合创资本刘华瑞:集成电路设计领域的关注点(其他集成电路篇)

创言·2022-01-21 16:38
集成电路的电子线路设计技术本身只是辅助,而领域各自的核心技术如材料、力学、化学等才是交流设计技术时更值得关注的地方。

本文来自微信公众号“合创资本”(ID:vinnocapital),作者:刘华瑞,36氪经授权发布。

前两篇分别介绍了数字/模拟集成电路设计领域的一些需要我们关注的地方,本篇将对其余一些细分领域的集成电路设计做简要探讨。在传统的数字/模拟之外的设计领域范围内,各个细分领域的差异是非常大的,部分跟数字/模拟设计技术有共同点,或由其延伸而得,有一些则在学科的交叉性上非常强烈,看上去甚至跟半导体技术没有太深的关系了。诸如材料科学,力学,热力学,凝聚态物理等跟电子线路设计不相关的学科在某些种类的集成电路设计中会起到关键作用。

01、其他集成电路设计

在光器件、功率器件、射频器件等领域中常用的化合物半导体,可以做出各种惯导传感器、射频滤波器、微麦克风等有可动执行部件的MEMS,还有在传统半导体工艺中加入特殊材料,如铁电、相变、铁磁、阻变等涉及材料科学的集成电路,这些都属于集成电路领域,但又是跟传统的数字/模拟设计有着非常大区别的细分领域。如果扩展到集成电路设计的全流程,封装设计也会是集成电路设计领域中需要重点关注的方向,特别是在现在半导体制造方面的特征尺寸已经无法再真实变小的情况下。

02、其他集成电路设计的流程

实际上本篇涉及的其他集成电路领域在核心技术方面并没有太多共同点,只是都可以通过集成电路的加工工艺制造出来,那么也不存在一个通用的这些集成电路设计领域的流程了,不同的细分领域的设计流程跟传统数字/模拟的设计流程的差异有大有小。例如在化合物半导体方面,由于化合物半导体只是将集成电路的核心原材料从硅改成了相对比较特殊的化合物半导体材料(锗硅,砷化镓,磷化铟,氮化镓,碳化硅等等),其设计制造技术跟传统的半导体差别不大,只需要针对不同化合物做一些特殊处理。铁电、相变、铁磁、阻变等材料领域更是如此,基本都是在传统的集成电路制造工艺中加入核心材料的制备。

差异较大者也有,例如MEMS,就必须在设计流程中重点考虑体结构的力学行为,让设计出来的可动微组件在集成电路工作时正常运作。若谈到封装设计,那么则直接是另外一门跟集成电路设计完全不同的学科了,力学、热力学、流体力学这些学科都会涉及,而若集成电路要应用在声学、光学等领域的话,相关的学科也是封装设计中的重点。

03、化合物半导体

在化合物半导体领域中,绝大部分的电路结构都是非常简单的,二极管、BJT、MOS等等最基础的器件只要是用化合物半导体材料制造的,在性能上就比传统的基于硅的同等器件优异很多。就算是外延结构非常复杂的光器件,其电路结构也是最基本的,繁琐的地方在于各种化合物构成的外延。

那么,在这个领域中,设计公司的确在电路结构上花费的精力是较少的。当然不是指电路结构不重要,具体版图的图案形状甚至方向都有可能影响最终产品的性能,而是说相对于传统的数字/模拟集成电路而言,化合物半导体的电路设计方面占用的时间较少。

化合物半导体领域中,更值得被关注的还是化合物半导体本身的制备,以及跟集成电路工艺的结合。就像DFB、EML、VSCEL等激光器芯片,其制备原材料中的化合物半导体本身的结构和制备质量就对最终激光器的性能有着深刻的影响。就算是看上去电路结构非常简单的GaN功率管,其化合物半导体材料的结构也不是仅仅把GaN生长上去就可以了,而是要添加一些辅助作用的化合物材料做缓冲层/种子层,亦或对衬底进行一些特殊的处理,改善器件的最终性能。

