光纤通信芯片的工艺研究

罗洪叶 王佳尧

摘   要：近年来，光纤通信技术的迅速发展使得超高速砷化镓集成电路的研究成为必然。用深亚微米工艺实现高速、高性能芯片设计的工艺也已成为国内外研究的热点。文章对各种工艺特点进行研究对比，以便尽可能发挥各种工艺的优点。得到关于具体芯片如何选择合适设计工艺的方案。

关键词：互补金属氧化物半导体;砷化镓;芯片工艺;光纤通信

目前，采用深亚微米互补金属氧化物半导体（Comple-mentary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺设计超高速集成电路是一个极具挑战性的研究领域，其设计的关键是通过系统和电路的优化将器件速度推进到最高。虽然国外已经有利用0.18 ?m CMOS工艺实现10 Gb/s 1∶8分接器的报道，但采用0.25 ?m CMOS工艺实现的1∶4分接器的最高速率仅为4.25 Gb/s。要采用0.25 ?m CMOS工艺实现10 Gb/s数据速率，必须在系统和电路设计上有所创新。同时，由于0.25 ?m CMOS工艺更容易得到代工支持（2002年国内已可以投片），制造费用低于0.18 ?m CMOS工艺，CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为0。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗，所以功耗非常低。这是CMOS集成电路一个很大的优点。所以本课题对于各种工艺的研究对比将具有产业化的前景[1]。

1    国内外代工厂最新研究动态

目前，国内外有很多代工厂的产品和技术的更新速度极快，让人们不得不对最新的发展进行全面了解，进而可以与时俱进地进行研究。下文是几个比较大的代工厂相关技术的最新进展。

现在国内外正致力于用标准工艺开发更多的产品，一些业界领袖公司还开发出了可完全用标准CMOS技术生产的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）产品。目前，akustica利用CMOS制造设施和MEMS代工厂生产出了基于MEMS的麦克风芯片，该公司可以使用x-fab半导体公司工厂生产0.6 μm CMOS晶片。

台積电早在2012年就开始了14 nm工艺的研发，并于2015年投入批量生产。使用450 mm（18英寸）新晶圆来制造14 nm工艺芯片，而不是当时主流的300 mm，这是由于更大尺寸的晶圆将有助于降低生产成本。技术的发展总是日新月异，有西班牙媒体报道称，台积电计划于5年后部署2 nm技术的工厂，厂址拟定选在中国台湾新竹。即将落户在新竹的3 nm研发厂房的环评也在近期得以顺利通过，一旦环评大会的结论得以确认，3 nm晶圆的生产将会很快开展，预计可以顺利赶上量产时程。

1.1  深亚微米CMOS工艺

近几年来，随着集成电路生产工艺的不断发展，CMOS集成电路的特征尺寸也随着摩尔定律不断减小。人们通常把特征尺寸-MOS管的栅长在1～0.5 ?m的集成电路设计技术，称为亚微米设计[2]，而将0.5～0.1 ?m的集成电路设计称为深亚微米设计。中芯国际集成电路新技术研发（上海）有限公司由中芯国际控股，华为、imec，Qualcomm各占一定股比。目前以14 nm先进逻辑工艺研发为主。随着深亚微米工艺的发展，CMOS制造工艺对设计的影响也越来越大。在0.18 ?m以前都可以忽略的工艺影响，在工艺一步步发展的情形下，制造工艺所带来的影响变成了芯片设计中不可忽视的因素。中芯国际首席执行官邱慈云表示：“经过15年的努力经营和技术积累，中芯国际成为国内规模最大的集成电路企业，有能力进行14 nm技术的量产”。

1.2  多项目晶圆服务

众所周知，集成电路在过去50年的迅猛发展中，无论是在电路规模、制造工艺，还是产业结构等方面都发生了重大变革，发展的速度更是可以用惊人来形容。多项目晶圆（Multi Project Wafer，MPW）的实质是将多个相同工艺的集成电路设计放在同一圆片上流片，这样按面积来分担流片费用，就可以降低研发成本和风险，从而降低中小集成电路设计企业在搞研发时的门槛，降低因单次实验流片失败而造成的资源浪费。由此看来，MPW加工服务可以降低培养人才的成本和进行该领域科研工作的成本，也使得企业在科研持续性以及创新性上有着深远的意义。

2    芯片设计流程

芯片设计绝不是可以一次性完成的简单工程，一般都需要经过反复的优化和修改才能满足最终的设计指标，例如芯片的速度、性能等。与一般超大规模数字集成电路采用自顶向下的设计方法不同，用于光接入网的发射和接收核心电路属于高速模拟集成电路，必须采用全定制的设计方法，而无法使用半定制设计。

