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40-200GHz硅鍺雙極電路
近10年來(lái)，硅鍺雙極集成電路（SiGe-BiCMOS）在無(wú)線通訊的推動(dòng)下得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。今天SiGe-BiCMOS已被應(yīng)用于以前被GaAs壟斷的領(lǐng)域，并在許多領(lǐng)域里呈取代GaAs的趨勢(shì)。
目前廣泛用于通信行業(yè)的SiGe-BiCMOS至少有四代。每一代的技術(shù)復(fù)雜性和性能各異，幾何結(jié)構(gòu)從0.35mm 至 0.13mm， 頻率從40 ~ 200 GHz。作為示例，圖1顯示了覆蓋主要通信終端市場(chǎng)的捷智半導(dǎo)體的四代SiGe-BiCMOS技術(shù)生產(chǎn)工藝。
2. SiGe120
SiGe 120是以10Gb 和 40Gb 產(chǎn)品為目標(biāo)的0.18mm，150 GHz，SiGe-BiCMOS 生產(chǎn)工藝技術(shù)。由于歷史的原因，這一技術(shù)被命名為SiGe 120，而不是SiGe 150。表1給出了 SiGe120的主要特性。
工藝流程開(kāi)始時(shí)通過(guò)高劑量注入和發(fā)展外延層形成埋層。該方法與高能量注入相比可以使集電極電阻小并在低Vce下維持高Ft（通常用于高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中）。
深溝漕用來(lái)減小集電極襯底間電容，漕中放入了氧化物襯里，然后填入多晶硅。這對(duì)于縮短高速器件(如dividers and serders)開(kāi)關(guān)的滯后時(shí)間至關(guān)重要。注入氧化物的淺溝漕和雙柵極氧化物來(lái)形成1.8V 和 3.3V MOS晶體管。
三極管晶體管是在形成CMOS的柵極后集成的。首先用單晶圓RT-CVD反應(yīng)器淀積SiGe層，Ge從靠近基極-發(fā)射極接點(diǎn)處的0%上升到靠近集電極-基極接點(diǎn)處的約30%。工藝的第二步是淀積和圖形化“犧牲”發(fā)射極。在“犧牲”發(fā)射極兩側(cè)沉積和圖形化側(cè)墻（spacer）形成襯墊，側(cè)墻在此還起到對(duì)外部基極注入進(jìn)行自動(dòng)調(diào)準(zhǔn)的功能。“犧牲”發(fā)射極在外部基極摻雜物注入后被除掉。并且在“犧牲”發(fā)射極的原來(lái)位置上重新淀積“真正”的發(fā)射極。通過(guò)這樣的方式，“犧牲”發(fā)射極的尺寸恰好確定終發(fā)射極的尺寸。使用犧牲發(fā)射極直接確定發(fā)射極的尺寸，從而獲得比依靠?jī)?nèi)部墊片的技術(shù)更可靠的重復(fù)性。另外，此方法不需要選擇外延即可能產(chǎn)生自動(dòng)調(diào)準(zhǔn)的發(fā)射極-基極。后使用不同的集電極注入能量和注入量來(lái)決定基極-集電極之間的擊穿電壓。表1示出了3個(gè)NPN晶體管的Ft 和 BVceo。
接下來(lái)和傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)管集成相似，依次形成側(cè)墻，源極和漏極和硅化鈷來(lái)完成CMOS器件。后端包括六層金屬，一個(gè)電容器，一個(gè)金屬電阻和兩層厚的金屬層，以改善電感器性能和降低線間連接的電阻。圖2顯示了后端的掃描電鏡的截面圖。
3. SiGe 90： 無(wú)線通訊的SiGe-BiCMOS 技術(shù)
SiGe 90去除了SiGe 120中那些與無(wú)線通訊應(yīng)用無(wú)關(guān)的器件，并對(duì)有關(guān)的無(wú)源器件進(jìn)行了改進(jìn)，使得由SiGe-BiCMOS工藝生產(chǎn)的無(wú)線通訊產(chǎn)品價(jià)格更低，提高運(yùn)用SiGe-BiCMOS工藝生產(chǎn)通訊產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)性。
