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【硬件有道】:无线时代要搞搞清楚RF射频半导体工艺

发布于 2014/12/02-16:22 标签: / /

无线时代要搞搞清楚RF射频半导体工艺

射频半导体工艺——GaAs

半导体材料可以分为元素半导体和化合物半导体两大类,元素半导体指硅、锗单一元素形成的半导体,化合物指砷化镓、磷化铟等化合物形成的半导体。砷化镓的电子迁移速率比硅高5.7 倍,非常适合用于高频电路。砷化镓组件在高频、高功率、高效率、低噪声指数的电气特性均远超过硅组件,空乏型砷化镓场效晶体管(MESFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT/PHEMT),在3 V 电压操作下可以有80 %的功率增加效率(PAE: power addedefficiency),非常的适用于高层(high tier)的无线通讯中长距离、长通信时间的需求。

砷化镓元件因电子迁移率比硅高很多,因此采用特殊的工艺,早期为MESFET 金属半导体场效应晶体管,后演变为HEMT ( 高速电子迁移率晶体管),pHEMT( 介面应变式高电子迁移电晶体)目前则为HBT ( 异质 接面双载子晶体管)。异质双极晶体管(HBT)是无需负电源的砷化镓组件,其功率密度(power density)、电流推动能力(current drive capability)与线性度(linearity)均超过FET,适合设计高功率、高效率、高线性度的微波放大器,HBT 为最佳组件的选择。而HBT 组件在相位噪声,高gm、高功率密度、崩溃电压与线性度上占优势,另外它可以单电源操作,因而简化电路设计及次系统实现的难度,十分适合于射频及中频收发模块的研制,特别是微波信号源与高线性放大器等电路。

砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同,砷化镓需要采用磊晶技术制造,这种磊晶圆的直径通常为4-6 英寸,比硅晶圆的12 英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台,同时砷化镓原材料成本高出硅很多,最终导致砷化镓成品IC 成本比较高。磊晶目前有两种,一种是化学的MOCVD,一种是物理的MBE。

SiGe

1980 年代IBM 为改进Si 材料而加入Ge,以便增加电子流的速度,减少耗能及改进功能,却意外成功的结合了Si 与Ge。而自98 年IBM 宣布SiGe 迈入量产化阶段后,近两、三年来,SiGe 已成了最被重视的无线通信IC 制程技术之一。

依材料特性来看,SiGe 高频特性良好,材料安全性佳,导热性好,而且制程成熟、整合度高,具成本较低之优势,换言之,SiGe 不但可以直接利用半导体现有200mm 晶圆制程,达到高集成度,据以创造经济规模,还有媲美GaAs 的高速特性。随着近来IDM 大厂的投入,SiGe 技术已逐步在截止频率(fT)与击穿电压(Breakdown voltage)过低等问题获得改善而日趋实用。

目前, 这项由IBM 所开发出来的制程技术已整合了高效能的SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)3.3V 及0.5μm 的CMOS 技术,可以利用主动或被动组件,从事模拟、RF 及混合信号方面的配置应用。
SiGe 既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势,又具备第3 到第5 类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))在速度方面的优点。只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感,就可以采用SiGe 半导体技术集成高质量无源部件。此外,通过控制锗掺杂还可设计器件随温度的行为变化。SiGe BiCMOS 工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路(VLSI)行业中的所有新技术兼容,包括绝缘体硅(SOI)技术和沟道隔离技术。

不过硅锗要想取代砷化镓的地位还需要继续在击穿电压、截止频率、功率消耗方面努力。

RF CMOS

RF CMOS 工艺可分为两大类:体硅工艺和SOI(绝缘体上硅)工艺。由于体硅CMOS 在源和漏至衬底间存在二极管效应,造成种种弊端,多数专家认为采用这种工艺不可能制作高功率高线性度开关。与体硅不同,采用SOI 工艺制作的RF 开关,可将多个FET 串联来对付高电压,就象GAAS 开关一样。

尽管纯硅的CMOS 制程被认为仅适用于数字功能需求较多的设计,而不适用于以模拟电路为主的射频IC 设计,不过历经十几年的努力后,随着CMOS 性能的提升、晶圆代工厂在0.25mm 以下制程技术的配合、以及无线通信芯片整合趋势的引领下,RF CMOS 制程不仅是学界研究的热门课题,也引起了业界的关注。采用RF CMOS 制程最大的好处,当然是可以将射频、基频与存储器等组件合而为一的高整合度,并同时降低组件成本。但是症结点仍在于RF CMOS 是否能解决高噪声、低绝缘度与Q 值、与降低改善性能所增加制程成本等问题,才能满足无线通信射频电路严格的要求。

目前已采用RF CMOS 制作射频IC 的产品多以对射频规格要求较为宽松的Bluetooth 与WLAN 射频IC,例如CSR、Oki、Broadcom 等Bluetooth 芯片厂商皆已推出使用CMOS 制造的Bluetooth 传送器;英特尔公司宣布已开发出能够支持当前所有Wi-Fi 标准(802.11a、b和g)并符合802.11n 预期要求的全CMOS 工艺直接转换双频无线收发信机原型,包括了5GHz 的PA,并轻松实现了发送器与接收器功能的分离。而Atheros、Envara 等WLAN 芯片厂商也在最近推出全CMOS 制程的多模WLAN(.11b/g/a)射频芯片组。

