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常見的四大類半導體工藝材料解析

日期:2016/11/10 9:39:07
摘要: 砷化鎵生產方式和傳統的硅晶圓生產方式大不相同,砷化鎵需要采用磊晶技朮制造,這種磊晶圓的直徑通常為4-6英寸,比硅晶圓的12英寸要小得多。
關鍵詞:半導體、材料

半導體材料可以分為元素半導體和化合物半導體兩大類,元素半導體指硅、鍺單一元素形成的半導體,化合物指砷化鎵、磷化銦等化合物形成的半導體。砷化鎵的電子遷移速率比硅高5.7倍,非常適合用于高頻電路。

砷化鎵組件在高頻、高功率、高效率、低噪聲指數的電氣特性均遠超過硅組件,空乏型砷化鎵場效晶體管(MESFET)或高電子遷移率晶體管(HEMT/PHEMT),在3V電壓操作下可以有80%的功率增加效率(PAE:poweraddedefficiency),非常的適用于高層(highTIer)的無線通訊中長距離、長通信時間的需求。

砷化鎵元件因電子遷移率比硅高很多,因此采用特殊的工藝,早期為MESFET金屬半導體場效應晶體管,后演變為HEMT(高速電子遷移率晶體管),pHEMT(介面應變式高電子遷移電晶體)目前則為HBT(異質接面雙載子晶體管)。異質雙極晶體管(HBT)是無需負電源的砷化鎵組件,其功率密度(powerdensity)、電流推動能力(currentdrivecapability)與線性度(linearity)均超過FET,適合設計高功率、高效率、高線性度的微波放大器,HBT為最佳組件的選擇。

而HBT組件在相位噪聲,高gm、高功率密度、崩潰電壓與線性度上占優勢,另外它可以單電源操作,因而簡化電路設計及次系統實現的難度,十分適合于射頻及中頻收發模塊的研制,特別是微波信號源與高線性放大器等電路。

砷化鎵生產方式和傳統的硅晶圓生產方式大不相同,砷化鎵需要采用磊晶技朮制造,這種磊晶圓的直徑通常為4-6英寸,比硅晶圓的12英寸要小得多。磊晶圓需要特殊的機台,同時砷化鎵原材料成本高出硅很多,最終導致砷化鎵成品IC成本比較高。磊晶目前有兩種,一種是化學的MOCVD,一種是物理的MBE。

SiGe

1980年代IBM為改進Si材料而加入Ge,以便增加電子流的速度,減少耗能及改進功能,卻意外成功的結合了Si與Ge。而自98年IBM宣布SiGe邁入量產化階段后,近兩、三年來,SiGe已成了最被重視的無線通信IC制程技朮之一。

依材料特性來看,SiGe高頻特性良好,材料安全性佳,導熱性好,而且制程成熟、整合度高,具成本較低之優勢,換言之,SiGe不但可以直接利用半導體現有200mm晶圓制程,達到高集成度,據以創造經濟規模,還有媲美GaAs的高速特性。隨著近來IDM大廠的投入,SiGe技朮已逐步在截止頻率(fT)與擊穿電壓(Breakdownvoltage)過低等問題獲得改善而日趨實用。

目前,這項由IBM所開發出來的制程技朮已整合了高效能的SiGeHBT(HeterojuncTIonBipolarTransistor)3.3V及0.5μm的CMOS技朮,可以利用主動或被動組件,從事模擬、RF及混合信號方面的配置應用。

SiGe既擁有硅工藝的集成度、良率和成本優勢,又具備第3到第5類半導體(如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP))在速度方面的優點。只要增加金屬和介質疊層來降低寄生電容和電感,就可以采用SiGe半導體技朮集成高質量無源部件。此外,通過控制鍺摻雜還可設計器件隨溫度的行為變化。SiGeBiCMOS工藝技朮几乎與硅半導體超大規模集成電路(VLSI)行業中的所有新技朮兼容,包括絕緣體硅(SOI)技朮和溝道隔離技朮。

