关于带隙基准电压源修调技术的综述

关于带隙基准电压源修调技术的综述

郑元敬、任建、陈疆川、姚文广、刘颐行

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，沈阳 110870）

摘  要： 由于工艺不可避免的影响，带隙基准电压会有一定的偏差，这会直接影响电路的精度和性能，所以经常要对电路、器件等进行一定的调整，从而优化带隙基准源的性能和精度。本文将针对齐纳二极管修调、熔丝修调、激光修调、电子熔丝和存储器修调等应用于带隙基准电压源的主流修调技术进行整理分析讨论。

关键词：  带隙基准；修调

引言

带隙基准电压源作为模拟集成电路与数模混合集成电路的重要组成部分，在混合信号集成电路中有着广泛的应用，如在 D／A 转换器 、A／D转换器 、开关电源、各种电源管理类芯片、低噪声放大器、锁相环、混频器、压控振荡器等芯片中，其精度直接影响整个电路的精度与鲁棒性。带隙基准电压源需具备良好的抗干扰性以适应工艺电压温度（Process Voltage and Temperature：PVT）的变化，其基本原理是将与绝对温度成正比的 (PTAT)电压和双极型晶体管的基极－发射极电压按比例相加，即可得到零温度系数的基准电压。而随着集成电路工艺设计技术的发展，电路性能要求也越来越高，一直以来人们在减小温度 、输入电压对带隙基准电压源的影响方面做了许多工作，其目的都是为了提高带隙基准电压的温度系数，保证高低温下的参数数值不漂移等等。

为了实现以上要求，修调技术越来越广泛应用于带隙基准电压源的设计中，修调技术的种类也越来越丰富。本文将针对齐纳二极管修调、熔丝修调、激光修调、电子熔丝和存储器修调等主流的修调技术进行整理分析讨论。

1. 带隙基准电压源的基本原理

带隙基准电压的基本原理是利用两种具有相反温度系数的电压，将它们以适当的权重相加，这样就产生了零温度系数的电压。在半导体工艺的各种不同器件参数中，双极晶体管的特性参数被证实具有良好的重复性，并且具有能提供正温度系数和负温度系数的、严格定义的量。

传统带隙基准的工作原理是利用双极晶体管的基极发射极电压VBE，其具有负温度系；另外，如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压的差值△VBE就与绝对温度成正比，通过对这两个电压按适当的权重相加，就可以得到与温度无关的基准电压。

2. 修调技术的种类

2.1齐纳二极管修调

齐纳二极管修调是一种向下修调电阻值的修调方法，它可利用PN结反向击穿或者二极管单向导通特性，配合其他器件，实现电阻值的增减。在修调电路未工作时，其连接为断路，当给齐纳二极管施加一定的反向偏置电压，形成大电流使PN结融化短路，实现片上连接的调整。通常情况下，该电流的典型值范围在200mA到300mA之间。例如，可设计为，未被修调的齐纳二极管处于开路状态，当齐纳二极管被反向击穿，造成PN结永久损坏且不可恢复，从而使二极管正负短路，使与之并联的电阻从电路中短路剔除，从而达到修调的目的。

2.2熔丝修调

熔丝一般是由金属电阻或薄膜电阻构成，中间窄两头宽的设计，使通过大电流时产生的热量即可将其熔断。大电流烧断的金属熔丝(Metal Fuse)和多晶硅熔丝(Poly Fuse)其工作原理基本相同，都是使用探针引接大电流(视线宽不同，一般幅值150mA，持续50ms即可)熔断，一旦熔断之后便不可恢复。薄膜宽度越宽，需要电流越大，容易烧毁芯片。用于修调的PAD通常较小(微型PAD)，节省芯片面积,不能进行常规的封装键合，只能采用微型探针进行修调。

通常覆盖在金属熔丝上的钝化层中有一个小的开孔，允许编程中蒸发的金属逸出，防止其散逸到芯片其他位置造成短路，开孔同时也防止熔丝熔断过程中产生的热量冲击使，钝化层破裂。任何金属(除了熔丝本身)都不能进入开孔，甚至不能进入开孔周围几微米的范围，以防止喷出的材料桥接熔丝和突入的金属从而引发漏电。

