SiGe BiCMOS工艺集成技术研究

2015-10-29李红征

电子与封装 2015年12期

关键词：发射极基极双极

李红征

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

SiGe BiCMOS工艺集成技术研究

李红征

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

SiGe（硅锗合金）BiCMOS工艺集成技术，是在制造电路结构中的双极晶体管时，在硅基区材料中加入一定含量的锗，形成应变硅异质结构晶体管，以改善双极晶体管特性的一种硅基工艺集成技术。对硅锗合金BiCMOS工艺的核心器件——锗硅异质结双极晶体管SiGe HBT的关键工艺模块，包括收集区、基区、发射区和深槽隔离的器件结构与制作工艺进行了研究与探讨。对常用的3种SiGe BiCMOS工艺集成技术BBGate工艺、BAGate工艺和BDGate工艺，进行了工艺集成技术难点与关键工艺方面的研究，并比较了各种工艺流程的优缺点及其适用范围。

硅锗合金；BiCMOS工艺；异质结双极晶体管；BBGate工艺；BAGate工艺；BDGate工艺

1　前言

SiGe（硅锗合金）BiCMOS工艺集成技术，是在制造电路结构中的双极晶体管时，在硅基区材料中加入一定含量的锗，形成应变硅异质结构晶体管，以改善双极晶体管特性的一种硅基工艺集成技术。SiGe BiCMOS工艺集成技术能够与硅CMOS工艺兼容，可将宽带、高增益、低噪声电路与高密度CMOS功能电路和逻辑阵列集成到一个芯片上。这种工艺集成技术具有高性能、高集成度、高成本-效益比等特点。从综合性能因素权衡考虑，比其他工艺集成技术更具竞争优势。

SiGe BiCMOS工艺集成技术是一种非常适用于模拟/混合信号电路制造的新工艺技术。这种工艺制造的NPN晶体管不仅fT比其他硅工艺制造晶体管的fT高1个数量级左右，而且更为重要的是其品质因素βVA乘积已达到很高，如48000，比其他工艺制造晶体管的高1～2个数量级，这是制造高精度高速度模拟/混合信号电路的最有利条件。

SiGe BiCMOS技术在各种产品中的应用包括：汽车安全系统，包括用于探测盲区的24 GHz雷达以及用于提供碰撞警告或先进巡航控制的77 GHz雷达；60 GHz Wi-Fi芯片，用于下一代无线个人区域网络（PAN）和骨干网络；用于手机的软件无线电模块（Software Defined Radio），可将天线接收的信号直接转换为数字形式；高速模/数和数/模转换器，用于数据获取、直接基带无线电（Direct-to-Baseband Radio）接收器、信号合成等。其核心器件SiGe HBT以其优良的频率响应特性、低噪声、高线性和高效率等优势，成为射频收发器的主流器件，进一步应用于功率放大器领域。

2　SiGe BiCMOS核心器件SiGe HBT

SiGe BiCMOS工艺的核心器件是SiGe HBT，即锗硅异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor），SiGe HBT工艺与CMOS工艺组合而成的SiGe BiCMOS工艺制造的器件，需要在RF CMOS标准工艺的基础上，加入SiGe材料外延工艺以及相关的刻蚀清洗工艺。

SiGe HBT的关键工艺如下：

（1）收集区的形成，要求低阻值。在常规SiGe HBT中采用n+高掺杂收集区埋层来降低收集区串联电阻，再采用高剂量高能量N型注入，连接收集区埋层，形成收集极引出端。

（2）SiGe基区的淀积，发射极多晶的淀积、注入掺杂。收集区埋层上外延中低掺杂的收集区，在其上形成在位P型掺杂的 SiGe外延形成基区，Ge的峰值浓度为10%～25%。然后淀积重N型掺杂多晶硅形成发射极，完成HBT的制作。

（3）发射极/基极自对准，工艺较为复杂。在发射区窗口打开时可选择中心收集区局部离子注入，调节HBT的集电结击穿电压和特征频率。对于高性能系列，通常采用发射极/基极自对准结构来降低器件基区电阻；而低成本系列考虑成本问题，采用发射极/基极非自对准结构更为合理。

（4）深槽隔离，降低收集区和衬底之间的寄生电容，改善HBT的频率特性，低成本系列使用PN结隔离代替高性能系列中的深槽隔离。

图1为0.18 μm发射极/基极自对准结构SiGe HBT的剖面图。

3　SiGe BiCMOS工艺流程

BiCMOS工艺技术是将CMOS和双极两种工艺有机融合在一起的技术，但绝不是简单、机械地掺和在一起。目前BiCMOS工艺主要有两种：一是以CMOS为基础的BiCMOS工艺，这种工艺对保证CMOS器件的性能较为有利；二是以双极工艺为基础的BiCMOS工艺，这种工艺BJT器件的性能较好。

