This paper presents an methods to integrate high Q passives and integrated circuits on a chip using our proposed PolyLithically Integrated Circuit(PLIC) technology. The electro-acoustic devices such as high Q SAW resonator and filters can be fabricated on Quartz directly bonded on the processed Silicon wafer (QoS), whose process are compatible with conventional Si IC process. We first fabricated a prototype of SAW resonator and oscillator on thick QoS instead of existing crystal oscillator. The crystal cannot be integrated on QoS with thin film process, but SAW devices are compatible with photolithographic process and easily realizable on QoS. Our SAW resonator on QoS shows Q about 10,000 and 11 dB insertion loss at 289 MHz, and BJT integrated on Si wafer is used as the active transistor of SAW oscillator. The measured phase noise of oscillator is as small as -120 dBc at 10 kHz offset, which is sufficient for most reference oscillator applications.
For more advanced work to show the feasibility of single chip RF system on QoS, a digitally temperature compensated SAW reference oscillator(DTCSO) is designed and fabricated in this work. The SAW device has some dependency on variation of temperature and process. In so far, analog temperature compensation method using varactor is adopted in every previous works, where the varactor is hardly integrable on Si IC. But our digital compensation circuits contains the circuits such as CMOS controller, digital capacitor bank, temperature sensor using bipolar transistor, and PROM, which are all integrable on cheap CMOS IC. The achieved compensated results shows the frequency stability of 3ppm against variation of temperature and process. Moreover, to improve the accuracy and thermal hysteresis of sensor, a SAW itself is employed as a temperature sensor and its characteristics is investigated. The sensitivity of SAW sensor to temperature is about 19ppm/℃ and using frequency counter very accurate and non hysteric temperature can be measured.
The author believes that PLIC using QoS and DTCSO prototype can open the door to true single chip radio system.
본 논문에서는 단일칩 radio제작을 위해 QoS를 이용한 PLIC구조의 단일칩 radio의 제작 가능성을 보이고, 나아가 집적이 어려운 부품 중 하나인 기준주파수 발진기를 집적이 QoS방법을 이용하면 쉬울 것으로 예상되는 DTCSO (Digitally Temperature Compensated SAW Oscillator)로 구현하는 것이다. 먼저 제안된 다층기판 집적회로(PolyLithic IC) 기술을 이용하여 고성능의 수동소자와 집적회로를 단일 칩에 집적하는 방법이 연구되었다. PLIC의 구체적 기술의 한 형태로 quartz기판을 집적회로가 완성된 Si기판 위에 접합한 구조인 QoS(Quartz-on-Silicon)방법을 택하면 고성능의 SAW 공진기나 filter등을 집적할 수 있다. 제안된 QoS공정은 박막공정, 즉 기존의 반도체 공정과 호환성이 있어 대량의 batch process가 가능하다는 장점이 있다.
우리는 먼저 기존의 crystal 발진기 대신에 후막의 QoS위에 SAW공진기를 만들어, 기준 주파수 SAW 발진기를 만들었다. Crystal은 집적하기가 거의 불가능해 단일칩 radio를 제작하는데 가장 큰 걸림돌이라 할 수 있다. 이에 반해, SAW는 리소그라피를 이용한 박막공정으로 제작되므로 집적이 상당히 용이하다. QoS위에 제작된 SAW 공진기의 특성은 Q가 최대 10000정도, 삽입손실 -11dB가량이 나왔다. 기준 주파수는 289MHz이다. 그리고 이를 이용해 QoS위에 제작된 SAW 발진기의 위상잡음 특성은 -120dBc @10kHz offset이다. 전력소모는 10mW가량이다. 이는 기존의 crystal 발진기에 비해 위상잡음이 약간 나쁘나, 시스템 측면에서 볼 때, 대부분의 기준주파수 발진기에 사용할 수 있는 성능이다. 이 결과는 QoS위에 SAW 발진기를 구현함으로 모든 고성능의 소자가 SAW등을 이용하여 집적될 경우, QoS공정을 이용한 PLIC구조의 단일칩 라디오가 가능함을 보여주고 있다.
여기서 더 나아가 사용 가능한 기준주파수 SAW 발진기를 만들기 위해, SAW공진기에서 문제가 는 온도와 공정에 따른 주파수의 변이를 디지털방식으로 보상한 DTCSO를 제작하였다. 온도보상 방식으로는 아날로그 방식이 있으나, varactor등의 집적이 까다로운 소자를 사용하므로, 본 연구에서는 단위 커패시터들로 구성된 주파수 보정용 커패시터 bank를 디지털 방식으로 제어하여 커패시터의 크기를 바꾸는 방법을 택하였다. 여기서 다른 제어부와 memory부 역시 기존의 Si IC에 집적이 용이한 CMOS회로로 구현하였다. 이렇게 하면 아날로그 방식에 비해 정확하게 온도와 공정이 동시에 보상될 수 있으며, CMOS공정을 사용하였으므로, 나중에 QoS공정을 이용하여 제작할 때 값싸게 제작이 가능하리라 본다.
온도 보정된 주파수의 정확도는 상용 온도 범위에서 3ppm을 얻었다. 여기서 온도센서와 SAW공진기 간에 thermal distance가 있어 측정된 온도가 부정확하고 심지어 히스테리 현상을 보이기도 하는데, 여기에 대한 대안으로 SAW자체가 온도센서 역할을 하는 SAW 센서를 제작 실제 온도변화에 따른 주파수 변이를 측정하였다 (19ppm/℃). SAW센서에서는 주파수의 변화로 온도를 산출하게 된다. 본 연구의 결과인 QoS공정과 SAW 기준주파수 발진기는 기존의 라디오 시스템이 단일칩 화 될 수 있는 하나의 가능성을 보여 주었다.
