5种主流射频半导体制造工艺

嘉兆科技 CORAD 1 6 5 种主流射频半导体制造工艺 嘉兆科技 1 GaAs 半导体材料可以分为元素半导体和化合物半导体两大类 元素半导体指硅 锗单一元素 形成的半导体 化合物指砷化镓 磷化铟等化合物形成的半导体 砷化镓的电子迁移速 率比硅高 5 7 倍 非常适合用于高频电路 砷化镓组件在高频 高功率 高效率 低噪 声指数的电气特性均远超过硅组件 空乏型砷化镓场效晶体管 MESFET 或高电子迁移率 晶体管 HEMT PHEMT 在 3 V 电压操作下可以有 80 的功率增加效率 PAE power addedefficiency 非常的适用于高层 high tier 的无线通讯中长距离 长通信时间的需 求 砷化镓元件因电子迁移率比硅高很多 因此采用特殊的工艺 早期为 MESFET 金属半导 体场效应晶体管 后演变为 HEMT 高速电子迁移率晶体管 pHEMT 介面应变式高 电子迁移电晶体 目前则为 HBT 异质 接面双载子晶体管 异质双极晶体管 HBT 是无 需负电源的砷化镓组件 其功率密度 power density 电流推动能力 current drive capability 与线性度 linearity 均超过 FET 适合设计高功率 高效率 高线性度的微波 放大器 HBT 为最佳组件的选择 而 HBT 组件在相位噪声 高 gm 高功率密度 崩 溃电压与线性度上占优势 另外它可以单电源操作 因而简化电路设计及次系统实现的 难度 十分适合于射频及中频收发模块的研制 特别是微波信号源与高线性放大器等电 路 嘉兆科技 CORAD 2 6 砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同 砷化镓需要采用磊晶技术制造 这 种磊晶圆的直径通常为 4 6 英寸 比硅晶圆的 12 英寸要小得多 磊晶圆需要特殊的机 台 同时砷化镓原材料成本高出硅很多 最终导致砷化镓成品 IC 成本比较高 磊晶目 前有两种 一种是化学的 MOCVD 一种是物理的 MBE 2 SiGe 1980 年代 IBM 为改进 Si 材料而加入 Ge 以便增加电子流的速度 减少耗能及改进功 能 却意外成功的结合了 Si 与 Ge 而自 98 年 IBM 宣布 SiGe 迈入量产化阶段后 近 两 三年来 SiGe 已成了最被重视的无线通信 IC 制程技术之一 依材料特性来看 SiGe 高频特性良好 材料安全性佳 导热性好 而且制程成熟 整合 度高 具成本较低之优势 换言之 SiGe 不但可以直接利用半导体现有 200mm 晶圆 制程 达到高集成度 据以创造经济规模 还有媲美 GaAs 的高速特性 随着近来 IDM 大厂的投入 SiGe 技术已逐步在截止频率 fT 与击穿电压 Breakdown voltage 过低等 问题获得改善而日趋实用 目前 这项由 IBM 所开发出来的制程技术已整合了高效能的 SiGe HBT Heterojunction Bipolar Transistor 3 3V 及 0 5 m 的 CMOS 技术 可以利用主 动或被动组件 从事模拟 RF 及混合信号方面的配置应用 SiGe 既拥有硅工艺的集成度 良率和成本优势 又具备第 3 到第 5 类半导体 如砷化镓 GaAs 和磷化铟 InP 在速度方面的优点 只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电 感 就可以采用 SiGe 半导体技术集成高质量无源部件 此外 通过控制锗掺杂还可设 计器件随温度的行为变化 SiGe BiCMOS 工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路 VLSI 行业中的所有新技术兼容 包括绝缘体硅 SOI 技术和沟道隔离技术 嘉兆科技 CORAD 3 6 不过硅锗要想取代砷化镓的地位还需要继续在击穿电压 截止频率 功率消耗方面努力 3 RF CMOS RF CMOS 工艺可分为两大类 体硅工艺和 SOI 绝缘体上硅 工艺 由于体硅 CMOS 在源和漏至衬底间存在二极管效应 造成种种弊端 多数专家认为采用这种工艺不可能 制作高功率高线性度开关 与体硅不同 采用 SOI 工艺制作的 RF 开关 可将多个 FET 串联来对付高电压 就象 GAAS 开关一样 尽管纯硅的 CMOS 制程被认为仅适用于数字功能需求较多的设计 而不适用于以模拟 电路为主的射频 IC 设计 不过历经十几年的努力后 随着 CMOS 性能的提升 晶圆代 工厂在 0 25mm 以下制程技术的配合 以及无线通信芯片整合趋势的引领下 RF CMOS 制程不仅是学界研究的热门课题 也引起了业界的关注 采用 RF CMOS 制程 最大的好处 当然是可以将射频 基频与存储器等组件合而为一的高整合度 并同时降 低组件成本 但是症结点仍在于 RF CMOS 是否能解决高噪声 低绝缘度与 Q 值 与 降低改善性能所增加制程成本等问题 才能满足无线通信射频电路严格的要求 目前已采用 RF CMOS 制作射频 IC 的产品多以对射频规格要求较为宽松的 Bluetooth 与 WLAN 射频 IC 例如 CSR Oki Broadcom 等 Bluetooth 芯片厂商皆已推出使用 CMOS 制造的 