高溫傳感器專(zhuān)用集成電路研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

程 鑫， 吳亞林， 陳東亮, 吳凌慧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

高溫傳感器專(zhuān)用集成電路研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

程 鑫， 吳亞林， 陳東亮, 吳凌慧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

簡(jiǎn)要概述了集成電路高溫性能下降、甚至無(wú)法工作的原因。闡述了高溫專(zhuān)用集成電路研究的必要性，介紹了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。給出了國(guó)外高溫傳感器專(zhuān)用集成電路實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)和設(shè)計(jì)技巧，分析了專(zhuān)用集成電路的發(fā)展趨勢(shì)。總結(jié)了實(shí)際高溫應(yīng)用環(huán)境中芯片失效的原因，并結(jié)合工藝兼容問(wèn)題，提出了一些合理建議。

高溫傳感器； 專(zhuān)用集成電路； 研究現(xiàn)狀； 主要技術(shù)和設(shè)計(jì)技巧； 發(fā)展趨勢(shì)

0 引 言

高溫傳感器專(zhuān)用電路在能源、航空航天和重工業(yè)等一些特殊領(lǐng)域中、起著非常關(guān)鍵的作用。例如：在5 km深的油井中，壓力傳感器輸出信號(hào)非常小(典型值30 mV)，需要將信號(hào)處理電路與壓力傳感器集成在一起以確保信號(hào)完整性和正確性，這就需要該信號(hào)處理電路在高溫下穩(wěn)定工作[1]；在高速飛行器的飛行控制、航空發(fā)動(dòng)機(jī)(噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等)等耐熱腔體和表面測(cè)量的控制技術(shù)中，高溫專(zhuān)用電路是最重要部分之一，起著對(duì)傳感器信號(hào)補(bǔ)償和放大處理等關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的分立元件組成的接口電路和信號(hào)調(diào)理單元在高溫、振動(dòng)等惡劣環(huán)境下性能急劇下降和不穩(wěn)定，甚至根本無(wú)法使用。功能集成的專(zhuān)用芯片則可以很大程度解決印刷電路板(publishing circuit board,PCB)板級(jí)電路高溫?zé)o法穩(wěn)定工作的問(wèn)題，抗振性能也明顯提高，同時(shí)重量和體積得到大幅度減小[2]。但基于傳統(tǒng)CMOS工藝的集成電路，在高溫下性能會(huì)隨著器件本征參數(shù)的改變、泄露電流的增加、閾值電壓的不穩(wěn)定和遷移率的降低而明顯下降，甚至?xí)l(fā)生閂鎖效應(yīng)[3]，導(dǎo)致專(zhuān)用電路在溫度超過(guò)125 ℃時(shí)，性能發(fā)生明顯下降，超過(guò)175 ℃時(shí)則無(wú)法工作。因此，對(duì)高溫傳感器專(zhuān)用集成電路的研究十分重要。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外很多公司均已實(shí)現(xiàn)高溫傳感器專(zhuān)用集成電路產(chǎn)品化。如Kulite公司的ETM—UHT—375(M)系列、ETMER—UHT—375(M)系列和ETL—UHT—375(M)系列傳感器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償、放大電路與傳感器的集成化，產(chǎn)品工作溫度可達(dá)225 ℃以上，3個(gè)系列的傳感器均利用SOI CMOS工藝集成了放大器，如圖1所示。SGA公司產(chǎn)品SG0611為基于SOI CMOS工藝的高溫儀表運(yùn)算放大器，用于處理高溫條件下傳感器輸出信號(hào)，該儀表運(yùn)算放大器主要包括運(yùn)算放大器、前置調(diào)節(jié)器、電壓基準(zhǔn)、失調(diào)電路等，其工作溫度范圍為25～225 ℃，增益漂移為±30×10-6/℃，供電電壓高達(dá)36 V。

