sige異質(zhì)結(jié)調(diào)度技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

sige異質(zhì)結(jié)調(diào)度技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

0sige異質(zhì)結(jié)晶體技術(shù)的應(yīng)用近年來，隨著全球通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，信息技術(shù)的不斷進(jìn)步已經(jīng)成為通信行業(yè)的熱點(diǎn)。高頻、低頻、低噪聲、小體積、多功能和低價(jià)格已成為通信行業(yè)的中心熱點(diǎn)。開發(fā)商迫切需要高性能的廉價(jià)器件及電路以滿足通信市場的發(fā)展需求。而以能帶工程為基礎(chǔ)的SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù),迎合通信市場的發(fā)展,展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù),即以傳統(tǒng)的Si基晶體管技術(shù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管及其集成電路的設(shè)計(jì)制造。與傳統(tǒng)的Si基晶體管技術(shù)相比,基于SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)的器件及電路具有更好的頻率及噪聲特性,展現(xiàn)了良好的微波高頻段工作潛力;而與GaAs、InP技術(shù)產(chǎn)品相比,SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)產(chǎn)品又具有成本低、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn),特別是可與成熟的CMOS技術(shù)相兼容,生產(chǎn)靈活性更強(qiáng)。所以,自SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)產(chǎn)生以來,便受到廣泛關(guān)注,各國對(duì)其研究不斷加深,推動(dòng)了SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)的迅猛發(fā)展。1sige外延層的制備早在20世紀(jì)60年代,國外就開始了SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)的研究,當(dāng)時(shí)的技術(shù)主要是針對(duì)SiGe材料特性及其外延技術(shù)。如何得到高質(zhì)量的SiGe外延層成為當(dāng)時(shí)研究的關(guān)鍵。正是基于此目的,SiGe外延層的質(zhì)量隨著SiGe外延技術(shù)的發(fā)展不斷提高,SiGe外延技術(shù)發(fā)展至今,逐漸形成了幾種典型的外延技術(shù):分子束外延(MBE)、超高真空化學(xué)氣相淀積(UHV/CVD)、常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD)。1.1sige層外延自20世紀(jì)70年代,分子束外延第一次被用來進(jìn)行SiGe材料外延以來,分子束外延已經(jīng)成為SiGe層外延的一種通用技術(shù)。分子束外延進(jìn)行SiGe層外延的機(jī)理是:利用電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)對(duì)放于兩個(gè)不同干鍋中的Si源和Ge源進(jìn)行同步蒸發(fā),蒸發(fā)出的Si和Ge離子到達(dá)適當(dāng)加熱的襯底表面來實(shí)現(xiàn)SiGe外延層的生長,分子束外延是一種典型的物理淀積過程。1.2sige外延層用細(xì)度和表面粗糙度化學(xué)氣相淀積因其設(shè)備成本低,使用方便,適合工業(yè)生產(chǎn),一直是半導(dǎo)體外延工藝的首選。但是,傳統(tǒng)的CVD外延為了避免界面處氧化物的形成,生長溫度很高,一般高于1000℃。對(duì)于SiGe外延層而言,這樣高的溫度會(huì)使SiGe層發(fā)生弛豫,導(dǎo)致SiGe外延層與襯底界面處雜質(zhì)分布不陡峭,嚴(yán)重影響外延層的質(zhì)量。所以,為了實(shí)現(xiàn)低溫下的CVD生長,人們開發(fā)了UHV/CVD。第一臺(tái)UHV/CVD是由IBM公司設(shè)計(jì)研發(fā)的,目前UHV/CVD已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。UHV/CVD進(jìn)行SiGe層外延的機(jī)理是:利用含Si和Ge的氣源材料在襯底表面進(jìn)行熱分解反應(yīng)以獲得SiGe外延薄膜。