以MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻單芯片

摘  要： 射頻(RF)系統(tǒng)芯片(SoC)一直是業(yè)界追求的理想器件，目的是為了讓無線通信產(chǎn)品輕薄短小。本文將簡介如何利用MEMS工藝來改善元件特性，以證明RF MEMS對于射頻SoC不只可行而且更是勢在必行。
關(guān)鍵詞： 射頻通信；MEMS

前言
自從馬可尼在1901年成功地將電磁波信號由歐洲大陸傳送至紐約后，無線通信技術(shù)即以飛躍的速度進(jìn)步。如今無線通信更改變了我們的日常生活方式(圖1)：有了移動電話，我們可在任何時間、任何地點(diǎn)與任何人通話；汽車全球定位系統(tǒng)(GPS)幫助我們找到未曾去過的地方；藍(lán)牙或無線局域網(wǎng)使我們以無線方式將計(jì)算機(jī)信息互相傳遞，或者以無線方式隨時隨地隨心所欲地上網(wǎng)。在這些廣泛應(yīng)用于日常生活中的無線通信產(chǎn)品中，影響人們最顯著的例子又莫過于移動電話。
因此，近年來無線通信的發(fā)展，其實(shí)乃著重于移動通信的發(fā)展。換包話說，無線通信產(chǎn)品的方向，一定要走向更輕、更薄、更短、更小。

射頻SoC
目前移動通信產(chǎn)品從輕薄短小的眼光來看，現(xiàn)況是如何呢？圖2是GSM手機(jī)電路的方框圖。其中有外接的分立無源元件；還有砷化鎵(GaAs)、硅雙極、MOS器件。可見移動通信乃是各種技術(shù)的綜合應(yīng)，用且有許多無源元件未能整合到芯片上。
目前10 GHz以下的射頻及中頻集成電路仍以硅雙極為主。由于CMOS在低頻及數(shù)字電路呈現(xiàn)出極高性能和低廉價格，因此能整合高頻雙極和與低頻CMOS于同一芯片之Bi-CMOS技術(shù)為理想之選擇。特別是SiGe(硅鍺)雙極又比Si雙極性能更優(yōu)越，故SiGe Bi-CMOS 目前頗受注目，但其價格比純CMOS高。GaAs雖然性能最佳，但價格高、良品率低，且無法與CMOS整合，故目前只用于高電壓的功率放大器以及要求導(dǎo)通電阻低的切換開關(guān)。最近由于CMOS柵極長度越來越短，其工作頻率越來越高，已可達(dá)10 GHz左右，因此RF CMOS突然間成為熱門的研究題目，因?yàn)榭捎幂^Bi-CMOS低的價格而整合射頻、中頻及基頻IC。
由以上討論可以得知，移動通信電路乃是GaAs工藝、硅(含硅鍺)雙極工藝，硅CMOS工藝三分天下的局面。毫無疑問在基頻方面，CMOS已建立其穩(wěn)固的地位。因此若要將所有射頻及基頻電路全部整合制作在同一芯片上，只有CMOS工藝有可能。但CMOS制作射頻電路的有二大障礙：(1)工作速度不夠快；(2)無源元件損耗很大。近年來隨著CMOS亞微米技術(shù)進(jìn)步，第一點(diǎn)障礙已逐步被排除。在文獻(xiàn)中已有不少以CMOS技術(shù)制作的GSM900、DCS1800、IEEE802.11b的2.4GHz WLAN及1EEE 802.11a 5.25GHz WLAN等無線IC的報(bào)導(dǎo)。在市場上也已有Silicon Labs公司的全CMOS GSM/DCS手機(jī)芯片組合Atheros公司的全CMOS 802.11a WLAN芯片組。至于第二個障礙，則可利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)來解決，在下文將作更深入的討論。