不過硅鍺要想取代砷化鎵的地位還需要繼續在擊穿電壓、截止頻率、功率消耗方面努力。

RF CMOS

RF CMOS工藝可分為兩大類:體硅工藝和SOI(絕緣體上硅)工藝。由于體硅CMOS在源和漏至襯底間存在二極管效應,造成種種弊端,多數專家認為采用這種工藝不可能制作高功率高線性度開關。與體硅不同,采用SOI工藝制作的RF開關,可將多個FET串聯來對付高電壓,就象GAAS開關一樣。

盡管純硅的CMOS制程被認為僅適用于數字功能需求較多的設計,而不適用于以模擬電路為主的射頻IC設計,不過歷經十几年的努力后,隨著CMOS性能的提升、晶圓代工廠在0.25mm以下制程技朮的配合、以及無線通信芯片整合趨勢的引領下,RFCMOS制程不僅是學界研究的熱門課題,也引起了業界的關注。采用RFCMOS制程最大的好處,當然是可以將射頻、基頻與存儲器等組件合而為一的高整合度,并同時降低組件成本。但是症結點仍在于RFCMOS是否能解決高噪聲、低絕緣度與Q值、與降低改善性能所增加制程成本等問題,才能滿足無線通信射頻電路嚴格的要求。

目前已采用RFCMOS制作射頻IC的產品多以對射頻規格要求較為寬松的Bluetooth與WLAN射頻IC,例如CSR、Oki、Broadcom等Bluetooth芯片廠商皆已推出使用CMOS制造的Bluetooth傳送器;英特爾公司宣布已開發出能夠支持當前所有Wi-Fi標准(802.11a、b和g)并符合802.11n預期要求的全CMOS工藝直接轉換雙頻無線收發信機原型,包括了5GHz的PA,并輕松實現了發送器與接收器功能的分離。而Atheros、Envara等WLAN芯片廠商也在最近推出全CMOS制程的多模WLAN(.11b/g/a)射頻芯片組。

手機用射頻IC規格非常嚴格,但是堅冰已經被打破。SiliconLabs最先以數字技朮來強化低中頻至基頻濾波器及數字頻道選擇濾波器功能,以降低CMOS噪聲過高的問題所生產的Aero低中頻GSM/GPRS芯片組,英飛凌立刻跟進,也大量推出RFCMOS工藝的產品,而高通在收購Berkana后,也大力采用RFCMOS工藝,一批新進射頻廠家無一例外都采用RFCMOS工藝,甚至是最先進的65納米RFCMOS工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、意法半導體和瑞薩仍然堅持用傳統工藝,主要是SiGeBiCMOS工藝,諾基亞仍然大量使用意法半導體的射頻收發器。而歐美廠家對新產品一向保守,對RFCMOS缺乏信任,但是韓國大廠三星和LG還有中國廠家夏新和聯想,在成本壓力下,大量采用RFCMOS工藝的收發器。目前來看,缺點可能是故障率稍高和耗電稍大,并且需要多塊芯片,增加設計復雜程度。但仍在可忍受的范圍內。

其他應用領域還包括汽車的安全雷達系統,包括用于探測盲區的24GHz雷達以及用于提供碰撞警告或先進巡航控制的77GHz雷達;IBM在此領域具備領導地位,2005年推出的第四代SIGE線寬有0.13微米。

Ultra CMOS

SOI的一個特殊子集是藍寶石上硅工藝,在該行業中通常稱為Ultra CMOS。藍寶石本質上是一種理想的絕緣體,襯底下的寄生電容的插入損耗高、隔離度低。Ultra CMOS能制作很大的RFFET,對厚度為150~225μm的正常襯底,几乎不存在寄生電容。晶體管采用介質隔離來提高抗閂鎖能力和隔離度。為了達到完全的耗盡工作,硅層極薄至1000A。硅層如此之薄,以致消除了器件的體端,使它成為真正的三端器件。目前,UltraCMOS是在標准6寸工藝設備上生產的,8寸生產線亦已試制成功。示范成品率可與其它CMOS工藝相媲美。

