射頻半導(dǎo)體工藝介紹

1、射頻半導(dǎo)體工藝介紹雖然過去幾年了，但是感覺到目前的射頻半導(dǎo)體工藝還是這幾種，只不過工藝更加進(jìn)步了，所以以下的文章還是適合的。1. GaAs半導(dǎo)體材料可以分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類，元素半導(dǎo)體指硅、鍺單一元素形成的半導(dǎo)體，化合物指砷化鎵、磷化銦等化合物形成的半導(dǎo)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(shù)的電氣 特性均遠(yuǎn)超過硅組件，空乏型砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)或高電子遷移率晶體管(HEMT/PHEMT)，在3 V 電壓操作下可以有 80%的功率附加效率(PAE: Power Added Efficie ncy)，非

2、常適用于高層(high tier)的無線通訊中長距離、長通信時(shí)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MESFE金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，后演變?yōu)镠EMT (高速電子遷移率晶體管)，pHEMT(介面應(yīng)變式高電子遷移 電晶體)目前則為HBT (異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)。異質(zhì)雙極晶體管(HBT)是無需負(fù)電源的砷化鎵 組件，其功率密度 (power density)、電流推動(dòng)能力(current drive capability)與線性度(linearity)均超過FET,適合設(shè)計(jì)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

3、率密度、崩潰電壓與線性度上占優(yōu)勢(shì)，另外它可以單電源操作，因而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)及次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，十分適合于射頻及中頻收發(fā)模塊的研制，特別是微波信號(hào)源與高線性放大器等電路。砷化鎵生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術(shù)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(jī)臺(tái)，同時(shí)砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導(dǎo)致砷化鎵成品IC成本比較高。磊晶目前有兩種，一種是化學(xué)的 MOCVD，種是物理的 MBE。2. SiGe1980年代IBM為改進(jìn)Si材料而加入Ge，以便增加電子流的速度，減少耗能及改進(jìn)功能， 卻意外成功的結(jié)合了 Si與Ge。而自98年I

4、BM宣布SiGe邁入量產(chǎn)化階段后，近兩、 三年 來，SiGe已成了最被重視的無線通信IC制程技術(shù)之一。依材料特性來看，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導(dǎo)熱性好，而且制程成熟、整合度高，具成本較低之優(yōu)勢(shì)，換言之，SiGe不但可以直接利用半導(dǎo)體現(xiàn)有200mm 晶圓制程，達(dá)到高集成度，據(jù)以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)規(guī)模，還有媲美GaAs的高速特性。隨著近來 IDM大廠的投入，SiGe技術(shù)已逐步在截止頻率(fT)與擊穿電壓(Breakdown voltage)過低等問題獲得改善而日趨實(shí)用。目前，這項(xiàng)由IBM所開發(fā)出來的制程技術(shù)已整合了高效能的SiGe HBT 3.3V及0.5卩油勺CMOS技術(shù)，可以利用主動(dòng)或被動(dòng)組

5、件，從事模擬、RF及混合信號(hào)方面的配置應(yīng)用。SiGe既擁有硅工藝的集成度、良率和成本優(yōu)勢(shì)，又具備 III-V族半導(dǎo)體(如砷化鎵(GaAs)和 磷化銦(InP)在速度方面的優(yōu)點(diǎn)。只要增加金屬和介質(zhì)疊層來降低寄生電容和電感，就可以 采用SiGe半導(dǎo)體技術(shù)集成高質(zhì)量無源部件。此外，通過控制鍺摻雜還可設(shè)計(jì)器件隨溫度的 行為變化。SiGe BiCMOS 工藝技術(shù)幾乎與硅半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路(VLSI)行業(yè)中的所有新技術(shù)兼容，包括絕緣體硅(SOI)技術(shù)和溝道隔離技術(shù)。不過硅鍺要想取代砷化鎵的地位還需要繼續(xù)在擊穿電壓、截止頻率、功率消耗方面努力。其他應(yīng)用領(lǐng)域還包括汽車的安全雷達(dá)系統(tǒng)，包括用于探測(cè)盲區(qū)的 2

6、4GHz雷達(dá)以及用于提供碰撞警告或先進(jìn)巡航控制的 77GHz雷達(dá)；IBM在此領(lǐng)域具備領(lǐng)導(dǎo)地位， 2005年推出的第 四代SiGe線寬有0.13微米。3. RF CMOSRF 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(yīng)，造成種種弊端，多數(shù)專家認(rèn)為采用這種工藝不可能制作高功率高線性度開關(guān)。與體硅不同，采用SOI工藝制作的RF開關(guān)，可將多個(gè)FET串聯(lián)來對(duì)付 高電壓，就象 GaAs開關(guān)一樣。盡管純硅的CMOS制程被認(rèn)為僅適用于數(shù)字功能需求較多的設(shè)計(jì)，而不適用于以模擬電路為主的射頻IC設(shè)計(jì)，不過歷經(jīng)十幾年的努力后，隨著CMOS性能的

