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40-200GHz硅鍺雙極電路生產工藝和應用
1. 簡介
近10年來，硅鍺雙極集成電路（SiGe-BiCMOS）在無線通訊的推動下得到了突飛猛進的發展。今天SiGe-BiCMOS已被應用于以前被GaAs壟斷的領域，并在許多領域里呈取代GaAs的趨勢。
目前廣泛用于通信行業的SiGe-BiCMOS至少有四代。每一代的技術復雜性和性能各異，幾何結構從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的捷智半導體的四代SiGe-BiCMOS技術生產工藝。
2. SiGe120
SiGe 120是以10Gb 和 40Gb 產品為目標的0.18mm，150 GHz，SiGe-BiCMOS 生產工藝技術。由于歷史的原因，這一技術被命名為SiGe 120，而不是SiGe 150。表1給出了 SiGe120的主要特性。
工藝流程開始時通過高劑量注入和發展外延層形成埋層。該方法與高能量注入相比可以使集電極電阻zui小并在低Vce下維持高Ft（通常用于高速網絡應用中）。
深溝漕用來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。這對于縮短高速器件(如dividers and serders)開關的滯后時間至關重要。注入氧化物的淺溝漕和雙柵極氧化物來形成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反應器淀積SiGe層，Ge從靠近基極-發射極接點處的0%上升到靠近集電極-基極接點處的約30%。工藝的第二步是淀積和圖形化“犧牲”發射極。在“犧牲”發射極兩側沉積和圖形化側墻（spacer）形成襯墊，側墻在此還起到對外部基極注入進行自動調準的功能。“犧牲”發射極在外部基極摻雜物注入后被除掉。并且在“犧牲”發射極的原來位置上重新淀積“真正”的發射極。通過這樣的方式，“犧牲”發射極的尺寸恰好確定zui終發射極的尺寸。使用犧牲發射極直接確定發射極的尺寸，從而獲得比依靠內部墊片的技術更可靠的重復性。另外，此方法不需要選擇外延即可能產生自動調準的發射極-基極。zui后使用不同的集電極注入能量和注入量來決定基極-集電極之間的擊穿電壓。表1示出了3個NPN晶體管的Ft 和 BVceo。
接下來和傳統的場效應管集成相似，依次形成側墻，源極和漏極和硅化鈷來完成CMOS器件。后端包括六層金屬，一個電容器，一個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： 無線通訊的SiGe-BiCMOS 技術
SiGe 90去除了SiGe 120中那些與無線通訊應用無關的器件，并對有關的無源器件進行了改進，使得由SiGe-BiCMOS工藝生產的無線通訊產品價格更低，提高運用SiGe-BiCMOS工藝生產通訊產品的競爭性。
對于手機無線信號的接收和發送器件，通常不需要1.8V CMOS，因為大多數數字電路都置于一塊獨立的基帶芯片上。因此SiGe 90中僅采用了3.3V CMOS。而且對于通常在低電流密度下工作的2~5 GHz應用來說，具有150 GHz 峰值 Ft的晶體管沒有用處，因此僅使用了表1中列出的標準高電壓晶體管。由于低寄生效應的原因，這些器件仍保持了高Fmax和的噪聲特性及低電流特性。深漕溝結構也被去除，因為大多數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多少好處，而且這些器件對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的加工工藝基礎上，對少量工序進行了更改以獲得更好的器件性能，因此，上一代技術的所有工藝特性都得以保留。
以下分析模型可以有效地預測晶體管的峰值Ft：
1/Ft=(Re+kT/ ( q Ic ) ) ( Cbe+Cbc )+Wb2/ (2 Db)+Wc/ (2 Vs) +RcCbc (1)
此處Re代表發射極串聯電阻；Ic代表集電極電流；Cbe和 Cbc代表結電容；Wb代表基區寬度；Db代表基區中的電子擴散率；Wc代表集電極耗盡區；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)中的參數作為工藝參數的函數進行計算，以幫助分析晶體管性能的趨勢。
傳統上提高Ft的有效方法是提高集電極摻雜濃度。這會產生柯克效應(Kirk effect)從而提高集電極電流密度并獲得更高的峰值Ft。圖3顯示了將該技術應用到SiGe晶體管上時的實驗結果。實驗結果和公式(1)的預測都表明這種技術對于較低的集電極摻雜濃度有效，但對于較高的摻雜濃度效果有限。這一點是可以理解的，因為Re 和 Cbc限制了能夠從高Ic獲得的好處。