的最高性?xún)r(jià)比。 3超高速電路中各種

10、器件的比較 目前用于超高速領(lǐng)域的器件主要有：SiGeHBT，SiBJT，SiCMOS，Si和GaAsHBT。這幾種器件的比較如表1所示。從表1可知，想要制作出高頻特性?xún)?yōu)良的器件可以使用GaAsHBT技術(shù)，因?yàn)槠鋼碛邢鄬?duì)較寬的線(xiàn)條（3µm）。這一原理和性質(zhì)SiGeHBT也同時(shí)具備，它的高頻性能跟一般的Si器件比起來(lái)要好得多，與GaAs技術(shù)相比也有著和成熟的Si工藝兼容、較易集成的優(yōu)點(diǎn)，所以在這一領(lǐng)域有很高的利用價(jià)值。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品。相對(duì)SiGeHBT而言，GaAsHBT的擊穿電壓比較高，更為適合于功率放大器的制作4。表1各種器件比較器件特性參數(shù)HBTHBTBJTCMOSHB

11、TSiGeSiGeSiSiGaAsFeaturesize/m0.250.50.40.183Ft/GHz7450253035fmax7565403560Q-Ind8/15158225Vbreakdown(V)2.533.51.820技術(shù)的不斷革新，也使得工藝日趨成熟，規(guī)?；a(chǎn)GaAs器件的成本不斷下降。相比而言，HBT技術(shù)具有閾值較易控制、增益高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)需亞微米工藝，因而具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 4結(jié)語(yǔ) 本文研究的光纖通信用芯片通常都工作于非?？斓乃俣认拢砸郧捌湓O(shè)計(jì)工藝基本限于GaAs等IIIV化合物類(lèi)。但隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，目前能夠用于光纖通信芯片設(shè)計(jì)的工藝已經(jīng)得到拓展。

12、本次臺(tái)積電布局新技術(shù)工廠(chǎng)，將再一次推動(dòng)全球半導(dǎo)體行業(yè)升級(jí)，降低電子產(chǎn)品生產(chǎn)、制造成本，縮小該產(chǎn)品自身尺寸，進(jìn)一步提升其運(yùn)行速度。在此情況下，就需要對(duì)各種工藝的特點(diǎn)加以研究，以便盡可能發(fā)揮各種工藝的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其不足。針對(duì)具體芯片能夠選擇出合適的設(shè)計(jì)工藝。比如GaAs材料性質(zhì)非常穩(wěn)定，工藝也比較成熟，所以是目前化合物半導(dǎo)體的典型代表，一般來(lái)說(shuō)，功能復(fù)雜數(shù)字電路的規(guī)模都較大，所以需要集成度非常高的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。集成度方面，CMOS有著砷化鎵、雙極性硅等工藝均無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)?？偠灾壳安](méi)有哪種技術(shù)能在高頻器件的領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，各種技術(shù)都將以各自的特點(diǎn)占據(jù)一部分市場(chǎng)。根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品來(lái)選擇合適的工藝和技術(shù)，最終設(shè)計(jì)高速、高性能的芯片是要解決的問(wèn)題。哪種技術(shù)發(fā)展得更好，就能占有更多的市場(chǎng)，最終決定產(chǎn)品命運(yùn)的將是它們的性能價(jià)格比。 參考文獻(xiàn) 1馮勇華，李響.“三超”光纖通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì)展望J.電信科學(xué)，2019（4）：30-38. 2李嘉懿.光纖通信系統(tǒng)正式出版J.鐵道通信信號(hào)，2018（2）：96. 3張涵.光纖通信技術(shù)與光纖傳輸系統(tǒng)的分析與探討J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（1）：38-39. 4KINGMP，DATAOG，CLAY