圖1 Kulite公司SOI高溫芯片

國(guó)外對(duì)高溫傳感器專(zhuān)用集成電路研究比較多，Paul C de Jong等人利用動(dòng)態(tài)反饋技術(shù)研制出高溫儀表運(yùn)算放大器，通過(guò)電阻旋轉(zhuǎn)鏈補(bǔ)償電阻解決了失配問(wèn)題，采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)隔離1.6 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了250 ℃的高溫工作，無(wú)需校正和修調(diào)技術(shù)即可使平均增益誤差低于25×10-6[4]。Case Western大學(xué)在傳感器高溫電路方面研究較為深入，研制出基于體硅CMOS工藝的高精度儀表放大器，可實(shí)現(xiàn)270 ℃下穩(wěn)定工作，主要技術(shù)包括相關(guān)雙采樣技術(shù)、混合信號(hào)跟蹤回路技術(shù)和恒定跨導(dǎo)gm偏置技術(shù)，其中，全差分運(yùn)算放大器增益帶寬可達(dá)30 MHz，增益變化1 dB[5]；并且研制出基于SOI CMOS 0.5 μm全耗盡工藝的高溫寬帶寬跨阻放大器，適用于基于MEMS工藝的阻抗傳感器，在高溫300 ℃條件下，增益和帶寬分別為2 MΩ和1.2 MHz，且具有低于1 mW的功耗，該放大器僅利用CMOS晶體管和一個(gè)片外電容器實(shí)現(xiàn)其功能，芯片面積為8 500 μm2[6]。

放大器是傳感器專(zhuān)用集成電路的重要組成模塊，實(shí)現(xiàn)放大器高溫工作的工藝主要為體硅CMOS和SOI CMOS2種。Finvers Ivars G等人采用體硅CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高精度運(yùn)算放大器，在200 ℃的環(huán)境溫度下，仍能保持200 μV的輸入失調(diào)，這主要得益于自動(dòng)調(diào)零技術(shù)。普通運(yùn)放在高溫條件下會(huì)因漏電而導(dǎo)致運(yùn)放增益的下降，噪聲和失調(diào)的上升以及溫漂。自動(dòng)調(diào)零電路通過(guò)采樣保持電路，將運(yùn)放的輸入失調(diào)采樣到保持電容器上，在下一個(gè)時(shí)序，將保持電容器上存儲(chǔ)的失調(diào)電壓與運(yùn)放固有的失調(diào)相減，從而抵消運(yùn)放的失調(diào)；低頻噪聲也同時(shí)被采樣和抵消。理論上，這種方法可以具有近乎為零的失調(diào)和低頻噪聲，所以，在高溫下漏電引起的額外失調(diào)也被抵消掉，而對(duì)整體電路無(wú)影響。如圖2所示，主運(yùn)放處理輸入信號(hào)，調(diào)零放大器與信號(hào)通路斷開(kāi)調(diào)零自身，然后與主放大器連接并對(duì)其進(jìn)行調(diào)零。該方法在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下可以實(shí)現(xiàn)200 ℃的CMOS工藝集成電路。雖然自動(dòng)調(diào)零技術(shù)能夠大幅削減失調(diào)和噪聲，但高溫下開(kāi)關(guān)和電容器的漏電會(huì)影響采樣保持電路的精度，造成高溫時(shí)噪聲和失調(diào)不能被精確抵消，進(jìn)而引起失調(diào)和噪聲的增大。關(guān)于這一問(wèn)題，F(xiàn)invers Ivars G等人提出：一方面在PCB上通過(guò)采用圓環(huán)形狀有源區(qū)減小結(jié)面積以減小漏電，并采用極大的保持電容減小漏電引起的電壓漂移，另一方面采用低噪聲低失調(diào)的輔助運(yùn)放先對(duì)失調(diào)進(jìn)行放大然后再送入主運(yùn)放抵消固有的失調(diào)，可增強(qiáng)反饋路徑的增益從而增強(qiáng)了對(duì)運(yùn)放失調(diào)的抑制效果[7]；Haslett J等人提出了采用差分輔助輸入運(yùn)放，在保持階段引起的電壓誤差主要由差分開(kāi)關(guān)的漏電之差決定，從而使漏電絕對(duì)值大幅減小[8]；Bergmann J等人提出了用AD/DA數(shù)字化存儲(chǔ)補(bǔ)償電壓，解決高溫下自動(dòng)調(diào)零電路中開(kāi)關(guān)和保持電容器漏電引起的誤差問(wèn)題，但該方案的困難在于，需設(shè)計(jì)一個(gè)在高溫下依然具有良好線性度的AD/DA[9]。同時(shí)，耐高溫電路的設(shè)計(jì)還存在一些技巧：零溫度系數(shù)柵偏壓、基片偏置反饋、恒定跨導(dǎo)偏置等[10]。在SOI CMOS工藝中，Gehse P等人采用了SIMOX型SOI工藝，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的運(yùn)放，可在300 ℃下正常工作。并建立了高溫下SOI工藝器件的模型，驗(yàn)證了所提出的高溫模型的有效性，并通過(guò)對(duì)其進(jìn)行的高溫老化試驗(yàn)證明了所采用的Al2O3陶瓷襯底材料的SOI工藝具有非常出色的高溫特性，適宜制作高溫模擬電路[11]。SOI材料由單晶硅膜頂層、絕緣埋層和襯底硅組成，因此，器件之間、器件與襯底之間均通過(guò)氧化層隔離，大大減小了PN結(jié)面積，解決了高溫下泄漏電流過(guò)大的問(wèn)題，并完全消除了閂鎖效應(yīng)，如圖3所示。理論上，該工藝可耐高溫達(dá)300 ℃，甚至更高[12～14]。全耗盡型SOI器件可完全杜絕了閂鎖效應(yīng)，但制作工藝難度高，部分耗盡型SOI工藝易于實(shí)現(xiàn)，但存在浮體效應(yīng)、寄生雙極晶體管效應(yīng)等一系列效應(yīng)，從而使器件性能變差，并對(duì)集成電路的性能和可靠性造成一定影響[15]，目前，SOI工藝抑制浮體效應(yīng)的方法有很多，如體引出技術(shù)，Ar注入工藝等，但均存在相應(yīng)問(wèn)題。