盡管單個開關器件的BVDSS相對低些,但將多個FET串聯堆疊仍能承愛高電壓。為了確保電壓在器件堆上的合理分壓,FET至襯底間的寄生電容與FET的源與漏間寄生電容相比應忽略不計。當器件外圍達到毫米級使總電阻較低時,要保証電壓的合理分壓,真正的絕緣襯底是必不可少的。

Peregrine公司擁有此領域的主要專利,采用UltraCMOS工藝將高Q值電感和電容器集成在一起也很容易。線卷Q值在微波頻率下能達到50。超快速數字電路也能直接集成到同一個RF芯片上。該公司推出PE4272和PE4273寬帶開關例証了UltraCMOS的用處(見圖)。這兩個75Ω器件設計用于數字電視、PCTV、衛星直播電視機頂盒和其它一些精心挑選的基礎設施開關。采用單極雙擲格式,它們是PIN二極管開關的很好的替代品,它們可在改善整體性能的同時大大減少了元器件的數量。

兩個器件1GHz時的插入耗損僅為0.5dB、P1dB壓縮率為32dBm、絕緣度在1GHz時高達44dB。兩種器件在3V時靜態電流僅為8μA、ESD高達2kV。PE4273采用6腳SC-70封裝,絕緣值為35dB。PE4272采用8腳MSOP封裝,絕緣值為44dB。10K訂購量時,PE4272和PE4273的價格分別為0.45和0.30美元。

和Peregrine公司有合作關系的日本沖電氣也開發了類似產品,沖電氣稱之為SOS技朮,SOS技朮是以“UTSi”為基礎開發的技朮。“UTSi”技朮是由在2003年1月與沖電氣建立合作關系的美國派更半導體公司(PeregrineSemiconductorCorp.)開發的。在藍寶石底板上形成單晶硅薄膜,然后再利用CMOS工藝形成電路。作為采用具有良好絕緣性的藍寶石的SOS底板,與硅底板和SOI(絕緣體上硅)底板相比,能夠降低在底板上形成的電路耗電量。沖電氣開發的RF開關的耗電電流僅為15μA(電源電壓為2.5~3V),與使用GaAs材料的現有RF開關相比,耗電量降到了約1/5。

Si BiCMOS

以硅為基材的集成電路共有SiBJT(Si-BipolarJuncTIonTransistor)、SiCMOS、與結合Bipolar與CMOS特性的SiBiCMOS(SiBipolarComplementaryMetalOxideSemiconductor)等類。由于硅是當前半導體產業應用最為成熟的材料,因此,不論在產量或價格方面都極具優勢。傳統上以硅來制作的晶體管多采用BJT或CMOS,不過,由于硅材料沒有半絕緣基板,再加上組件本身的增益較低,若要應用在高頻段操作的無線通信IC制造,則需進一步提升其高頻電性,除了要改善材料結構來提高組件的fT,還必須藉助溝槽隔離等制程以提高電路間的隔離度與Q值,如此一來,其制程將會更為復雜,且不良率與成本也將大幅提高。

因此,目前多以具有低噪聲、電子移動速度快、且集成度高的SiBiCMOS制程為主。而主要的應用則以中頻模塊或低層的射頻模塊為主,至于對于低噪聲放大器、功率放大器與開關器等射頻前端組件的制造仍力有未逮。

氮化鎵GaN

氮化鎵并非革命性的晶體管技朮,這種新興技朮逐漸用于替代橫向擴散金屬氧化物硅半導體(Si LDMOS)和砷化鎵(GaAs)晶體管技朮以及某些特定應用中的真空管。

與現有技朮相比,氮化鎵(GaN)的優勢在于更高的漏極效率、更大的帶寬、更高的擊穿電壓和更高的結溫操作,這些特點經常作為推動其批量生產的重要因素,但在價格、可用性和器件成熟度方面還需加以綜合考量。

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