光纖通信芯片的工藝研究

羅洪葉 王佳堯

摘 ? 要：近年來，光纖通信技術的迅速發展使得超高速砷化鎵集成電路的研究成為必然。用深亞微米工藝實現高速、高性能芯片設計的工藝也已成為國內外研究的熱點。文章對各種工藝特點進行研究對比，以便盡可能發揮各種工藝的優點。得到關于具體芯片如何選擇合適設計工藝的方案。

關鍵詞：互補金屬氧化物半導體;砷化鎵;芯片工藝;光纖通信

目前，采用深亞微米互補金屬氧化物半導體（Comple-mentary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝設計超高速集成電路是一個極具挑戰性的研究領域，其設計的關鍵是通過系統和電路的優化將器件速度推進到最高。雖然國外已經有利用0.18 ?m CMOS工藝實現10 Gb/s 1∶8分接器的報道，但采用0.25 ?m CMOS工藝實現的1∶4分接器的最高速率僅為4.25 Gb/s。要采用0.25 ?m CMOS工藝實現10 Gb/s數據速率，必須在系統和電路設計上有所創新。同時，由于0.25 ?m CMOS工藝更容易得到代工支持（2002年國內已可以投片），制造費用低于0.18 ?m CMOS工藝，CMOS集成電路采用場效應管，且都是互補結構，工作時兩個串聯的場效應管總是處于一個管導通，另一個管截止的狀態，電路靜態功耗理論上為0。實際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態功耗，所以功耗非常低。這是CMOS集成電路一個很大的優點。所以本課題對于各種工藝的研究對比將具有產業化的前景[1]。

1 ? ?國內外代工廠最新研究動態

目前，國內外有很多代工廠的產品和技術的更新速度極快，讓人們不得不對最新的發展進行全面了解，進而可以與時俱進地進行研究。下文是幾個比較大的代工廠相關技術的最新進展。

現在國內外正致力于用標準工藝開發更多的產品，一些業界領袖公司還開發出了可完全用標準CMOS技術生產的微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）產品。目前，akustica利用CMOS制造設施和MEMS代工廠生產出了基于MEMS的麥克風芯片，該公司可以使用x-fab半導體公司工廠生產0.6 μm CMOS晶片。

臺積電早在2012年就開始了14 nm工藝的研發，并于2015年投入批量生產。使用450 mm（18英寸）新晶圓來制造14 nm工藝芯片，而不是當時主流的300 mm，這是由于更大尺寸的晶圓將有助于降低生產成本。技術的發展總是日新月異，有西班牙媒體報道稱，臺積電計劃于5年后部署2 nm技術的工廠，廠址擬定選在中國臺灣新竹。即將落戶在新竹的3 nm研發廠房的環評也在近期得以順利通過，一旦環評大會的結論得以確認，3 nm晶圓的生產將會很快開展，預計可以順利趕上量產時程。

1.1 ?深亞微米CMOS工藝

近幾年來，隨著集成電路生產工藝的不斷發展，CMOS集成電路的特征尺寸也隨著摩爾定律不斷減小。人們通常把特征尺寸-MOS管的柵長在1～0.5 ?m的集成電路設計技術，稱為亞微米設計[2]，而將0.5～0.1 ?m的集成電路設計稱為深亞微米設計。中芯國際集成電路新技術研發（上海）有限公司由中芯國際控股，華為、imec，Qualcomm各占一定股比。目前以14 nm先進邏輯工藝研發為主。隨著深亞微米工藝的發展，CMOS制造工藝對設計的影響也越來越大。在0.18 ?m以前都可以忽略的工藝影響，在工藝一步步發展的情形下，制造工藝所帶來的影響變成了芯片設計中不可忽視的因素。中芯國際首席執行官邱慈云表示：“經過15年的努力經營和技術積累，中芯國際成為國內規模最大的集成電路企業，有能力進行14 nm技術的量產”。

1.2 ?多項目晶圓服務

眾所周知，集成電路在過去50年的迅猛發展中，無論是在電路規模、制造工藝，還是產業結構等方面都發生了重大變革，發展的速度更是可以用驚人來形容。多項目晶圓（Multi Project Wafer，MPW）的實質是將多個相同工藝的集成電路設計放在同一圓片上流片，這樣按面積來分擔流片費用，就可以降低研發成本和風險，從而降低中小集成電路設計企業在搞研發時的門檻，降低因單次實驗流片失敗而造成的資源浪費。由此看來，MPW加工服務可以降低培養人才的成本和進行該領域科研工作的成本，也使得企業在科研持續性以及創新性上有著深遠的意義。

2 ? ?芯片設計流程

芯片設計絕不是可以一次性完成的簡單工程，一般都需要經過反復的優化和修改才能滿足最終的設計指標，例如芯片的速度、性能等。與一般超大規模數字集成電路采用自頂向下的設計方法不同，用于光接入網的發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計方法，而無法使用半定制設計。

