聊聊高壓CMOS工藝

高壓CMOS (HVCMOS) 是一種專門為處理高電壓應用而設計的CMOS技術(shù)。HVCMOS技術(shù)因其能夠處理高壓且同時具備低壓CMOS電路的所有優(yōu)勢，使其在現(xiàn)代電子設備的各個領域中成為不可或缺的技術(shù)。無論是電源管理、汽車電子還是其他需要高壓處理的場景，HVCMOS都提供了一種高效、可靠的解決方案。

1. 基礎CMOS技術(shù)：

CMOS（互補金屬氧化物半導體）是一種用于制造集成電路的技術(shù)。它結(jié)合了n型和p型MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）來實現(xiàn)低功耗的邏輯功能。

在標準CMOS中，工作電壓通常較低，通常在1V到5V之間，這對于大多數(shù)數(shù)字應用已經(jīng)足夠。

2. 高電壓需求：

某些應用，例如驅(qū)動顯示面板、傳感器、汽車電子以及某些模擬電路，需要更高的電壓才能高效運行。

標準CMOS由于擊穿電壓的限制和可靠性問題，無法處理這些較高的電壓。

3. HVCMOS技術(shù)概述：

HVCMOS（High-Voltage CMOS）是一種專門設計用于在更高電壓下運行的CMOS技術(shù)，通常電壓范圍在12V到40V甚至更高。這涉及對標準CMOS工藝的修改，以創(chuàng)建能夠承受更高電場而不發(fā)生擊穿的器件。

HVCMOS技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)的低壓CMOS技術(shù)與能夠處理高電壓的電路設計，使得它能夠在集成電路中同時處理低壓和高壓信號。

4. HVCMOS與CMOS在技術(shù)上有什么不一樣的地方：

加厚的柵氧化層：為了處理更高的電壓，MOSFET的柵氧化層被加厚，從而提高了柵極的擊穿電壓。

更大的器件幾何尺寸：通過增加晶體管的尺寸，如溝道長度和寬度，降低電場強度，防止擊穿。

漏極工程：采用輕摻雜漏極（LDD）結(jié)構(gòu)和其他漏極工程方法，均勻分布電場，減少熱載流子效應，提高可靠性。

隔離技術(shù)：高壓器件需要與低壓電路良好隔離，以防止干擾和擊穿。這可能涉及使用深n阱、厚氧化隔離層或其他高級隔離技術(shù)。

5. HVCMOS的應用：

電源管理IC：HVCMOS用于需要切換高電壓以控制電子設備中的電源的電源管理集成電路（PMIC），能夠處理從低壓控制信號到高壓輸出的轉(zhuǎn)換。

顯示驅(qū)動器：HVCMOS技術(shù)應用于LCD和OLED的顯示驅(qū)動器中，這些驅(qū)動器需要高電壓來驅(qū)動像素。比如，在驅(qū)動LED、LCD背光或控制電機的應用中，HVCMOS能夠提供必要的高壓驅(qū)動能力。

汽車電子：汽車系統(tǒng)，例如電動汽車中的系統(tǒng)，使用HVCMOS進行各種控制和電源分配應用。HVCMOS用于控制電動機、執(zhí)行器和傳感器等設備，這些設備需要高壓驅(qū)動和控制。

模擬和混合信號電路：HVCMOS通常用于需要更高電壓以實現(xiàn)特定信號范圍的模擬電路中。

電信與網(wǎng)絡：HVCMOS在電信和網(wǎng)絡設備中用于處理較高電壓的信號，例如用于光纖通信的激光驅(qū)動器或模擬信號處理器。

醫(yī)療設備：?在某些醫(yī)療設備中，需要HVCMOS技術(shù)來處理和驅(qū)動高電壓組件，例如X射線機或超聲波成像設備中的高壓部分。

6.??HVCMOS的優(yōu)勢

集成度高：通過將高壓和低壓電路集成到同一個芯片上，HVCMOS能夠?qū)崿F(xiàn)高集成度的系統(tǒng)設計，減少了系統(tǒng)的體積和成本。

與標準CMOS的集成：HVCMOS可以與標準CMOS工藝集成，以便在同一芯片上實現(xiàn)高壓和低壓電路的混合，這對于混合信號和電源管理IC非常有用。

功耗低：與傳統(tǒng)的高壓電路相比，HVCMOS可以在較低的靜態(tài)功耗下工作，這對于便攜式和電池供電設備尤其重要。

性能可靠：HVCMOS技術(shù)在處理高電壓的同時，能夠保持CMOS電路的低噪聲、高速度和高可靠性的優(yōu)勢。

設計靈活：HVCMOS允許在同一芯片上集成不同的電壓域，使得設計師能夠靈活地處理各種電壓需求，適應更多的應用場景。

7. 技術(shù)需求的驅(qū)動因素

設備小型化：隨著現(xiàn)代電子設備越來越小型化，需要將更多功能集成到更小的芯片上。HVCMOS技術(shù)允許在同一芯片上集成高壓和低壓電路，有助于實現(xiàn)這一目標。

高效能：在電力電子和電源管理中，越來越多的應用需要高效能的高壓處理能力，HVCMOS通過提供高效的電壓轉(zhuǎn)換和管理，滿足這些需求。

安全性和可靠性：特別是在汽車和醫(yī)療領域，設備的安全性和可靠性至關(guān)重要。HVCMOS技術(shù)能夠在高電壓環(huán)境下保持穩(wěn)定運行，這使得它在這些關(guān)鍵領域得以廣泛應用。

8. HVCMOS的挑戰(zhàn)：

可靠性：管理在高電壓下長時間運行的器件的可靠性是一個挑戰(zhàn)，需要仔細的設計和測試。

工藝復雜性：HVCMOS所需的工藝修改增加了制造的復雜性和成本，與標準CMOS相比更為復雜。

作者：胡工，北京大學微電子本碩，北京大學半導體校友會成員，在半導體行業(yè)工作多年，常駐深圳。歡迎交流，備注姓名+公司+崗位。