聊聊高壓CMOS工藝

高壓CMOS (HVCMOS) 是一種專(zhuān)門(mén)為處理高電壓應(yīng)用而設(shè)計(jì)的CMOS技術(shù)。HVCMOS技術(shù)因其能夠處理高壓且同時(shí)具備低壓CMOS電路的所有優(yōu)勢(shì)，使其在現(xiàn)代電子設(shè)備的各個(gè)領(lǐng)域中成為不可或缺的技術(shù)。無(wú)論是電源管理、汽車(chē)電子還是其他需要高壓處理的場(chǎng)景，HVCMOS都提供了一種高效、可靠的解決方案。

1. 基礎(chǔ)CMOS技術(shù)：

CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的邏輯功能。

在標(biāo)準(zhǔn)CMOS中，工作電壓通常較低，通常在1V到5V之間，這對(duì)于大多數(shù)數(shù)字應(yīng)用已經(jīng)足夠。

2. 高電壓需求：

某些應(yīng)用，例如驅(qū)動(dòng)顯示面板、傳感器、汽車(chē)電子以及某些模擬電路，需要更高的電壓才能高效運(yùn)行。

標(biāo)準(zhǔn)CMOS由于擊穿電壓的限制和可靠性問(wèn)題，無(wú)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于在更高電壓下運(yùn)行的CMOS技術(shù)，通常電壓范圍在12V到40V甚至更高。這涉及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的修改，以創(chuàng)建能夠承受更高電場(chǎng)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(shè)計(jì)，使得它能夠在集成電路中同時(shí)處理低壓和高壓信號(hào)。

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(guò)增加晶體管的尺寸，如溝道長(zhǎng)度和寬度，降低電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)，減少熱載流子效應(yīng)，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(jí)隔離技術(shù)。

5. HVCMOS的應(yīng)用：

電源管理IC：HVCMOS用于需要切換高電壓以控制電子設(shè)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(hào)到高壓輸出的轉(zhuǎn)換。

顯示驅(qū)動(dòng)器：HVCMOS技術(shù)應(yīng)用于LCD和OLED的顯示驅(qū)動(dòng)器中，這些驅(qū)動(dòng)器需要高電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)像素。比如，在驅(qū)動(dòng)LED、LCD背光或控制電機(jī)的應(yīng)用中，HVCMOS能夠提供必要的高壓驅(qū)動(dòng)能力。

汽車(chē)電子：汽車(chē)系統(tǒng)，例如電動(dòng)汽車(chē)中的系統(tǒng)，使用HVCMOS進(jìn)行各種控制和電源分配應(yīng)用。HVCMOS用于控制電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行器和傳感器等設(shè)備，這些設(shè)備需要高壓驅(qū)動(dòng)和控制。

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

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

醫(yī)療設(shè)備：?在某些醫(yī)療設(shè)備中，需要HVCMOS技術(shù)來(lái)處理和驅(qū)動(dòng)高電壓組件，例如X射線機(jī)或超聲波成像設(shè)備中的高壓部分。

6.??HVCMOS的優(yōu)勢(shì)

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

與標(biāo)準(zhǔn)CMOS的集成：HVCMOS可以與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成，以便在同一芯片上實(shí)現(xiàn)高壓和低壓電路的混合，這對(duì)于混合信號(hào)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(duì)于便攜式和電池供電設(shè)備尤其重要。

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

設(shè)計(jì)靈活：HVCMOS允許在同一芯片上集成不同的電壓域，使得設(shè)計(jì)師能夠靈活地處理各種電壓需求，適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

7. 技術(shù)需求的驅(qū)動(dòng)因素

設(shè)備小型化：隨著現(xiàn)代電子設(shè)備越來(lái)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

高效能：在電力電子和電源管理中，越來(lái)越多的應(yīng)用需要高效能的高壓處理能力，HVCMOS通過(guò)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(chē)和醫(yī)療領(lǐng)域，設(shè)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(yùn)行，這使得它在這些關(guān)鍵領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

8. HVCMOS的挑戰(zhàn)：

可靠性：管理在高電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的器件的可靠性是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)和測(cè)試。

工藝復(fù)雜性：HVCMOS所需的工藝修改增加了制造的復(fù)雜性和成本，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS相比更為復(fù)雜。

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