程 鑫， 吳亞林， 陳東亮, 吳凌慧

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

高溫傳感器專用集成電路研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

程 鑫， 吳亞林， 陳東亮, 吳凌慧

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

簡要概述了集成電路高溫性能下降、甚至無法工作的原因。闡述了高溫專用集成電路研究的必要性，介紹了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。給出了國外高溫傳感器專用集成電路實現(xiàn)的主要技術(shù)和設(shè)計技巧，分析了專用集成電路的發(fā)展趨勢?？偨Y(jié)了實際高溫應(yīng)用環(huán)境中芯片失效的原因，并結(jié)合工藝兼容問題，提出了一些合理建議。

高溫傳感器； 專用集成電路； 研究現(xiàn)狀； 主要技術(shù)和設(shè)計技巧； 發(fā)展趨勢

0 引 言

高溫傳感器專用電路在能源、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非常小(典型值30 mV)，需要將信號處理電路與壓力傳感器集成在一起以確保信號完整性和正確性，這就需要該信號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)動機(噴氣式發(fā)動機等)等耐熱腔體和表面測量的控制技術(shù)中，高溫專用電路是最重要部分之一，起著對傳感器信號補償和放大處理等關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的分立元件組成的接口電路和信號調(diào)理單元在高溫、振動等惡劣環(huán)境下性能急劇下降和不穩(wěn)定，甚至根本無法使用。功能集成的專用芯片則可以很大程度解決印刷電路板(publishing circuit board,PCB)板級電路高溫無法穩(wěn)定工作的問題，抗振性能也明顯提高，同時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)致專用電路在溫度超過125 ℃時，性能發(fā)生明顯下降，超過175 ℃時則無法工作。因此，對高溫傳感器專用集成電路的研究十分重要。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國外很多公司均已實現(xiàn)高溫傳感器專用集成電路產(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)品實現(xiàn)了補償、放大電路與傳感器的集成化，產(chǎn)品工作溫度可達225 ℃以上，3個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工藝的高溫儀表運算放大器，用于處理高溫條件下傳感器輸出信號，該儀表運算放大器主要包括運算放大器、前置調(diào)節(jié)器、電壓基準、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36 V。

圖1 Kulite公司SOI高溫芯片

國外對高溫傳感器專用集成電路研究比較多，Paul C de Jong等人利用動態(tài)反饋技術(shù)研制出高溫儀表運算放大器，通過電阻旋轉(zhuǎn)鏈補償電阻解決了失配問題，采用標準結(jié)隔離1.6 μm CMOS工藝實現(xiàn)了250 ℃的高溫工作，無需校正和修調(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，全差分運算放大器增益帶寬可達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晶體管和一個片外電容器實現(xiàn)其功能，芯片面積為8 500 μm2[6]。

放大器是傳感器專用集成電路的重要組成模塊，實現(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，實現(xiàn)了一個高精度運算放大器，在200 ℃的環(huán)境溫度下，仍能保持200 μV的輸入失調(diào)，這主要得益于自動調(diào)零技術(shù)。普通運放在高溫條件下會因漏電而導(dǎo)致運放增益的下降，噪聲和失調(diào)的上升以及溫漂。自動調(diào)零電路通過采樣保持電路，將運放的輸入失調(diào)采樣到保持電容器上，在下一個時序，將保持電容器上存儲的失調(diào)電壓與運放固有的失調(diào)相減，從而抵消運放的失調(diào)；低頻噪聲也同時被采樣和抵消。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，而對整體電路無影響。如圖2所示，主運放處理輸入信號，調(diào)零放大器與信號通路斷開調(diào)零自身，然后與主放大器連接并對其進行調(diào)零。該方法在標準CMOS工藝下可以實現(xiàn)200 ℃的CMOS工藝集成電路。雖然自動調(diào)零技術(shù)能夠大幅削減失調(diào)和噪聲，但高溫下開關(guān)和電容器的漏電會影響采樣保持電路的精度，造成高溫時噪聲和失調(diào)不能被精確抵消，進而引起失調(diào)和噪聲的增大。關(guān)于這一問題，F(xiàn)invers Ivars G等人提出：一方面在PCB上通過采用圓環(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)的輔助運放先對失調(diào)進行放大然后再送入主運放抵消固有的失調(diào)，可增強反饋路徑的增益從而增強了對運放失調(diào)的抑制效果[7]；Haslett J等人提出了采用差分輔助輸入運放，在保持階段引起的電壓誤差主要由差分開關(guān)的漏電之差決定，從而使漏電絕對值大幅減小[8]；Bergmann J等人提出了用AD/DA數(shù)字化存儲補償電壓，解決高溫下自動調(diào)零電路中開關(guān)和保持電容器漏電引起的誤差問題，但該方案的困難在于，需設(shè)計一個在高溫下依然具有良好線性度的AD/DA[9]。同時，耐高溫電路的設(shè)計還存在一些技巧：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，實現(xiàn)了一個簡單結(jié)構(gòu)的運放，可在300 ℃下正常工作。并建立了高溫下SOI工藝器件的模型，驗證了所提出的高溫模型的有效性，并通過對其進行的高溫老化試驗證明了所采用的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大的問題，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)問題。

圖2 自動調(diào)零技術(shù)示意

圖3 體硅與SOI硅器件示意

國內(nèi)高溫集成電路相關(guān)研究與國外相比較少，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要求的器件結(jié)構(gòu)模型，對全耗盡型SOI CMOS電路的高溫特性進行了模擬，發(fā)現(xiàn)閾值電壓隨溫度升高的特性變化，并提出了一種改進的AINDSOI結(jié)構(gòu)[16]。東南大學(xué)微電子中心，基于國防科技預(yù)研項目“深亞微米SOI器件研究”提出了一種基于自動體偏置多閾值電壓設(shè)計高溫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)的定量計算公式和高溫CMOS運算放大器設(shè)計規(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，尚無完全自主研發(fā)MEMS高溫專用集成電路產(chǎn)品。

2 高溫傳感器專用集成電路發(fā)展趨勢

目前，高溫傳感器專用集成電路產(chǎn)品趨于智能化，并向更高溫度發(fā)展。德國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)計技術(shù)方面，基于現(xiàn)有大量模擬和數(shù)字IP塊，可以實現(xiàn)專用集成電路的全定制設(shè)計。設(shè)計產(chǎn)品主要針對傳感系統(tǒng)，可以實現(xiàn)信號調(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)計的混合信號集成電路可以實現(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用集成電路，該電路為數(shù)字輸出，包括運放、電壓基準、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工藝可實現(xiàn)工作在450 ℃下的集成電路，如果進行優(yōu)化互聯(lián)工藝，這種基于SiC工藝的電路可以實現(xiàn)在600 ℃高溫下工作[20]。6H-SiC基片具有相當于Si的2.6倍的帶隙寬度，10倍的擊穿電場強度，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)的問題，相關(guān)SiC/SiO2界面態(tài)的特性和模型的研究工作仍在進行[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道。

3 結(jié)束語

高溫傳感器專用集成電路國外已有成熟產(chǎn)品，國內(nèi)正處于理論分析階段。主要有體硅CMOS工藝自動調(diào)零技術(shù)和SOI CMOS工藝2種方法實現(xiàn)集成電路高溫工作。通過采用圓環(huán)形狀有源區(qū)、低噪聲低失調(diào)的輔助運放、AD/DA數(shù)字化存儲補償電壓等方法改善高溫下自動調(diào)零電路中開關(guān)和保持電容漏電引起的誤差問題；通過采用體引出、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，耐高溫電路的設(shè)計具有一些技巧：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)計工作。