圖2 自動(dòng)調(diào)零技術(shù)示意

圖3 體硅與SOI硅器件示意

國(guó)內(nèi)高溫集成電路相關(guān)研究與國(guó)外相比較少，主要以理論研究、器件的高溫特性分析為主。西安理工大學(xué)依托“西安應(yīng)用材料創(chuàng)新基金：深亞微米SOI CMOS器件的高溫特性研究”，采用0.18 μm全耗盡SOI CMOS工藝, 建立的符合深亞微米級(jí)要求的器件結(jié)構(gòu)模型，對(duì)全耗盡型SOI CMOS電路的高溫特性進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)閾值電壓隨溫度升高的特性變化，并提出了一種改進(jìn)的AINDSOI結(jié)構(gòu)[16]。東南大學(xué)微電子中心，基于國(guó)防科技預(yù)研項(xiàng)目“深亞微米SOI器件研究”提出了一種基于自動(dòng)體偏置多閾值電壓設(shè)計(jì)高溫SOI CMOS電路的方法。一些學(xué)者基于零溫度系數(shù)(ZTC)理論推導(dǎo)出了高精度高溫CMOS集成電路參數(shù)的定量計(jì)算公式和高溫CMOS運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)規(guī)則[17]。ZTC理論最初由Shoucair F S提出，核心是設(shè)置使漏源電流工作在ZTC的柵偏壓，使漏源電流不隨溫度變化。目前，尚無(wú)完全自主研發(fā)MEMS高溫專(zhuān)用集成電路產(chǎn)品。

2 高溫傳感器專(zhuān)用集成電路發(fā)展趨勢(shì)

目前，高溫傳感器專(zhuān)用集成電路產(chǎn)品趨于智能化，并向更高溫度發(fā)展。德國(guó)Fraunhofer研究所高溫SOI CMOS工藝的最小特征尺寸為0.35 μm。在高溫集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)方面，基于現(xiàn)有大量模擬和數(shù)字IP塊，可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用集成電路的全定制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)產(chǎn)品主要針對(duì)傳感系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理的模擬電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及嵌入式微控制器。設(shè)計(jì)的混合信號(hào)集成電路可以實(shí)現(xiàn)在250 ℃溫度下穩(wěn)定工作。Kulite公司提出了基于SOI，SiC及GaN材料的高溫壓力傳感器專(zhuān)用集成電路，該電路為數(shù)字輸出，包括運(yùn)放、電壓基準(zhǔn)、A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器等電路模塊，可應(yīng)用于175 ℃以上的工作環(huán)境，如圖4所示[18]。