Bluetooth 传送器 英特尔公司宣布已开发出能够支持当前所有 Wi Fi 标准 802 11a b 和 g 并符合 802 11n 预期要求的全 CMOS 工艺直接转换双频无 线收发信机原型 包括了 5GHz 的 PA 并轻松实现了发送器与接收器功能的分离 而 Atheros Envara 等 WLAN 芯片厂商也在最近推出全 CMOS 制程的多模 WLAN 11b g a 射频芯片组 嘉兆科技 CORAD 4 6 手机用射频 IC 规格非常严格 但是坚冰已经被打破 Silicon Labs 最先以数字技术来 强化低中频至基频滤波器及数字频道选择滤波器功能 以降低 CMOS 噪声过高的问题 所生产的 Aero 低中频 GSM GPRS 芯片组 英飞凌立刻跟进 也大量推出 RF CMOS 工艺的产品 而高通在收购 Berkana 后 也大力采用 RF CMOS 工艺 一批新进射频 厂家无一例外都采用 RF CMOS 工艺 甚至是最先进的 65 纳米 RF CMOS 工艺 老牌 的飞利浦 FREESCALE 意法半导体和瑞萨仍然坚持用传统工艺 主要是 SiGe BiCMOS 工艺 诺基亚仍然大量使用意法半导体的射频收发器 而欧美厂家对新产品一 向保守 对 RF CMOS 缺乏信任 但是韩国大厂三星和 LG 还有中国厂家夏新和联想 在成本压力下 大量采用 RF CMOS 工艺的收发器 目前来看 缺点可能是故障率稍高 和耗电稍大 并且需要多块芯片 增加设计复杂程度 但仍在可忍受的范围内 其他应用领域还包括汽车的安全雷达系统 包括用于探测盲区的 24GHz 雷达以及用于 提供碰撞警告或先进巡航控制的 77GHz 雷达 IBM 在此领域具备领导地位 2005 年 推出的第四代 SIGE 线宽有 0 13 微米 4 Ultra CMOS SOI 的一个特殊子集是蓝宝石上硅工艺 在该行业中通常称为 Ultra CMOS 蓝宝石本 质上是一种理想的绝缘体 衬底下的寄生电容的插入损耗高 隔离度低 Ultra CMOS 能制作很大的 RF FET 对厚度为 150 225 m 的正常衬底 几乎不存在寄生电容 晶 体管采用介质隔离来提高抗闩锁能力和隔离度 为了达到完全的耗尽工作 硅层极薄至 1000A 硅层如此之薄 以致消除了器件的体端 使它成为真正的三端器件 目前 Ultra CMOS 是在标准 6 寸工艺设备上生产的 8 寸生产线亦已试制成功 示范成品率 可与其它 CMOS 工艺相媲美 嘉兆科技 CORAD 5 6 尽管单个开关器件的 BVDSS 相对低些 但将多个 FET 串联堆叠仍能承爱高电压 为了 确保电压在器件堆上的合理分压 FET 至衬底间的寄生电容与 FET 的源与漏间寄生电容 相比应忽略不计 当器件外围达到毫米级使总电阻较低时 要保证电压的合理分压 真 正的绝缘衬底是必不可少的 Peregrine 公司拥有此领域的主要专利 采用 Ultra CMOS 工艺将高 Q 值电感和电容 器集成在一起也很容易 线卷 Q 值在微波频率下能达到 50 超快速数字电路也能直接 集成到同一个 RF 芯片上 该公司推出 PE4272 和 PE4273 宽带开关例证了 UltraCMOS 的用处 见图 这两个 75 器件设计用于数字电视 PC TV 卫星直播电 视机顶盒和其它一些精心挑选的基础设施开关 采用单极双掷格式 它们是 PIN 二极管 开关的很好的替代品 它们可在改善整体性能的同时大大减少了元器件的数量 两个器件 1GHz 时的插入耗损仅为 0 5dB P1dB 压缩率为 32dBm 绝缘度在 1GHz 时高达 44dB 两种器件在 3V 时静态电流仅为 8 A ESD 高达 2kV PE4273 采用 6 脚 SC 70 封装 绝缘值为 35dB PE4272 采用 8 脚 MSOP 封装 绝缘值为 44dB 10K 订购量时 PE4272 和 PE4273 的价格分别为 0 45 和 0 30 美元 和 Peregrine 公司有合作关系的日本冲电气也开发了类似产品 冲电气称之为 SOS 技 术 SOS 技术是以 UTSi 为基础开发的技术 UTSi 技术是由在 2003 年 1 月与 冲电气建立合作关系的美国派更半导体公司 Peregrine Semiconductor Corp 开发 的 在蓝宝石底板上形成单晶硅薄膜 然后再利用 CMOS 工艺形成电路 作为采用具 有良好绝缘性的蓝宝石的 SOS 底板 与硅底板和 SOI 绝缘体上硅 底板相比 能够降 低在底板上形成的电路耗电量 冲电气开发的 RF 开关的耗电电流仅为 15 A 电源电压 为 2 5 3V 与使用 GaAs 材料的现有 RF 开关相比 耗电量降到了约 1 5 嘉兆科技 CORAD 6 6 5 Si BiCMOS 以硅为基材的集成电路共有 Si BJT Si Bipolar Junction Transistor Si CMOS 与结 合 Bipolar 与 CMOS 特性的 Si BiCMOS Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor 等类 由于硅是当前半导体产业应用最为成熟的材料 因此 不论在产 量或价格方面都极具优势 传统上以硅来制作的晶体管多采用 BJT 或 CMOS 不过 由 于硅材料没有半绝缘基