1.3apcvd在sige層外延的應(yīng)用在目前的產(chǎn)業(yè)化Si外延技術(shù)中,最常用的外延技術(shù)是常壓化學(xué)氣相淀積。但直到1992年才報(bào)道了利用APCVD進(jìn)行SiGe層外延的研究。APCVD進(jìn)行SiGe外延的機(jī)理與常規(guī)CVD外延方法相同。但相比UHV/CVD,APCVD外延的SiGe層有很多缺陷,所以至今沒有得到廣泛應(yīng)用。表1中對(duì)比了幾種SiGe外延技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。2sigehbt系統(tǒng)伴隨著SiGe外延技術(shù)的進(jìn)步,高質(zhì)量的SiGe外延層的生長推動(dòng)了SiGe器件的研究發(fā)展。其中在1987年,IBM成功研制出第一支SiGeHBT,標(biāo)志著SiGeHBT技術(shù)的誕生。在此基礎(chǔ)上,隨著研究的不斷深入,SiGeHBT技術(shù)不斷進(jìn)步,到目前為止,主要形成了3種SiGeHBT技術(shù)。2.1資金內(nèi)容小,影響器件性能SiGe臺(tái)面技術(shù)即通過在襯底上依次外延集電區(qū)、SiGe基區(qū)、發(fā)射區(qū),然后刻蝕出基極臺(tái)面,并選擇性腐蝕掉Si層,形成發(fā)射極臺(tái)面,以此來實(shí)現(xiàn)SiGeHBT的制作,典型的臺(tái)面結(jié)構(gòu)如圖1所示。臺(tái)面結(jié)構(gòu)工藝簡單,可以獲得較大的BVceo。但是臺(tái)面結(jié)構(gòu)存在其固有缺點(diǎn),器件結(jié)電容較大,限制了器件頻率特性的提高;特別是臺(tái)面結(jié)構(gòu)由于是選擇性腐蝕出發(fā)射極臺(tái)面,發(fā)射極條寬不能過窄。因?yàn)槿绻l(fā)射極條寬度很窄,在形成SiO2側(cè)墻后,金屬化前的接觸孔光刻就要求設(shè)備有較高的光刻精度,如果光刻精度不夠,發(fā)射區(qū)接觸孔過大,就會(huì)導(dǎo)致金屬化后發(fā)射極與基極穿通。所以,這就限制了臺(tái)面結(jié)構(gòu)發(fā)射極條寬的進(jìn)一步減小,影響了器件性能的提高;同時(shí),臺(tái)面工藝不易與平面化工藝器件集成,限制了其應(yīng)用空間。2.2sigehbt結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前最常用的SiGeHBT平面自對(duì)準(zhǔn)工藝技術(shù)是SiGe平面發(fā)射極、基極自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。平面自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)通過發(fā)射區(qū)和外基區(qū)的選擇性注入,可以有效地減少基區(qū)電阻Rb,從而提高器件的頻率特性及減少器件噪聲。而發(fā)射區(qū)、基區(qū)自對(duì)準(zhǔn),使得器件不存在光刻偏差,可有效實(shí)現(xiàn)窄的發(fā)射極條,從而減小了器件在大電流下的發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。同時(shí)較小的發(fā)射極條寬也可有效提高發(fā)射極注入效率,從而減小BC結(jié)電容Cbc,提高器件頻率特性,特別是平面技術(shù)更有利于集成,所以現(xiàn)在對(duì)SiGeHBT的研究更多是采用平面結(jié)構(gòu)。圖2為SiGe平面自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖。2.3sige選擇性外延超自準(zhǔn)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)雖然SiGe平面自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)通過外基區(qū)的選擇性注入減小了基區(qū)電阻,但是其集電區(qū)面積不能有效減小,因此外基區(qū)和集電區(qū)間存在較大的寄生效應(yīng),為了克服這一效應(yīng),推出了基于選擇性外延的超自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。選擇性外延即在SiGe層外延前,首先光刻出圖形,在需要外延的圖形內(nèi)選擇性生長SiGe外延層,在圖形外則不生長SiGe外延層。典型的SiGe選擇性外延超自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是F.Stao等人開發(fā)的SSSB工藝。該工藝的主要特點(diǎn)是在SiGe基區(qū)外延前首先形成一個(gè)重?fù)诫s的多晶硅外基區(qū)“懸掛”結(jié)構(gòu),如圖3所示。然后在發(fā)射區(qū)窗口選擇性的外延SiGe基區(qū),如圖4所示。