以MEMS技术实现射频单芯片

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以MEMS技术实现射频单芯片

摘  要： 射频(RF)系统芯片(SoC)一直是业界追求的理想器件，目的是为了让无线通信产品轻薄短小。本文将简介如何利用MEMS工艺来改善元件特性，以证明RF MEMS对于射频SoC不只可行而且更是势在必行。
关键词： 射频通信；MEMS

前言
自从马可尼在1901年成功地将电磁波信号由欧洲大陆传送至纽约后，无线通信技术即以飞跃的速度进步。如今无线通信更改变了我们的日常生活方式(图1)：有了移动电话，我们可在任何时间、任何地点与任何人通话；汽车全球定位系统(GPS)帮助我们找到未曾去过的地方；蓝牙或无线局域网使我们以无线方式将计算机信息互相传递，或者以无线方式随时随地随心所欲地上网。在这些广泛应用于日常生活中的无线通信产品中，影响人们最显著的例子又莫过于移动电话。
因此，近年来无线通信的发展，其实乃着重于移动通信的发展。换包话说，无线通信产品的方向，一定要走向更轻、更薄、更短、更小。

射频SoC
目前移动通信产品从轻薄短小的眼光来看，现况是如何呢？图2是GSM手机电路的方框图。其中有外接的分立无源元件；还有砷化镓(GaAs)、硅双极、MOS器件。可见移动通信乃是各种技术的综合应，用且有许多无源元件未能整合到芯片上。
目前10 GHz以下的射频及中频集成电路仍以硅双极为主。由于CMOS在低频及数字电路呈现出极高性能和低廉价格，因此能整合高频双极和与低频CMOS于同一芯片之Bi-CMOS技术为理想之选择。特别是SiGe(硅锗)双极又比Si双极性能更优越，故SiGe Bi-CMOS 目前颇受注目，但其价格比纯CMOS高。GaAs虽然性能最佳，但价格高、良品率低，且无法与CMOS整合，故目前只用于高电压的功率放大器以及要求导通电阻低的切换开关。最近由于CMOS栅极长度越来越短，其工作频率越来越高，已可达10 GHz左右，因此RF CMOS突然间成为热门的研究题目，因为可用较Bi-CMOS低的价格而整合射频、中频及基频IC。
由以上讨论可以得知，移动通信电路乃是GaAs工艺、硅(含硅锗)双极工艺，硅CMOS工艺三分天下的局面。毫无疑问在基频方面，CMOS已建立其稳固的地位。因此若要将所有射频及基频电路全部整合制作在同一芯片上，只有CMOS工艺有可能。但CMOS制作射频电路的有二大障碍：(1)工作速度不够快；(2)无源元件损耗很大。近年来随着CMOS亚微米技术进步，第一点障碍已逐步被排除。在文献中已有不少以CMOS技术制作的GSM900、DCS1800、IEEE802.11b的2.4GHz WLAN及1EEE 802.11a 5.25GHz WLAN等无线IC的报导。在市场上也已有Silicon Labs公司的全CMOS GSM/DCS手机芯片组合Atheros公司的全CMOS 802.11a WLAN芯片组。至于第二个障碍，则可利用微机电系统(MEMS)来解决，在下文将作更深入的讨论。

射频微机电组件
在上面的讨论中，我们可以确定CMOS是最有资格成为射频SoC的技术，然而我们也提到利用CMOS来制作射频单芯片仍然会遇一些与生俱来的障碍，而MEMS技术正可补足CMOS电子电路不足的地方。以下我们简介目前比较可行的RF MEMS器件。
切换器
在无线通信系统中，切换器都用在最前端，主要是作为传送和收发信号的切换。现在商业化的产品主要是采用固体电路，又有场效应晶体管和PIN二极管二种形式，而以材料而言主要为Si和GaAs二种。现在GaAs的PIN二极管式的微切换器由于插入损耗较低和切换速度快等已逐渐成为主流。然而其成本较高，又无法整合，因此成为微机电领域可以切入的一个目标，因为微机电式的切换器具有更低的插入损耗, 隔离性佳，且工作频率相宽广，已经有相当多研发的适合RF IC使用的切换开关。
可变电容
一般而言可变电容或称为Varactor，常用于可调滤波器和压控振荡器等。在CMOS上可以用PN结形成的结电容作为可变电容，其电容值会随着加在PN结两端的压降而变化，然而随着工作频率的上升，其Q值变得相当的低，在5GHz时Q值已和电感相当，如此一来便使得压控振荡器的相位噪声变得更差。相对而言，以MEMS制作的可变电容可以提供许多好处，如Q值的提升，较大的调谐范围，较高的工作频率。但受限于工艺，一般制作可变电容时以平行板电容为主。这种方式可变动的部分主要是平行板中间间距和二平行板的重复面积区域。研究显示电容可以从2.11pF变2.46pF，可变比例为16%，Q值可达62。
电感
电感在RF IC中扮演着极重要的角色，它对于很多电路设计都非常重要，例如，LNA，VCO，滤波器等。可惜利用CMOS工艺的电感却成了CMOS RF IC最大的障碍，它的低Q值低噪声放大器(LNA)的噪声过大，增益降低，另外也使压控振荡器(VCO)的相位噪声无法降低。
首先，仔细分析电感的模型可知Q值不高的原因主要有两个：
第一来自金属的损耗，由于传统CMOS工艺并没有提供一层高导电率的金属层，使得电感串联电阻不够低，直接影响了Q值，而且电阻值会因集肤效应随着频率的上升而增大。
第二主要来自基板的损耗，由于硅基板本身具有导电性，使得电感产生很多来自基板的杂散效应，另外也会有涡流电流出现，而这些不良的效应都会随着频率的增加变得更严重。
本文采用MEMS针对第二个损耗作改善，其作法是先在布局时就在IC上留下所欲蚀刻的图样，然后根据硅晶格的蚀刻特性对基板作深蚀刻，最后利用侧向蚀刻把电感下方的硅基板挖空，只剩电感悬浮在空中，如此一来，金属下面没有了导电层，那么涡流电流自然也没有了。另外金属和基板之间的电阻和电容也会减少，此实验结果如图3所示。不过这个方法只能让Q值在高频获得解决，如果想在2GHz以下的工作频率作改进，必须用另一个方式解决，那就是减低金属的损耗。解决金属损耗的最好方法，就要利用MEMS制程的高深宽比特性来实现厚膜金属的电感。
事实上已有许多文献发表了利用MEMS制作硅基板上的高Q值电感，而最成功的莫过于法国MEMSCAP公司所制造的电感，他们利用BCB来垫高电感以减轻上述来自基板的损耗，再加上超过10μm的电镀铜作为电感材料以减轻来自金属的损耗，获得Q值高达的电感器(图4)。

结语
最近，全世界最大的半导体制造商Intel披露了几项拓展硅晶体应用范围的研究方向，即CMOS基无线网络、微机电系统(MEMS)和光子芯片。由此可见RF和MEMS已经成了无法抵挡的世界潮流。而我们更进一步把MEMS实际应用在RF IC上，证明RF MEMS对于达到射频SoC不只可行，而且更是势在必行。

参考文献：
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

李小路

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