對(duì)于手機(jī)無(wú)線信號(hào)的接收和發(fā)送器件，通常不需要1.8V CMOS，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)字電路都置于一塊獨(dú)立的基帶芯片上。因此SiGe 90中僅采用了3.3V CMOS。而且對(duì)于通常在低電流密度下工作的2~5 GHz應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具有150 GHz 峰值 Ft的晶體管沒(méi)有用處，因此僅使用了表1中列出的標(biāo)準(zhǔn)高電壓晶體管。由于低寄生效應(yīng)的原因，這些器件仍保持了高Fmax和的噪聲特性及低電流特性。深漕溝結(jié)構(gòu)也被去除，因?yàn)榇蠖鄶?shù)射頻模塊使用尺寸比較大的器件，而使用深漕隔離不能為這些器件帶來(lái)多少好處，而且這些器件對(duì)于集電極襯底間電容也不太敏感。低值金屬電阻被高值多晶硅電阻替代（1000 W/sq），而且MIM電容器的密度也被從1fF/mm2提高至1.5 fF/mm2，以降低模塊成本。此外還有6mm厚的六金屬層可供選擇，該厚金屬層可以減小電感器尺寸，從而進(jìn)一步降低模塊成本。
4. SiGe200：新一代有線通訊的寵兒
200 GHz BiCMOS工藝是在SiGe 120的加工工藝基礎(chǔ)上，對(duì)少量工序進(jìn)行了更改以獲得更好的器件性能，因此，上一代技術(shù)的所有工藝特性都得以保留。
以下分析模型可以有效地預(yù)測(cè)晶體管的峰值Ft：
1/Ft=(Re+kT/ ( q Ic ) ) ( Cbe+Cbc )+Wb2/ (2 Db)+Wc/ (2 Vs) +RcCbc (1)
此處Re代表發(fā)射極串聯(lián)電阻；Ic代表集電極電流；Cbe和 Cbc代表結(jié)電容；Wb代表基區(qū)寬度；Db代表基區(qū)中的電子擴(kuò)散率；Wc代表集電極耗盡區(qū)；Vs代表飽和電子速度；Rc代表集電極電阻。以下討論中，公式(1)中的參數(shù)作為工藝參數(shù)的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以幫助分析晶體管性能的趨勢(shì)。
傳統(tǒng)上提高Ft的有效方法是提高集電極摻雜濃度。這會(huì)產(chǎn)生柯克效應(yīng)(Kirk effect)從而提高集電極電流密度并獲得更高的峰值Ft。圖3顯示了將該技術(shù)應(yīng)用到SiGe晶體管上時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和公式(1)的預(yù)測(cè)都表明這種技術(shù)對(duì)于較低的集電極摻雜濃度有效，但對(duì)于較高的摻雜濃度效果有限。這一點(diǎn)是可以理解的，因?yàn)镽e 和 Cbc限制了能夠從高Ic獲得的好處。
因此要獲得更高的Ft，就必須減小Re或Wb。圖4顯示了Re的效果。正如所預(yù)計(jì)的一樣，在集電極摻雜濃度較低時(shí)（Ic也較低），Re不會(huì)對(duì)Ft造成重大的影響，但是當(dāng)集電極摻雜濃度較高時(shí)，Re會(huì)對(duì)Ft造成重大的影響。
鑒于此，通過(guò)大幅減小發(fā)射極電阻和稍稍優(yōu)化集電極劑量使SiGe晶體管的Ft達(dá)到了的性能指標(biāo)，而同時(shí)沒(méi)有大大減小基區(qū)寬度。圖5顯示了205 GHz的峰值Ft。這一頻率是在1.8V的BVceo和369 GHz-V的Ft×BVceo乘積下獲得的。
通過(guò)減小發(fā)射極寬度降低晶體管內(nèi)的基極電阻，把基極有效區(qū)和晶體管尺寸成比例縮小減小了寄生集電極-基極的寄生電容，加上在沒(méi)有大幅減小基極寬度（從而也沒(méi)有增加基區(qū)電阻）的條件下提高了Ft，F(xiàn)max也提高到200 GHz以上。圖6顯示了這一結(jié)果。其中畫(huà)出的H21被外推至Ft > 200GHz。圖6還繪出了0.15mm的發(fā)射極寬度單向增益并外推至Fmax>200 GHz的。