当然，熔丝也可以采用激光进行切割，其原理是利用激光能量将金属连接汽化，使连接电阻改变，熔丝设计规则需根据激光修调设备的精度进行控制，修调部位需要与其他电路及金属导线保持足够的间距，是否开孔等因素与大电流编程熔丝考虑相同。

总体来说，熔丝修调的精度比激光修调的精度要低得多，但是。其不需要特殊的设备，且不增加工艺成本，相对激光修调而言，具有显著的成本优势。

2.3激光修调

激光修调通常用来改变薄膜电阻的阻值，通过激光束局部加热，从而改变局部材料的微观结构或者化学组成，由电阻的定义及公式可得总体阻值，例如电阻在横向修调后电流流向改变，从而流过的电子总量发生变化，改变电阻的阻值。这种修调的方法是纯物理性质的，采用先进的激光工艺直接熔断芯片上的熔丝。由于其使用激光设备进行修调，所以其精细度很高，这种不需要物理接触的修调方法，可以大大减少电路上的pad数量，缩小芯片的尺寸，降低成本。也可以实现对电路中的薄膜电阻阻值高精密度的调整，实现更多以及更高精度的电路功能，它的缺点是相比传统电修调即熔丝修调的成本高得多。

2.4电子熔丝

Efuse实际上是两个电极之间很短的一段最小宽度的多晶硅，所以其原理也与多晶硅熔丝类似。但是与传统的熔丝相比，Efuse是基于电迁移(EM)原理进行编程的，电迁移特性可以生成小得多的熔丝结构，能减少测试和自修复的成本。不论是在晶圆探测阶段还是在封装之后，电子可编程熔丝都可以在不增加成本和修调复杂度的情况下对芯片进行优异的编程。采用的编译电压一般在2.5V，一个持续几毫秒的十几毫安直流脉冲就足以编程单根熔丝。

熔丝的熔断特性及其可靠性都是通过大量实验经验得到的。迄今为止，熔丝有两种机理:电迁移和热熔断，电迁移在阴极形成空洞，鲁棒性非常好，是期望的熔断现象。而热熔断是由于高温破坏多晶硅的物理结构，在高温存储(HTS)和热循环(TC)过程中可能会恢复连接。

2.5存储器修调

一次性编程(OTP)是集成电路设计中常用的一种修调方法。熔断模块一旦工作发生熔断，所修调的参数就固化在芯片中，不能随意更换，如当通过细熔丝的电流电压达到一定值时，细熔丝就会因为功耗过大，发热严重而断开，使得电路断路。Efuse也可以被视为OTP的一种形式。

在高精度模拟电路中，修调通常以离散步骤完成，数字非易失性存储器可用于驱动模拟开关或数字校准电路。非易失性存储器可分为可擦除和不可重复擦除。不可擦除存储器也称为一次性编程(OTP)，对于大多数电路，OTP就足够使用了。通过逻辑控制单元(通常与数模混合芯片中的通用接口复用，如SPI等)将修复代码存储在存储器中，并用相应的数据控制不同的交换机，从而实现网络的编程。但由于EEPROM是浮动栅极存储电荷，在高低温循环中容易丢失数据，导致产品可靠性存在问题

3. 结论

本文介绍了带隙基准电压源的几种修调技术，其中，齐纳二极管修调、激光修调、熔丝修调主要在晶圆阶段进行修调，电子熔丝修调和存储器修调主要在晶圆或封装后修调。在精度、工艺兼容性和面积方面，激光修调优势明显，但成本更高，熔丝修调和齐纳二极管修调因需要占用较大的芯片面积，所以不适用于深亚微米工艺，电子熔丝有其独特优势，发展前景大，存储器修调灵活性更高，但由于采用了EEPROM等存储单元，对环境的适应能力较差，有可能出现数据丢失的情况，可靠性略低。

所以，针对不同产品的不同应用需求，应该结合实际，采用适合的方式进行修调，或者采用多种修调方式并存的方式对电路进行精修调，在各个方面达到理想的动态平衡。

参考文献：

[1]董泽芳，朱刚俊.芯片测试的修调与优化[J].集成电路应用, 2022, 39(08): 30-31.

[2]葛南. DC-DC Buck芯片ATE测试中的Trim技术研究[D].上海交通大学,2015.

[3]葛南,陈东坡.ATE测试中的Bandgap Trim技术研究[J].微电子学与计算机,2015,32(04):70-74+78.DOI:10.19304/j.cnki.issn1000-7180.2015.04.015.