7、提升、晶圓代工廠在0.25um 以下制程技術(shù)的配合、以及無線通信芯片整合趨勢(shì)的引領(lǐng)下，RF CMOS制程不僅是學(xué)界研究的熱門課題，也引起了業(yè)界的關(guān)注。采用RF CMOS制程最大的好處，當(dāng)然是可以將射頻、基頻與存儲(chǔ)器等組件合而為一的高整合度，并同時(shí)降低組件成本。 但是癥結(jié)點(diǎn)仍在于RF CMOS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(yán)格的要求。目前已采用RF CMOS制作射頻IC的產(chǎn)品多以對(duì)射頻規(guī)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

8、造的Bluetooth 傳送器；英特爾公司宣布已開發(fā)出能夠支持當(dāng)前所有Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)（802.11a、b和g）并符合802.11 n預(yù)期要求的全 CMOS工藝直接轉(zhuǎn)換雙頻無線收發(fā)信機(jī)原型，包括 了 5GHz的PA，并輕松實(shí)現(xiàn)了發(fā)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(jī)用射頻IC規(guī)格非常嚴(yán)格，但是堅(jiān)冰已經(jīng)被打破。Silicon Labs 最先以數(shù)字技術(shù)來強(qiáng)化低中頻至基頻濾波器及數(shù)字頻道選擇濾波器功能，以降低CMOS噪聲過高的問題所生產(chǎn)的Aero低中頻GSM/GPRS芯片組，英飛凌立刻跟進(jìn)

9、，也大量推出 RF CMOS工藝的產(chǎn)品， 而高通在收購Berkana后，也大力采用 RF CMOS工藝，一批新進(jìn)射頻廠家無一例外都采用RF CMOS工藝，甚至是最先進(jìn)的 65納米R(shí)F CMOS工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、 意法半導(dǎo)體和瑞薩仍然堅(jiān)持用傳統(tǒng)工藝，主要是SiGe BiCMOS工藝，諾基亞仍然大量使用意法半導(dǎo)體的射頻收發(fā)器。而歐美廠家對(duì)新產(chǎn)品一向保守，對(duì)RF CMOS缺乏信任，但是韓國大廠三星和LG還有中國廠家夏新和聯(lián)想，在成本壓力下，大量采用RF CMOS工藝的收發(fā)器。目前來看，缺點(diǎn)可能是故障率稍高和耗電稍大，并且需要多塊芯片，增加設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，但仍在可忍受的范圍內(nèi)。4.

10、 Ultra CMOSSOI的一個(gè)特殊子集是藍(lán)寶石上硅工藝，在該行業(yè)中通常稱為 Ultra CMOS 。藍(lán)寶石本質(zhì)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RF FET,對(duì)厚度為150225 ym的正常襯底，幾乎不存在寄生電容。晶體管采用介質(zhì) 隔離來提高抗閂鎖能力和隔離度。為了達(dá)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，Ultra CMOS 是在標(biāo)準(zhǔn)6寸工藝設(shè)備上生產(chǎn)的，8寸生產(chǎn)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(gè)開關(guān)器件的 BVDSS相對(duì)低些，但將多個(gè)

11、 FET串聯(lián)堆疊仍能承受高電壓。為了 確保電壓在器件堆上的合理分壓，F(xiàn)ET至襯底間的寄生電容與 FET的源與漏間寄生電容相比應(yīng)忽略不計(jì)。當(dāng)器件外圍達(dá)到毫米級(jí)，使總電阻較低時(shí)，要保證電壓的合理分壓，真正的絕緣襯底是必不可少的。Peregrine 公司擁有此領(lǐng)域的主要專利，采用Ultra CMOS 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(dá)到 50。超快速數(shù)字電路也能直接集成到同 一個(gè)RF芯片上。該公司推出PE4272和PE4273寬帶開關(guān)例證了 Ultra CMOS 的用處。這 兩個(gè)75 Q器件設(shè)計(jì)用于數(shù)字電視、 PCTV、衛(wèi)星直播電視機(jī)頂盒和其它一些精心挑選的基礎(chǔ)

12、設(shè)施開關(guān)。采用單刀雙擲格式，它們是 PIN二極管開關(guān)的很好的替代品，它們可在改善整 體性能的同時(shí)大大減少元器件的數(shù)量。兩個(gè)器件1GHz時(shí)的插入耗損僅為 0.5dB、P1dB壓縮率為32dBm、絕緣度在1GHz時(shí)高 達(dá)44dB。兩種器件在3V時(shí)靜態(tài)電流僅為 8卩A、ESD高達(dá)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(shí)， PE4272和PE4273的價(jià)格分別為 0.45和0.30美元。和Peregrine 公司有合作關(guān)系的日本沖電氣也開發(fā)了類似產(chǎn)品，沖電氣稱之為SOS技術(shù),SOS技術(shù)是以“UTSi ”為基礎(chǔ)

13、開發(fā)的技術(shù)。“UTSi ”技術(shù)是 年1月與沖電氣建立合作關(guān)系的美國派更半導(dǎo)體公司(Peregrine Semiconductor Corp.)開發(fā)的。在藍(lán)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(lán)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(fā)的RF開關(guān)的耗電電流僅為 15卩A (電源電壓為2.53V )，與使用GaAs材料的現(xiàn)有RF開關(guān)相比，耗電量降到了約1/5。5. Si BiCMOS以硅為基材的集成電路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、與結(jié)合Bipolar 與 CMOS 特性的 Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal OxideSemico nductor)等類。由于硅是當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最為成熟的材料，因此，不論在產(chǎn)量或價(jià)格方面都極具優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)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