射頻微機(jī)電組件
在上面的討論中，我們可以確定CMOS是最有資格成為射頻SoC的技術(shù)，然而我們也提到利用CMOS來制作射頻單芯片仍然會遇一些與生俱來的障礙，而MEMS技術(shù)正可補(bǔ)足CMOS電子電路不足的地方。以下我們簡介目前比較可行的RF MEMS器件。
切換器
在無線通信系統(tǒng)中，切換器都用在最前端，主要是作為傳送和收發(fā)信號的切換。現(xiàn)在商業(yè)化的產(chǎn)品主要是采用固體電路，又有場效應(yīng)晶體管和PIN二極管二種形式，而以材料而言主要為Si和GaAs二種。現(xiàn)在GaAs的PIN二極管式的微切換器由于插入損耗較低和切換速度快等已逐漸成為主流。然而其成本較高，又無法整合，因此成為微機(jī)電領(lǐng)域可以切入的一個目標(biāo)，因?yàn)槲C(jī)電式的切換器具有更低的插入損耗, 隔離性佳，且工作頻率相寬廣，已經(jīng)有相當(dāng)多研發(fā)的適合RF IC使用的切換開關(guān)。
可變電容
一般而言可變電容或稱為Varactor，常用于可調(diào)濾波器和壓控振蕩器等。在CMOS上可以用PN結(jié)形成的結(jié)電容作為可變電容，其電容值會隨著加在PN結(jié)兩端的壓降而變化，然而隨著工作頻率的上升，其Q值變得相當(dāng)?shù)牡停?GHz時Q值已和電感相當(dāng)，如此一來便使得壓控振蕩器的相位噪聲變得更差。相對而言，以MEMS制作的可變電容可以提供許多好處，如Q值的提升，較大的調(diào)諧范圍，較高的工作頻率。但受限于工藝，一般制作可變電容時以平行板電容為主。這種方式可變動的部分主要是平行板中間間距和二平行板的重復(fù)面積區(qū)域。研究顯示電容可以從2.11pF變2.46pF，可變比例為16%，Q值可達(dá)62。
電感
電感在RF IC中扮演著極重要的角色，它對于很多電路設(shè)計(jì)都非常重要，例如，LNA，VCO，濾波器等?？上Ю肅MOS工藝的電感卻成了CMOS RF IC最大的障礙，它的低Q值低噪聲放大器(LNA)的噪聲過大，增益降低，另外也使壓控振蕩器(VCO)的相位噪聲無法降低。
首先，仔細(xì)分析電感的模型可知Q值不高的原因主要有兩個：
第一來自金屬的損耗，由于傳統(tǒng)CMOS工藝并沒有提供一層高導(dǎo)電率的金屬層，使得電感串聯(lián)電阻不夠低，直接影響了Q值，而且電阻值會因集膚效應(yīng)隨著頻率的上升而增大。
第二主要來自基板的損耗，由于硅基板本身具有導(dǎo)電性，使得電感產(chǎn)生很多來自基板的雜散效應(yīng)，另外也會有渦流電流出現(xiàn)，而這些不良的效應(yīng)都會隨著頻率的增加變得更嚴(yán)重。
本文采用MEMS針對第二個損耗作改善，其作法是先在布局時就在IC上留下所欲蝕刻的圖樣，然后根據(jù)硅晶格的蝕刻特性對基板作深蝕刻，最后利用側(cè)向蝕刻把電感下方的硅基板挖空，只剩電感懸浮在空中，如此一來，金屬下面沒有了導(dǎo)電層，那么渦流電流自然也沒有了。另外金屬和基板之間的電阻和電容也會減少，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。不過這個方法只能讓Q值在高頻獲得解決，如果想在2GHz以下的工作頻率作改進(jìn)，必須用另一個方式解決，那就是減低金屬的損耗。解決金屬損耗的最好方法，就要利用MEMS制程的高深寬比特性來實(shí)現(xiàn)厚膜金屬的電感。
事實(shí)上已有許多文獻(xiàn)發(fā)表了利用MEMS制作硅基板上的高Q值電感，而最成功的莫過于法國MEMSCAP公司所制造的電感，他們利用BCB來墊高電感以減輕上述來自基板的損耗，再加上超過10μm的電鍍銅作為電感材料以減輕來自金屬的損耗，獲得Q值高達(dá)的電感器(圖4)。

結(jié)語
最近，全世界最大的半導(dǎo)體制造商Intel披露了幾項(xiàng)拓展硅晶體應(yīng)用范圍的研究方向，即CMOS基無線網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和光子芯片。由此可見RF和MEMS已經(jīng)成了無法抵擋的世界潮流。而我們更進(jìn)一步把MEMS實(shí)際應(yīng)用在RF IC上，證明RF MEMS對于達(dá)到射頻SoC不只可行，而且更是勢在必行?！?選自零組件雜志)

參考文獻(xiàn)：
1.  ‘Hitachi internal report.’
2. J. C. Rudell, ..., and P. Gray, ‘Recent Development in High Integration Multi-Standard CMOS Transceivers for Personal Communication Systems’,A talk given in NTUEE.
3. S. Tadjpour, E. Cijvat, E. Hegazi, and A. Abidi, ‘A 900MHz Dual Conversion Low-IF GSM Receiver in 0.35 um CMOS,’Proc. ISSCC , pp. 292-293, 2001