首先，根據系統總體要求確定系統指標，比如時間延遲、運作速率、電源電壓、動態范圍、誤差范圍、輸出擺幅、功耗等。

在對系統各項指標研究分析的基礎上再來確定系統各個部分的功能和電路結構原理。

根據各個部分的功能特點來確定所采用的工藝技術，不同需求應選擇合適的工藝，并取得精確的器件模型參數。

其次，電路的設計與仿真，借助仿真軟件如Aos，HsPice，smartspice等通用模擬電路仿真器（Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis，SPICE）工具，選取合適的器件參數進行仿真，根據仿真的結果對電路性能進行優化[3]。

優化完成后就是芯片版圖的設計。版圖設計是在仿真完成后的電路幾何物理實現，版圖設計的好壞直接影響到芯片的最終性能。所以在版圖設計過程中需要進行設計規則檢查、對每個小模塊都要進行檢測，如版圖電路圖對照和寄生參數提取等步驟。

在版圖設計基礎上進行電路的后仿真，也就是將提取的版圖寄生參數等值加入電路網表進行仿真，根據仿真結果來修改原電路和版圖的設計，確定后仿真結果達到性能指標后即可生成標準版圖數據。

最后，是芯片制造，即將設計好的GDSII格式或CIF格式的標準版圖數據，交付芯片制造商流片。

拿到設計好的芯片后需要進行芯片測試，即對流片制造完成的芯片進行品圓或鍵合封裝測試，針對測試結果進行分析，并反饋出現的問題和進行相應的修改和完善。

綜合上述步驟，在對光接入網各種接入技術研究的基礎上，結合應用于光接入網中的光發射和接收模塊所需性能，通過對各類集成電路的工藝進行比較，采用全定制的設計方法和混合信號工藝參數，對光接口模塊中的復接器、激光驅動器、前置放大器、限幅放大器和時鐘與數據恢復電路設計進行全面的分析，針對這5種核心電路選擇最佳的芯片設計工藝，在滿足基本功能的前提下，達到系統的最高性價比。

3 ? ?超高速電路中各種器件的比較

目前用于超高速領域的器件主要有：SiGe HBT，Si BJT，Si CMOS，Si和GaAs HBT。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優良的器件可以使用GaAs HBT技術，因為其擁有相對較寬的線條（3 ?m）。這一原理和性質SiGe HBT也同時具備，它的高頻性能跟一般的Si器件比起來要好得多，與GaAs技術相比也有著和成熟的Si工藝兼容、較易集成的優點，所以在這一領域有很高的利用價值。目前市場上已經有成熟的產品。相對SiGe HBT而言，GaAs HBT的擊穿電壓比較高，更為適合于功率放大器的制作[4]。

技術的不斷革新，也使得工藝日趨成熟，規模化生產GaAs器件的成本不斷下降。相比而言，HBT技術具有閾值較易控制、增益高、驅動能力強等優點，且無需亞微米工藝，因而具有很強的競爭力。

4 ? ?結語

本文研究的光纖通信用芯片通常都工作于非常快的速度下，所以以前其設計工藝基本限于GaAs等III＼V化合物類。但隨著現代半導體工藝的進步，目前能夠用于光纖通信芯片設計的工藝已經得到拓展。本次臺積電布局新技術工廠，將再一次推動全球半導體行業升級，降低電子產品生產、制造成本，縮小該產品自身尺寸，進一步提升其運行速度。在此情況下，就需要對各種工藝的特點加以研究，以便盡可能發揮各種工藝的優點，彌補其不足。針對具體芯片能夠選擇出合適的設計工藝。比如GaAs材料性質非常穩定，工藝也比較成熟，所以是目前化合物半導體的典型代表，一般來說，功能復雜數字電路的規模都較大，所以需要集成度非常高的工藝來實現。集成度方面，CMOS有著砷化鎵、雙極性硅等工藝均無法比擬的優點。總而言之，目前并沒有哪種技術能在高頻器件的領域占據絕對優勢，各種技術都將以各自的特點占據一部分市場。根據實際的產品來選擇合適的工藝和技術，最終設計高速、高性能的芯片是要解決的問題。哪種技術發展得更好，就能占有更多的市場，最終決定產品命運的將是它們的性能價格比。

[參考文獻]

[1]馮勇華，李響.“三超”光纖通信系統技術發展與趨勢展望[J].電信科學，2019（4）：30-38.

[2]李嘉懿.《光纖通信系統》正式出版[J].鐵道通信信號，2018（2）：96.

[3]張涵.光纖通信技術與光纖傳輸系統的分析與探討[J].科技創新導報，2011（1）：38-39.

[4]KING M P，DATAO G，CLAY L，et al.Response of a 0.25 μm thin-film silicon-on-sapphire CMOS technology to total ionizing dose[J].Journal of Instrumentation，2010（11）：C11021.