最后利用深槽隔離實(shí)現(xiàn)器件的超自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(圖5)。相比于傳統(tǒng)的自對(duì)準(zhǔn)技術(shù),選擇性外延超自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)了外基區(qū)與基區(qū)間有效連接的同時(shí),減少了集電區(qū)與基區(qū)間的寄生效應(yīng),同時(shí)采用深槽隔離減小了集電區(qū)面積,降低了BC結(jié)電容,大大提高了器件頻率特性。2.4sigehbt系統(tǒng)目前的SiGeHBT技術(shù)已完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,國外眾多大公司已可以提供完善的SiGeHBT代工業(yè)務(wù)。基于SiGeHBT技術(shù)的典型產(chǎn)品有:IBM公司的IBM43RF0100高頻低噪聲SiGe晶體管。器件fT=47GHz(VCE=3V,IC為峰值);噪聲系數(shù)NFmin=1.1dB(2GHz).特別適合VCO,LNA,WLL,WLAN應(yīng)用。東芝公司的MT系列高增益低噪聲SiGeHBT。MT系列典型的晶體管fT=8.5GHz(VCE=1V,IC=10mA),噪聲系數(shù)NFmin=1.2dB(2GHz),∣S21∣2=10dB(2GHz),適合VHF-UHF低噪聲放大器應(yīng)用。瑞薩科技于2007年推出了高性能的功率SiGeHBTRQG2003。在5GHz和2.4GHz頻段,該產(chǎn)品達(dá)到了業(yè)界最高水平。在5GHz頻段,功率增益6.4dB,1dB功率壓縮增益為26.5dBm,5.8GHz下的功率增加效率為33.6%;在2.4GHz頻段,功率增益13dB,1dB功率壓縮增益為26.5dBm,2.4GHz下的功率增加效率達(dá)到66%。RQG2003主要應(yīng)用于無線LAN終端及數(shù)字無繩電話等。SiGeHBT目前的研究水平是:2003年,IBM報(bào)道了室溫下fT達(dá)375GHz的SiGeHBT;2004年,IBM報(bào)道了fmax為350GHz的SiGeHBT;2006年,IBM聯(lián)同喬治亞理工學(xué)院,利用液氮,在-268℃下成功將SiGeHBT的fT提高到500GHz,這是目前世界上最高的晶體管fT報(bào)道?？梢灶A(yù)見,未來的SiGeHBT技術(shù)將繼續(xù)向著高頻、大功率方向發(fā)展。3sige異質(zhì)結(jié)晶體的制備SiGeBiCMOS技術(shù)是目前最主流,應(yīng)用最廣泛的SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)。自2000年以后,國外對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)的研究基本上都是基于SiGeBiCMOS技術(shù)。SiGeBiCMOS技術(shù)即在CMOS工藝中嵌入SiGeHBT工藝,既有CMOS工藝低功耗,高集成的特點(diǎn),又能夠利用雙極晶體管的高電流驅(qū)動(dòng)能力,這就使得在提高單片電路集成度的同時(shí),幾乎沒有增加成本。3.1sige/碳質(zhì)細(xì)胞技術(shù)在SiGeBiCMOS技術(shù)研究上,IBM公司多年來一直處于研究的最前沿。在1998年,IBM公司第一次推出了基于商業(yè)化應(yīng)用的SiGeBiCMOS5HP工藝技術(shù),標(biāo)志著SiGeBiCMOS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)。在5HP工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上,IBM又陸續(xù)推出了第二代6HP及第三代7HP和7WL技術(shù)。在2005年,IBM又成功研發(fā)了性能基本上是前代BiCMOS工藝兩倍的第四代SiGeBiCMOS工藝-8HP和8WL工藝技術(shù),此工藝技術(shù)專為部分由于昂貴的RF成本從而至今未能商用的多種應(yīng)用而打造。高性能的8HP工藝器件截止頻率達(dá)到200GHz,首次把商用的RF芯片帶入20GHz以上的頻段。而性能大約是8HP一半的低成本版8WL工藝,將主要面向現(xiàn)在由更昂貴的高端解決方案掌控的商用無線和GPS市場。IBM工藝技術(shù)指標(biāo)如表2。IBMBiCMOS技術(shù)的特點(diǎn)是采用深槽隔離的垂直雙極晶體管技術(shù),在集電區(qū)和摻雜的發(fā)射區(qū)間選擇性外延SiGe基區(qū),通過精確的SiGe外延層生長控制來提高器件性能。IBM公司商業(yè)化SiGeBiCMOS技術(shù)的出現(xiàn),帶動(dòng)了世界各大公司對(duì)SiGeBiCMOS技術(shù)的研究,擴(kuò)展了Si基集成技術(shù)產(chǎn)品的市場。