SOI 기반 BiCMOS 아날로그 공정기술을 이끌어낸

                  의료기기 산업 및 자동차용 애플리케이션

오늘날은 우수한 회로 디자인만이 경쟁력을 얻을 수 있다. 첨단 아날로그 제품을 차별화할 수 있는 핵심또한 공정기술이다. 배터리 전력 기반의 애플리케이션의 경우 마이크로 암페어의 전류 감소가 제품의 배터리 수명을 연장한다.산업 및 자동차, 의료용 애플리케이션의 경우에는 정확성과 광범위한 공급전압 및 온도 범위 등이 핵심적으로고려되어야 한다. 따라서 향후 10년 동안 업계를 선도하는 아날로그 제품생산을 지원할 수 있는 새로운 공정기술을 개발하기 위해서는 산업에서 요구하는 이러한 요소들을 충분히 반영할수 있어야 한다.내셔널 세미컨덕터는 증폭기에 최적화된 새로운 반도체 공정기술을 개발함에 있어 저전력 및 고속, 정밀성 등을 포함해 여러가지 많은 요구조건들을 고려했으며, 2년 이상의 개발기간을소요해 이를 실현할 수 있는 VIP50 공정기술 개발했다. VIP50 공정기술을이용하면 전력소모를 기존 제품에 비해 10배 정도 줄일 수 있다. 이 글에서는 시장의 요구에 대한 대응의 필요성이 어떻게 공정을 구체화했던 기술적인 결정사항을 이끌어 냈는지에 대해설명하고자 한다.

아날로그 및 디지털 공정 기술

아날로그 및 디지털 공정 기술은 급속도로 서로 다른 방향으로 나아가고있다. 디지털 공정 기술은 규모의 경제에 초점이 맞춰져 있다. 현재 웨이퍼사이즈는 가장 큰 것이 12인치에 이르고 있으며, 최소 배선폭의 빠른 감소가회로의 복잡성을 급격히 증가시키고있다. 미세 회로 기술의 막대한 개발및 구현비용이 디지털 공정능력의 표준화를 가져왔다. 이와 동시에 최대 허용 가능한 공급전압은 증가된 회로 밀도로 인해 빠르게 낮아지고 있다.아날로그 세계는 차원이 좀 다르다.공급전압에 대한 요구는 시스템 고려사항에 따라 달라진다. 수 많은 산업용테스트 및 계측 시스템은 신호 대 잡음비와 기존 시스템에서 요구하는 디자인 고려사항으로 인해 아직도 10V의공급전압으로 동작한다. 일정하지 않은 자동차 배터리에서 직접 동작해야하는 자동차용 시스템은 12V에서 동작할 수 있어야 하며 점프 스타트와 일시적인 시스템 장애 조건에도 대응할 수있도록 최대 27V의 전압을 견딜 수 있어야 한다.

또한 많은 자동차용 시스템은 더 높은 공급전압은 물론이고 150℃까지의온도에서도 동작할 수 있어야 한다. 한편 의료용 시스템의 경우에는 높은 정밀성과 보다 높은 수준의 통합 요구가증가하고 있다.예를 들면, 의료용 이미징 시스템은종종 작은 풋 프린트에 수 많은 병렬채널을 구성하고 있다. 따라서 가능한가장 낮은 전력 레벨에서 높은 대역폭과 낮은 잡음비를 유지하는 것이 중요하다. 그리고 무엇보다도중요한 것은 가전 제품의경우 폼 팩터는 점차 줄어들면서 AC/DC 성능은보다 높은 수준을 요구하고 있다는 점이다.

VIP50 공정기술 내셔널 세미컨덕터는2년 전에 고성능 증폭기애플리케이션에 최적화된 아날로그 IC 공정기술을 개발하기로 결정하고광범위한 동작 전압 범위와 동작 온도 범위, 그리고 우수한 속도 대 전력비율과 최고의 정확성을 구현하는데주력했다.새로운 IC 공정 기술 개발에 있어 첫번째로 선택한 것은 유용한 능동 소자를 만드는 것이었다. 지난 10년간 디지털 회로는 기본적으로 CMOS 기술을사용해 구현되었으며 고성능 아날로그디바이스는 대부분 바이폴라 공정이사용되었다. 각각의 트랜지스터 유형은 그 성격에 따라 각각의 이점과 결점을 가지고 있다.바이폴라 트랜지스터는 아날로그 애플리케이션에 사용될 때 CMOS보다일반적으로 높은 속도 대 전력비를 제공하며, 잡음 성능 또한 주어진 공급전류에서 대부분 우수하다. 그리고 대부분의 경우 바이폴라 트랜지스터는우수한 트랜지스터 매칭 특성으로 보다 나은 DC 정확성을 제공한다.한편 MOS 트랜지스터는 대량의 디지털 및 혼합 신호 회로를 작은 면적에통합할 수 있는 장점을 가지고 있으며,아날로그 회로에서 매우 유용한 상당수의 특성 또한 제공한다. MOS 디바이스는 매우 높은 입력 임피던스 특성을 가지고 있는데 이러한 높은 입력 임피던스는 여러 테스트 및 측정 애플리케이션에서 신호 체인의 첫 번째 증폭기의 입력 핀에 유입되는 에러 전류로인한 에러를 없애는데 매우 중요하다.또한 포토다이오드 리드아웃 회로에서 널리 사용되고 있는 트랜스임피던스 증폭기는 근본적으로 높은 MOS 트랜지스터 입력 임피던스로부터 효과적인 이득을 얻을 수 있다. 이외에도MOS 디바이스는 레일 투 레일 증폭기출력 컨피규레이션에서 우수한 출력스윙을 제공한다.