圖4 Kulite公司高溫傳感器智能專(zhuān)用集成電路

由半導(dǎo)體理論可知，高寬禁帶半導(dǎo)體材料在高溫下對(duì)本征載流子影響小，可使半導(dǎo)體器件受溫度影響小，因此，寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究也是解決集成電路高溫工作的方法之一[19]。利用SiC工藝可實(shí)現(xiàn)工作在450 ℃下的集成電路，如果進(jìn)行優(yōu)化互聯(lián)工藝，這種基于SiC工藝的電路可以實(shí)現(xiàn)在600 ℃高溫下工作[20]。6H-SiC基片具有相當(dāng)于Si的2.6倍的帶隙寬度，10倍的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，3倍的溫度傳導(dǎo)系數(shù)，2倍的電子遷移速率，因此,SiC是一種具有更優(yōu)越的高溫特性的基片材料，非常適宜制作高溫集成電路。但如獲得高性能易于集成的MOSFET還需克服SiC/SiO2界面態(tài)的問(wèn)題，相關(guān)SiC/SiO2界面態(tài)的特性和模型的研究工作仍在進(jìn)行[21]，因此，基于SiC的MOSFET性能不佳。2013年,Soong Chia-Wei等人用6H-SiC研制出用于檢測(cè)電容傳感器的單片高帶寬跨阻放大器，該放大器在常溫下增益和帶寬分別為235 kΩ和0.61 MHz，在450 ℃條件下，增益和帶寬分別為774 kΩ和0.17 MHz[22],是首次用SiC跨阻放大器證明電容傳感器能力的報(bào)道。

3 結(jié)束語(yǔ)

高溫傳感器專(zhuān)用集成電路國(guó)外已有成熟產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)正處于理論分析階段。主要有體硅CMOS工藝自動(dòng)調(diào)零技術(shù)和SOI CMOS工藝2種方法實(shí)現(xiàn)集成電路高溫工作。通過(guò)采用圓環(huán)形狀有源區(qū)、低噪聲低失調(diào)的輔助運(yùn)放、AD/DA數(shù)字化存儲(chǔ)補(bǔ)償電壓等方法改善高溫下自動(dòng)調(diào)零電路中開(kāi)關(guān)和保持電容漏電引起的誤差問(wèn)題；通過(guò)采用體引出、Ar注入等工藝技術(shù)改善了部分耗盡SOI CMOS工藝浮體效應(yīng)。同時(shí)，耐高溫電路的設(shè)計(jì)具有一些技巧：ZTC柵偏壓、基片偏置反饋、恒定跨導(dǎo)偏置等。

實(shí)際高溫環(huán)境應(yīng)用中芯片的失效，往往是由于打線，鍵合絲，封裝的問(wèn)題而導(dǎo)致的，由半導(dǎo)體材料引起的失效非常少。硅基數(shù)字和模擬電路最高工作溫度可達(dá)250 ℃，其他半導(dǎo)體材料如GaAs，GaP，SiC等有希望工作到200～500 ℃甚至更高。由于Si工藝的兼容性，在打線、金屬化、封裝等方面更為成熟，所以，目前,在25～250 ℃應(yīng)用下Si基仍為很好的選擇。

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Research status and development trend of high temperature sensor ASIC

CHENG Xin, WU Ya-lin, CHEN Dong-liang, WU Ling-hui

(49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

High temperature sensor application specific integrated circuit(ASIC)has wide application prospects in some special fields of energy,aerospace,and heavy industry.The reason which causes circuit performance degradation and out of work is given in outline.The necessity of high temperature sensor ASIC is elaborated.The domestic and international research status is introduced.Major technologies and design tactics are given.The trend of development is analyzed.The reasons which cause chip failure in high temperature application are summed,and some sane proposals are put forward combined with process compatible.

high temperature sensor; application specific integrated circuit(ASIC); research status; major technologies and design tactics; trend of development

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0005—03

2017—01—19

TN 492

A

1000—9787(2017)09—0005—03

程 鑫(1988-)，女，碩士，工程師，從事集成電路設(shè)計(jì)工作。