首先，根据系统总体要求确定系统指标，比如时间延迟、运作速率、电源电压、动态范围、误差范围、输出摆幅、功耗等。

在对系统各项指标研究分析的基础上再来确定系统各个部分的功能和电路结构原理。

根据各个部分的功能特点来确定所采用的工艺技术，不同需求应选择合适的工艺，并取得精确的器件模型参数。

其次，电路的设计与仿真，借助仿真软件如Aos，HsPice，smartspice等通用模拟电路仿真器（Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis，SPICE）工具，选取合适的器件参数进行仿真，根据仿真的结果对电路性能进行优化[3]。

优化完成后就是芯片版图的设计。版图设计是在仿真完成后的电路几何物理实现，版图设计的好坏直接影响到芯片的最终性能。所以在版图设计过程中需要进行设计规则检查、对每个小模块都要进行检测，如版图电路图对照和寄生参数提取等步骤。

在版图设计基础上进行电路的后仿真，也就是将提取的版图寄生参数等值加入电路网表进行仿真，根据仿真结果来修改原电路和版图的设计，确定后仿真结果达到性能指标后即可生成标准版图数据。

最后，是芯片制造，即将设计好的GDSII格式或CIF格式的标准版图数据，交付芯片制造商流片。

拿到设计好的芯片后需要进行芯片测试，即对流片制造完成的芯片进行品圆或键合封装测试，针对测试结果进行分析，并反馈出现的问题和进行相应的修改和完善。

综合上述步骤，在对光接入网各种接入技术研究的基础上，结合应用于光接入网中的光发射和接收模块所需性能，通过对各类集成电路的工艺进行比较，采用全定制的设计方法和混合信号工艺参数，对光接口模块中的复接器、激光驱动器、前置放大器、限幅放大器和时钟与数据恢复电路设计进行全面的分析，针对这5种核心电路选择最佳的芯片设计工艺，在满足基本功能的前提下，达到系统的最高性价比。

3    超高速电路中各种器件的比较

目前用于超高速领域的器件主要有：SiGe HBT，Si BJT，Si CMOS，Si和GaAs HBT。这几种器件的比较如表1所示。

从表1可知，想要制作出高频特性优良的器件可以使用GaAs HBT技术，因为其拥有相对较宽的线条（3 ?m）。这一原理和性质SiGe HBT也同时具备，它的高频性能跟一般的Si器件比起来要好得多，与GaAs技术相比也有着和成熟的Si工艺兼容、较易集成的優点，所以在这一领域有很高的利用价值。目前市场上已经有成熟的产品。相对SiGe HBT而言，GaAs HBT的击穿电压比较高，更为适合于功率放大器的制作[4]。

技术的不断革新，也使得工艺日趋成熟，规模化生产GaAs器件的成本不断下降。相比而言，HBT技术具有阈值较易控制、增益高、驱动能力强等优点，且无需亚微米工艺，因而具有很强的竞争力。

4    结语

本文研究的光纤通信用芯片通常都工作于非常快的速度下，所以以前其设计工艺基本限于GaAs等III＼V化合物类。但随着现代半导体工艺的进步，目前能够用于光纤通信芯片设计的工艺已经得到拓展。本次台积电布局新技术工厂，将再一次推动全球半导体行业升级，降低电子产品生产、制造成本，缩小该产品自身尺寸，进一步提升其运行速度。在此情况下，就需要对各种工艺的特点加以研究，以便尽可能发挥各种工艺的优点，弥补其不足。针对具体芯片能够选择出合适的设计工艺。比如GaAs材料性质非常稳定，工艺也比较成熟，所以是目前化合物半导体的典型代表，一般来说，功能复杂数字电路的规模都较大，所以需要集成度非常高的工艺来实现。集成度方面，CMOS有着砷化镓、双极性硅等工艺均无法比拟的优点。总而言之，目前并没有哪种技术能在高频器件的领域占据绝对优势，各种技术都将以各自的特点占据一部分市场。根据实际的产品来选择合适的工艺和技术，最终设计高速、高性能的芯片是要解决的问题。哪种技术发展得更好，就能占有更多的市场，最终决定产品命运的将是它们的性能价格比。

[参考文献]

[1]冯勇华，李响.“三超”光纤通信系统技术发展与趋势展望[J].电信科学，2019（4）：30-38.

[2]李嘉懿.《光纤通信系统》正式出版[J].铁道通信信号，2018（2）：96.

[3]张涵.光纤通信技术与光纤传输系统的分析与探讨[J].科技创新导报，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.