<그림 1> VIP50 공정을 이용한 일반적인 MOS 입력 운영 증폭기의 전압 잡음곡선

BiCMOS 기술 적용

VIP50 공정기술의 경우, 동일한 회로에서 바이폴라와 CMOS 트랜지스터를 사용할 수 있도록 BiCMOS 기술을적용했다. 광범위한 동작전류 환경에서 작동할 수있도록 최적화되어 있는바이폴라 트랜지스터는경쟁사의 솔루션이나 이전 세대의 제품에 비해10배 이상 높은 속도 대전력비를 제공하는 OPAMP뿐만아니라 서브-1μA에서 동작하는 OPAMP와비교기 등 다양한 제품을 구현할 수 있다. 바이폴라 트랜지스터는 최대 12V의 공급전압에서 동작할 수 있으며대부분의 산업 및 의료기기, 자동차용 애플리케이션에 사용할 수 있다.MOS 트랜지스터는 아날로그 성능에 특히 최적화 되어 있으며, 낮은 주파수에서의 전업잡음 성능뿐 아니라MOS입력 증폭기에 매우 중요한 트랜지스터 매칭, 이 두 가지의 특성을 목표로 하고 있다. MOS 트랜지스터는1/f 잡음이라고 불리는 현상 때문에 어려움을 겪고 있는데, 코너 주파수라고불리는 일정 동작 주파수 보다 낮은 주파수에서 MOS 입력 증폭기의 잡음이 대폭 상승하기 시작 한다.이러한 1/f 이 발생하는 주파수를 감소시키는 것은 MOS트랜지스터를 프론트 엔드로서 민감한 센서 리드아웃회로에 사용하는 것을 가능하게 한다현상이 발생하는 주파수를 감소시키는그림 1은 VIP50 공정으로 만들어진MOS 입력 OP-AMP의 일반적인 전압잡음 곡선을 보여준다. 1/f 잡음 코너는 1kHz 미만으로 정확한 낮은 주파수증폭을 가능하게 한다.

바이폴라 트랜지스터의 효율

바이폴라 트랜지스터의 효율은 바이폴라 디바이스의 콜렉터와 실리콘 웨이퍼 물질인 서브스트레이트 사이에서 발생하는기생 커패시턴스에 의해제한되며, 이러한 기생커패시턴스를 충전하고방전하기 위해서는 전류가 필요하다. 또한 이 웨이퍼 물질은 회로의 구성요소들을 효과적으로 연결하는 역할도 한다. 파워 시퀀싱이 진행되는 동안이나 입력에 공급전압범위를 초과한 전압이 가해질때 원치 않는 전류패스가 형성되거나 최악의 경우 회로 래치업이발생할 수 있다.VIP50 공정은 SOI(Silicon On Insulator)방식을 적용한 IC 공정기술을 통해 기존의 실리콘 서브스트레이트에서 발생하는 다운사이드 래치업이나 낮은 효율을 해결한다. SOI 기술은최근 고속 IC 공정에서는 일반적으로 사용되고 있지만 정밀 아날로그 애플리케이션에 최적화된 공정의 경우에는아직까지 사용된 적이 없다.

고정밀 저항

<그림 2> VIP50 공정을 이용한 일반적인 MOS 입력 운영 증폭기의 오프셋 전압 디스트리뷰션

마지막으로 고성능 아날로그 공정에서 중요한 요소 중 하나는 바로 고정밀저항이다.  저항들은 대다수의 증폭기기반 애플리케이션의 정밀도를 좌우하기 때문이다. VIP50 공정기술은 고도의 매칭을 통해 낮은 온도 계수의 박막저항을 제공하는데, 0.01% 보다 우수한 저항매칭이 가능하다. 이러한 레벨의 저항매칭은 프로세싱 기법과 레이아웃 기법, 웨이퍼 레벨의 레이저 트리밍 기술 등을 사용함으로써 가능하다.그림 2는 VIP50 공정기술로 만들어진 하나의 MOS 입력 증폭기의 오프셋전압 디스트리뷰션을 보여준다. 예전에는 오직 바이폴라 트랜지스터를 통해서만 얻을 수 있었던 이러한 입력 전압 레벨을 이제 아날로그 수준의 MOS디바이스와 레이저 트리밍으로 만든박막 필름 레지스터를 함께 사용함으로써 가능해졌다.공정기술은 오늘날 요구되는 고성능 증폭기의성능을 확실하게 차별화시킬 수 있다. VIP50 기술은 단일 공정에서 바이폴라 및 MOS 디바이스의 이점을 모두 제공할수 있으며, 정밀한 저항과 저항 값을 변경할 수있는 레이저 트리밍 사용이 가능하다. 또한 SOI기술은 대다수의 증폭기솔루션에서 속도 속도 대전력비를 10배 가량 증가시킬 수 있다. VIP50 공정기술로 구현된 초기 제품들이 현재 다양한 애플리케이션에 공급되고 있으며, 이러한 공정기술을 기반으로 한 많은 이점을 누리고 있다.

<자료제공: 반도체네트워드 2006년 01월>