手机用射频IC 规格非常严格,但是坚冰已经被打破。 Silicon Labs 最先以数字技术来强化低中频至基频滤波器及数字频道选择滤波器功能,以降低CMOS 噪声过高的问题所生产的Aero 低中频 GSM/GPRS 芯片组,英飞凌立刻跟进,也大量推出RF CMOS 工艺的产品,而高通在收购Berkana 后,也大力采用RF CMOS 工艺,一批新进射频厂家无一例外都采用RF CMOS 工艺,甚至是最先进的65 纳米RF CMOS 工艺。老牌的飞利浦、FREESCALE、意法半导体和瑞萨仍然坚持用传统工艺,主要是SiGe BiCMOS 工艺,诺基亚仍然大量使用意法半导体的射频收发器。而欧美厂家对新产品一向保守,对RF CMOS 缺乏信任,但是韩国大厂三星和LG 还有中国厂家夏新和联想,在成本压力下,大量采用RF CMOS 工艺的收发器。目前来看,缺点可能是故障率稍高和耗电稍大,并且需要多块芯片,增加设计复杂程度。但仍在可忍受的范围内。

其他应用领域还包括汽车的安全雷达系统,包括用于探测盲区的24GHz 雷达以及用于提供碰撞警告或先进巡航控制的77GHz 雷达;IBM 在此领域具备领导地位,2005 年推出的第四代SIGE 线宽有0.13 微米。

Ultra CMOS

SOI 的一个特殊子集是蓝宝石上硅工艺,在该行业中通常称为Ultra CMOS。蓝宝石本质上是一种理想的绝缘体,衬底下的寄生电容的插入损耗高、隔离度低。Ultra CMOS 能制作很大的RF FET,对厚度为150~225μm 的正常衬底,几乎不存在寄生电容。晶体管采用介质隔离来提高抗闩锁能力和隔离度。为了达到完全的耗尽工作,硅层极薄至1000A。硅层如此之薄,以致消除了器件的体端,使它成为真正的三端器件。目前,Ultra CMOS 是在标准6 寸工艺设备上生产的,8 寸生产线亦已试制成功。示范成品率可与其它CMOS 工艺相媲美。

尽管单个开关器件的BVDSS 相对低些,但将多个FET 串联堆叠仍能承爱高电压。为了确保电压在器件堆上的合理分压,FET 至衬底间的寄生电容与FET 的源与漏间寄生电容相比应忽略不计。当器件外围达到毫米级使总电阻较低时,要保证电压的合理分压,真正的绝缘衬底是必不可少的。

Peregrine 公司拥有此领域的主要专利,采用Ultra CMOS 工艺将高Q 值电感和电容器集成在一起也很容易。线卷Q 值在微波频率下能达到50。超快速数字电路也能直接集成到同一个RF 芯片上。该公司推出PE4272 和PE4273 宽带开关例证了UltraCMOS 的用处(见图)。这两个75Ω 器件设计用于数字电视、PC TV、卫星直播电视机顶盒和其它一些精心挑选的基础设施开关。采用单极双掷格式,它们是PIN 二极管开关的很好的替代品,它们可在改善整体性能的同时大大减少了元器件的数量。

两个器件1GHz 时的插入耗损仅为0.5dB、P1dB 压缩率为32dBm、绝缘度在1GHz 时高达44dB。两种器件在3V 时静态电流仅为8μA、ESD 高达2kV。PE4273 采用6 脚SC-70 封装,绝缘值为35dB。PE4272 采用8 脚MSOP 封装,绝缘值为44dB。10K 订购量时,PE4272 和PE4273 的价格分别为0.45 和0.30 美元。

和Peregrine 公司有合作关系的日本冲电气也开发了类似产品,冲电气称之为SOS 技术,SOS技术是以“UTSi”为基础开发的技术。“UTSi”技术是由在2003 年1 月与冲电气建立合作关系的美国派更半导体公司(Peregrine Semiconductor Corp.)开发的。在蓝宝石底板上形成单晶硅薄膜,然后再利用CMOS 工艺形成电路。作为采用具有良好绝缘性的蓝宝石的SOS 底板,与硅底板和SOI(绝缘体上硅)底板相比,能够降低在底板上形成的电路耗电量。冲电气开发的RF 开关的耗电电流仅为15μA(电源电压为2.5~3V),与使用GaAs 材料的现有RF 开关相比,耗电量降到了约1/5。

Si BiCMOS

以硅为基材的集成电路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、与结合Bipolar与CMOS 特性的Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等类。由于硅是当前半导体产业应用最为成熟的材料,因此,不论在产量或价格方面都极具优势。传统上以硅来制作的晶体管多采用BJT 或CMOS,不过,由于硅材料没有半绝缘基板,再加上组件本身的增益较低,若要应用在高频段操作的无线通信IC 制造,则需进一步提升其高频电性,除了要改善材料结构来提高组件的fT,还必须藉助沟槽隔离等制程以提高电路间的隔离度与Q 值,如此一来,其制程将会更为复杂,且不良率与成本也将大幅提高。

因此,目前多以具有低噪声、电子移动速度快、且集成度高的Si BiCMOS 制程为主。而主要的应用则以中频模块或低层的射频模块为主,至于对于低噪声放大器、功率放大器与开关器等射频前端组件的制造仍力有未逮。

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