基于上述情况,化合物半导体领域中,无论设计公司是fabless还是IDM,核心团队中应有能够调整工艺,设计化合物半导体材料结构的人员。对于IDM模式的公司来说,这点应是必然的,否则其量产也是不可能的。而对于fabless模式的化合物半导体设计公司来说,很容易忽视这一点,因为这项工作是在晶圆厂完成的,看上去跟设计公司没什么关系。

另外一个方面,由于化合物半导体的非标准特性,不同的IDM厂,不同的晶圆代工厂,不同的外延厂(有可能外延制备被合并到IDM或者晶圆厂内)所生产出来的同一功能的器件的性能是有差异的。若设计公司能够考虑到这一点并在外围配合的芯片或器件上做些文章,减小这种差异的影响,则能够从另一个角度提升整体的良率,对于整个系统的竞争力来说是非常有利的。

04、MEMS

微机械MEMS是相对于传统的半导体平面工艺来说的,只要是含有在半导体材料上做出膜、梁、腔、沟槽等立体结构的工艺步骤的器件或者电路,都可以纳入MEMS的范畴。

在MEMS的设计领域中涉及非常多的力学,跟传统的只涉及电子相关专业的集成电路设计有非常大的区别。跟常规尺寸的机械产品一样,MEMS微机械的各个结构组件/整体系统对输入信号的响应是否符合设计意图,是MEMS设计中最核心的一件事情。

一般来说,这些刚体的形变、膜结构的振动等结构组件的响应可以通过EDA工具的仿真进行实际流片前的研究。虽然说良好的仿真对于后续的设计定型有非常优秀的指导意义,但是要想仿真结果更接近真实情况,材料模型的参数必须跟实际吻合,同时仿真的颗粒度需要细化。

关于第一点,如果不是使用一些创造性的新材料,一般来说业界对于模型参数的积累还是比较深厚的;而对于第二点,颗粒度越细化,仿真的计算量会大大增加,仿真的时间会影响到研发进度。有一些积累丰厚的MEMS设计公司,有自己长年积攒的一套数据库,做产品改良时可以通过数据库来获取比较接近需求的设计,从而大大减小仿真的周期甚至可以不仿真。

跟模拟集成电路的设计一样,MEMS领域也需要跟工艺进行深度的磨合,以求跟设计意图完全吻合的产品。当然跟模拟集成电路的工艺关注半导体的电学性能不一样,MEMS中更关注半导体材料的力学性能。开槽铺膜等加工是MEMS中常用的,而这些槽够不够深,槽壁够不够直,膜够不够大,会不会破,是MEMS工艺中重点考虑的问题。MEMS的设计者可以根据产品的需求设计出合适的微结构,但是能不能量产就需要看晶圆厂是否可以批量做出来了。例如一些比较深的槽,不同的晶圆厂都用同一种型号的干法刻蚀设备去制造,但是具体工艺参数和工艺步骤的细微区别会使各个晶圆厂出来的结果有差异,跟设计意图差异大的直接影响产品的功能性能,差异小的也会影响产品的良率。

实际上,对于上述两个关注点,有自身MEMS晶圆厂的IDM厂家是有利的,自身工艺的积累和摸索对于打造优质的MEMS器件产品有极大的正面作用。而fabless在有可能的情况下更应有能够跟晶圆厂直接对话并深度调试工艺的核心成员在团队中。

05、材料相关

这里说的材料相关的集成电路设计,是在使用传统半导体集成电路加工制造工艺(有可能有少许非标准的工艺)进行加工的,含有部分或全部非半导体材料的集成电路或者电子元器件的设计。由于传统的半导体只能对电子的运动进行响应,所以如果器件或者芯片产品希望对一些其他的变化如磁、光、声、力产生响应,那么就需要使用一些跟这些物理变化有关的材料来实现核心的功能。

