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标题: 40-200GHz硅锗双极电路生产工艺和应用 [打印本页]

作者: yuyang911220 时间: 2017-5-16 10:58 标题: 40-200GHz硅锗双极电路生产工艺和应用

1. 简介
近10年来，硅锗双极集成电路（SiGe-BiCMOS）在无线通讯的推动下得到了突飞猛进的发展。今天SiGe-BiCMOS已被应用于以前被GaAs垄断的领域，并在许多领域里呈取代GaAs的趋势。
目前广泛用于通信行业的SiGe-BiCMOS至少有四代。每一代的技术复杂性和性能各异，几何结构从0.35mm 至 0.13mm，频率从40 ~ 200 GHz。作为示例，图1显示了覆盖主要通信终端市场的捷智半导体的四代SiGe-BiCMOS技术生产工艺。
2. SiGe120
SiGe 120是以10Gb 和 40Gb 产品为目标的0.18mm，150 GHz，SiGe-BiCMOS 生产工艺技术。由于历史的原因，这一技术被命名为SiGe 120，而不是SiGe 150。表1给出了 SiGe120的主要特性。
工艺流程开始时通过高剂量注入和发展外延层形成埋层。该方法与高能量注入相比可以使集电极电阻最小并在低Vce下维持高Ft（通常用于高速网络应用中）。
深沟漕用来减小集电极衬底间电容，漕中放入了氧化物衬里，然后填入多晶硅。这对于缩短高速器件(如dividers and serders)开关的滞后时间至关重要。注入氧化物的浅沟漕和双栅极氧化物来形成1.8V 和 3.3V MOS晶体管。
三极管晶体管是在形成CMOS的栅极后集成的。首先用单晶圆RT-CVD反应器淀积SiGe层，Ge从靠近基极-发射极接点处的0%上升到靠近集电极-基极接点处的约30%。工艺的第二步是淀积和图形化“牺牲”发射极。在“牺牲”发射极两侧沉积和图形化侧墙（spacer）形成衬垫，侧墙在此还起到对外部基极注入进行自动调准的功能。“牺牲”发射极在外部基极掺杂物注入后被除掉。并且在“牺牲”发射极的原来位置上重新淀积“真正”的发射极。通过这样的方式，“牺牲”发射极的尺寸恰好确定最终发射极的尺寸。使用牺牲发射极直接确定发射极的尺寸，从而获得比依靠内部垫片的技术更可靠的重复性。另外，此方法不需要选择外延即可能产生自动调准的发射极-基极。最后使用不同的集电极注入能量和注入量来决定基极-集电极之间的击穿电压。表1示出了3个NPN晶体管的Ft 和 BVceo。
接下来和传统的场效应管集成相似，依次形成侧墙，源极和漏极和硅化钴来完成CMOS器件。后端包括六层金属，一个电容器，一个金属电阻和两层厚的金属层，以改善电感器性能和降低线间连接的电阻。图2显示了后端的扫描电镜的截面图。
3. SiGe 90：无线通讯的SiGe-BiCMOS 技术
SiGe 90去除了SiGe 120中那些与无线通讯应用无关的器件，并对有关的无源器件进行了改进，使得由SiGe-BiCMOS工艺生产的无线通讯产品价格更低，提高运用SiGe-BiCMOS工艺生产通讯产品的竞争性。
对于手机无线信号的接收和发送器件，通常不需要1.8V CMOS，因为大多数数字电路都置于一块独立的基带芯片上。因此SiGe 90中仅采用了3.3V CMOS。而且对于通常在低电流密度下工作的2~5 GHz应用来说，具有150 GHz 峰值 Ft的晶体管没有用处，因此仅使用了表1中列出的标准高电压晶体管。由于低寄生效应的原因，这些器件仍保持了高Fmax和极佳的噪声特性及低电流特性。深漕沟结构也被去除，因为大多数射频模块使用尺寸比较大的器件，而使用深漕隔离不能为这些器件带来多少好处，而且这些器件对于集电极衬底间电容也不太敏感。低值金属电阻被高值多晶硅电阻替代（1000 W/sq），而且MIM电容器的密度也被从1fF/mm2提高至1.5 fF/mm2，以降低模块成本。此外还有6mm厚的六金属层可供选择，该厚金属层可以减小电感器尺寸，从而进一步降低模块成本。
4. SiGe200：新一代有线通讯的宠儿
200 GHz BiCMOS工艺是在SiGe 120的加工工艺基础上，对少量工序进行了更改以获得更好的器件性能，因此，上一代技术的所有工艺特性都得以保留。
以下分析模型可以有效地预测晶体管的峰值Ft：
1/Ft=(Re+kT/ ( q Ic ) ) ( Cbe+Cbc )+Wb2/ (2 Db)+Wc/ (2 Vs) +RcCbc (1)
此处Re代表发射极串联电阻；Ic代表集电极电流；Cbe和 Cbc代表结电容；Wb代表基区宽度；Db代表基区中的电子扩散率；Wc代表集电极耗尽区；Vs代表饱和电子速度；Rc代表集电极电阻。以下讨论中，公式(1)中的参数作为工艺参数的函数进行计算，以帮助分析晶体管性能的趋势。
传统上提高Ft的有效方法是提高集电极掺杂浓度。这会产生柯克效应(Kirk effect)从而提高集电极电流密度并获得更高的峰值Ft。图3显示了将该技术应用到SiGe晶体管上时的实验结果。实验结果和公式(1)的预测都表明这种技术对于较低的集电极掺杂浓度有效，但对于较高的掺杂浓度效果有限。这一点是可以理解的，因为Re 和 Cbc限制了能够从高Ic获得的好处。
因此要获得更高的Ft，就必须减小Re或Wb。图4显示了Re的效果。正如所预计的一样，在集电极掺杂浓度较低时（Ic也较低），Re不会对Ft造成重大的影响，但是当集电极掺杂浓度较高时，Re会对Ft造成重大的影响。
鉴于此，通过大幅减小发射极电阻和稍稍优化集电极剂量使SiGe晶体管的Ft达到了前所未有的性能指标，而同时没有大大减小基区宽度。图5显示了205 GHz的峰值Ft。这一频率是在1.8V的BVceo和369 GHz-V的Ft×BVceo乘积下获得的。
通过减小发射极宽度降低晶体管内的基极电阻，把基极有效区和晶体管尺寸成比例缩小减小了寄生集电极-基极的寄生电容，加上在没有大幅减小基极宽度（从而也没有增加基区电阻）的条件下提高了Ft，Fmax也提高到200 GHz以上。图6显示了这一结果。其中画出的H21被外推至Ft > 200GHz。图6还绘出了0.15mm的发射极宽度单向增益并外推至Fmax>200 GHz的。
以上讨论的晶体管结果都是通过集成0.13 mm的双栅（1.2 / 3.3V） CMOS实现的。图7中显示了0.13mmCMOS的特征输出曲线。虽然集成了双极器件，0.13 mm CMOS性能仍实现了完全的数字电路兼容性。1.2 V晶体管的Idsat分别为500 和 215 mA/mm，3.3 V晶体管的Idsat分别为600 和 245 mA/mm。
5. 结论
本文描述了 120 GHz 和200 GHz SiGe BiCMOS的加工工艺。并对商业应用中的不同的SiGe BiCMOS 技术进行了讨论，描述了每一技术如何在性能、特性和成本方面得以优化从而满足不同通信市场的需求。文中特别讨论了获得高的Ft和Fmax所需的器件设计要求，优化集电极掺杂浓度和减小发射极电阻是获得超越200 GHz 晶体管的最好途径。

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