在IBM之后,德國的IHP公司開發(fā)了先進(jìn)的SiGe:C技術(shù),通過SiGe基區(qū)中碳的引入,有效緩解了SiGe外延層的應(yīng)力,提高了SiGe器件的穩(wěn)定性,其器件fT高達(dá)200GHz。IHP公司將這種技術(shù)和0.25μmCMOS工藝融合,形成了新的SiGe:CBiCMOS技術(shù)。目前該技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于60GHz的無線通信電路中。恩智浦則于2009年推出了其基于高性能產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的SiGeBiCMOS工藝技術(shù)QUBIC4。QUBIC4采用先進(jìn)的SiGe:C技術(shù),目前器件的截止頻率可達(dá)130GHz,適合30GHz左右的微波應(yīng)用。同時(shí),QUBIC4工藝器件的增益及其噪聲系數(shù)都可以與GaAs器件相媲美,特別適合應(yīng)用于衛(wèi)星通信及汽車防撞雷達(dá)。3.2sigebicmos系統(tǒng)目前基于SiGeBiCMOS技術(shù)的芯片產(chǎn)品主要有:低噪聲放大器(LNA)、功率放大器(PA)、混頻器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、壓控振蕩器。2005年,RFMicroDevice公司采用SiGeBiCMOS工藝,推出了基于藍(lán)牙、手機(jī)、GPS應(yīng)用的SiGe低噪聲放大器RF2472。RF2472工作頻率為0.5～6GHz,增益14dB(2.4GHz),NFmin=1.5dB(2.4GHz)。東芝美國電子元器件公司則于2005年推出了中等功率SiGeBiCMOS功率放大器TA4401CT,TA4401CT在3.3V直流電源下電流消耗為125mA,在18dBm平均輸出功率下具有27.5dB的增益和3%的誤差向量(EVM)。該產(chǎn)品適合無線LAN(WLAN)及藍(lán)牙應(yīng)用。同年,TI公司成功研發(fā)了基于SiGeBiCMOS工藝的13位、210MSPS的SiGeA/D轉(zhuǎn)換器。2010年,Maxim公司采用其SiGeBiCMOS技術(shù),推出了專為4G無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的SiGe下變頻混頻器MAX19998。MAX19998具有9.7dB(典型值)的噪聲系數(shù),IIP3為24.3dBm(典型值)。同時(shí),MAX19998提供了業(yè)內(nèi)最佳的2RF-2LO雜散抑制(-10dBmRF幅度時(shí)為67dBc、-5dBmRF幅度時(shí)為62dBc)。隨著信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,目前的SiGeBiCMOS技術(shù)產(chǎn)品正向著低功耗、高集成、低成本的方向不斷發(fā)展,并已極具競爭力,而藍(lán)牙與WLAN領(lǐng)域也將成為未來SiGeBiCMOS技術(shù)產(chǎn)品的主要市場。4緣莎的sigemofe目前對(duì)于SiGeFET技術(shù)的報(bào)道,主要是針對(duì)兩類MODFET。一類是采用絕緣珊的SiGeMODFET,另一類是以調(diào)制摻雜為基礎(chǔ)的Si/SiGeMODFET。但總體上來說,SiGeFET技術(shù)還處于初始階段,至今未見關(guān)于SiGeFET技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的報(bào)道,所以對(duì)于SiGeFET技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。5sige本質(zhì)結(jié)晶體技術(shù)的發(fā)展趨勢縱觀整個(gè)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)發(fā)展歷史,主要經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段,即20世紀(jì)60年代到80年代的SiGe材料及外延技術(shù)的研究;20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)末的SiGeHBT技術(shù)研究;21世紀(jì)至今的SiGeBiCMOS技術(shù)研究?？梢灶A(yù)見,在未來幾十年內(nèi)SiGeBiCMOS技術(shù)將依然處于SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)研究的最前沿。特別是面對(duì)近年來個(gè)人通信產(chǎn)品的爆炸性增長,SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管技術(shù)產(chǎn)品將擁有更廣闊的市場前景,集成化、小型化、