例如使用铁磁材料做成的各种传感器或者存储器,如AMR传感器、GMR磁头、TMR存储器(MRAM),就是用半导体平面工艺的制造手段,通过对特定铁磁材料(铁镍钴铬等)的加工,制造出能够对磁场有响应的电子线路或器件。设计这些电子线路或者器件的设计人员,更多的是跟凝聚态物理、量子力学等学科打交道,从而设计出满足需求的铁磁材料结构。值得一提的是,实际上在高端数字电路制造领域,即几纳米工艺的制造领域,量子隧穿等效应是晶圆厂在摸索工艺,提取MOS管模型时必须重点考虑的,但是当设计人员设计数字电路时,并不需要考虑这些物理的效应,直接使用晶圆厂的成果即可。

再如依赖使用铁电、相变、光电等其他物理效应的材料所制造的芯片或器件,也必然需要关注这些材料本身的特殊特性,也同样需要关注材料本身的行为仿真、制造工艺等。

当然也有一些材料相关的领域对于设计人员来说是不需要太多关注的,例如各种SOI(FD-SOI、RF-SOI等),材料相关的内容已经在硅衬底处解决,设计人员只需要根据指引使用就可以了。

非半导体材料相关的集成电路设计需要更多的关注材料本身的特性,最好能用仿真来优化材料本身的设计,同时还对工艺进行长期的优化。这些材料涉及的领域五花八门,已经不是传统的集成电路设计领域的电子专业人员所能够掌握的,不同的材料领域需要有相应的知识储备。对此间的每一个细分领域来说,都是一门涉足宽泛的交叉学科,非长久修炼者恐不得其门。

06、封装设计

实话说封装设计跟传统的半导体集成电路设计从根本上来说是两门完全不同的学科,有深厚经验的数字/模拟设计人员可能对封装设计一无所知。一般只有配置最完备的芯片设计公司才有自身的封装设计团队,特别是大规模的数字芯片领域。

半导体的封装设计技术是一个发展迅猛的领域,从初期的直插型到现在FanOut、3D、Chiplet等高端封装的进程中,越来越多的技术被应用到封装中。二十年前的封装厂可能想象不到制造芯片的光刻、溅镀、刻蚀等技术有朝一日会在集成电路的封装上使用。

前文也提到,封装设计中涉及的学科范围非常广,有理论力学、流体力学、热力学、化学、模拟电路、各种材料学、声学、光学等等。因此能够做好封装设计,尤其是新型的高端封装设计的组织,大概率有一支知识面宽,综合能力强的团队,依靠个人也许能够根据其丰富的经验在中低端的封装设计中做得完善,但个人来完成纷繁芜杂的高端封装设计基本是不可能的。

不像集成电路的设计思路会被限制在晶圆厂提供的模型中,封装设计会是一个非常开放的过程。为了提高一点性能或者解决一点产品的隐患,很可能会使用一些新材料甚至新架构。那么为了实施某些改进,就需要新的供应商、新的工艺与新的设计思路进行配合。若任何一方无法实施,就只能返回去降低功能性能的需求或者做增加成本的折衷了。所以封装设计的人员如果跟上游的材料供应商和实施封装的封装厂有紧密的关系的话,会事半功倍。理论上来说,封装厂本身才是最适合培育优秀的封装设计团队的地方,所以如果是独立于封装厂之外的做封装设计的团队,最好能有在真实封装产线进行工艺调试,材料探索的充足的机会。

小结

本篇介绍的几种数字/模拟集成电路设计以外的设计领域,大多是牵扯到多种学科的交叉领域,对参与其中的设计团队提出的要求比传统的集成电路设计领域更广更深。

这些领域中,集成电路的电子线路设计技术本身只是辅助,而领域各自的核心技术如材料、力学、化学等等才是交流设计技术时更值得关注的地方。至此对于数字集成电路设计、模拟集成电路设计、其他集成电路设计的关注点的一些个人浅见已经介绍完毕,希望能给读者一点帮助。

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