图2是常用的3种BiCMOS工艺流程，根据双极器件基区制作与CMOS器件栅极制作的先后顺序，可分为BBGate工艺、BAGate工艺和BDGate工艺［1］。

图1　发射极/基极自对准SiGe BiCMOS HBT版图与SEM剖面图

图2　三种BiCMOS工艺流程简图

在BBGate（Base before Gate）工艺中，双极器件在CMOS工艺之前全部做完，在CMOS工艺中被覆盖保护起来。BBGate工艺流程的缺点是CMOS器件经受的热过程比双极器件多，本征基区杂质可能易于扩散变宽。

BDGate（Base during Gate）工艺，即双极器件的基区与CMOS器件的栅电极同步制作。双极器件与CMOS器件共享热过程，双极器件的基区SiGe材料外延生长后，要经历CMOS工艺中的多晶硅栅再氧化和源漏杂质退火激活两个热过程，导致基区杂质分布变宽。该流程工艺简单，成本低廉，广泛用于0.5μm以下BiCMOS工艺。图3为0.5 μm BDGate （Base during Gate） SiGe BiCMOS工艺流程简图［2］。

图3　0.5 μm BDGate （Base during Gate） SiGe BiCMOS工艺流程简图

BAGate（Base after Gate）工艺，CMOS器件在双极工艺之前全部做完，在双极工艺中被覆盖保护起来。CMOS器件更高温度的热过程在本征基区淀积与双极器件制作之前完成。BAGate工艺流程是现代BiCMOS工艺的主流工艺集成技术，比BDGate工艺减少了共享层的运用，减少了双极工艺和CMOS工艺之间的耦合程度，降低了热过程对SiGe器件的不良影响。同时该工艺保持了CMOS和双极工艺的相对完整性，便于两个工艺模块各自独立优化［3～4］。图4 为 0.25 μm与0.18 μm BAGate SiGe BiCMOS工艺流程简图。注意，模拟与双极器件屏蔽数量比BDGate工艺减少，因为这里CMOS工艺包括很多模拟模块。

图4 0.25 μm与0.18 μm BAGate （Base after Gate） SiGe BiCMOS工艺流程简图

图5为IBM的两种0.13 μm BAGate SiGe BiCMOS工艺流程。IBM第四代SiGe BiCMOS工艺技术8HP，与其上一代 0.18 μm SiGe技术相比提供了更高的性能、更低的能耗以及更高的集成度，据称其性能可达到上一代技术的两倍以上，8WL是专为支持无线应用而设计的低成本版本。

图3、4、5中，CMOS标准工艺流程均代表基本的CMOS工艺，插入点表示模拟与双极模块。

图5　IBM的两种0.13 μm BAGate （Base after Gate） SiGe BiCMOS工艺流程

4　结束语

SiGe BiCMOS工艺集成技术制造的集成电路具有高速度、低噪声、低功耗等高性能特点。这种工艺集成技术能够与硅CMOS工艺兼容，可将宽带、高增益、低噪声电路与高密度CMOS功能电路和逻辑阵列集成到一个芯片上。采用这种工艺集成技术制造现代高端集成电路，具有高性能、高集成度、高成本-效益比等特点。从这些综合性能因素权衡考虑，SiGe BiCMOS工艺集成技术比其他工艺集成技术更具竞争优势。

［1］ John D Cressler. Fabrication of SiGe HBT BiCMOS technology［M］. 6000 Broken Sound Parkway NW， Suite 300： CRC Press， Taylor & Francis Group， 2008. 7-2.

［2］ J S DUNN ET AL. Foundation of rf CMOS and SiGe BiCMOS technologies［R］. IBM J. RES. & DEV.， MARCH/ MAY 2003， 47（2/3）： 101-130.

［3］ A Joseph， L Lanzerotti， X Liu， D Sheridan， J Johnson， Q Liu， J Dunn， J-S Rieh， D Harame. Advances in SiGe HBT BiCMOS Technology［C］. 2004 Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems， 2004. 1-4.

［4］ John D. Cressler， Senior Member， IEEE， SiGe HBT Technology： A New Contender for Si-Based RF and Microwave Circuit Applications［J］. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES， 1998，46（5）：572-589.

Discussion of SiGe BiCMOS Technology Process Integration

LI Hongzheng
（China Electronic Technology Group Corporation No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China）

SiGe HBT， the essential device of SiGe BiCMOS technology， is introduced. The process modules of the formation of Collector， Base and Emitter of the SiGe HBT are introduced. Also 3 types of process flow，BBGate， BAGate， BDGate， applied in different SiGe BiCMOS technology nodes， are discussed. The paper reviews the process development and integration methodology， presents the device characteristics， and shows how the development and device selection were geared toward usage in mixed-signal IC development.

SiGe； BiCMOS； HBT； BBGate； BAGate； BDGate