李紅征

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

SiGe BiCMOS工藝集成技術(shù)研究

李紅征

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

SiGe（硅鍺合金）BiCMOS工藝集成技術(shù)，是在制造電路結(jié)構(gòu)中的雙極晶體管時(shí)，在硅基區(qū)材料中加入一定含量的鍺，形成應(yīng)變硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管，以改善雙極晶體管特性的一種硅基工藝集成技術(shù)。對(duì)硅鍺合金B(yǎng)iCMOS工藝的核心器件——鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管SiGe HBT的關(guān)鍵工藝模塊，包括收集區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)和深槽隔離的器件結(jié)構(gòu)與制作工藝進(jìn)行了研究與探討。對(duì)常用的3種SiGe BiCMOS工藝集成技術(shù)BBGate工藝、BAGate工藝和BDGate工藝，進(jìn)行了工藝集成技術(shù)難點(diǎn)與關(guān)鍵工藝方面的研究，并比較了各種工藝流程的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍。

硅鍺合金；BiCMOS工藝；異質(zhì)結(jié)雙極晶體管；BBGate工藝；BAGate工藝；BDGate工藝

1　前言

SiGe（硅鍺合金）BiCMOS工藝集成技術(shù)，是在制造電路結(jié)構(gòu)中的雙極晶體管時(shí)，在硅基區(qū)材料中加入一定含量的鍺，形成應(yīng)變硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管，以改善雙極晶體管特性的一種硅基工藝集成技術(shù)。SiGe BiCMOS工藝集成技術(shù)能夠與硅CMOS工藝兼容，可將寬帶、高增益、低噪聲電路與高密度CMOS功能電路和邏輯陣列集成到一個(gè)芯片上。這種工藝集成技術(shù)具有高性能、高集成度、高成本-效益比等特點(diǎn)。從綜合性能因素權(quán)衡考慮，比其他工藝集成技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

SiGe BiCMOS工藝集成技術(shù)是一種非常適用于模擬/混合信號(hào)電路制造的新工藝技術(shù)。這種工藝制造的NPN晶體管不僅fT比其他硅工藝制造晶體管的fT高1個(gè)數(shù)量級(jí)左右，而且更為重要的是其品質(zhì)因素βVA乘積已達(dá)到很高，如48000，比其他工藝制造晶體管的高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這是制造高精度高速度模擬/混合信號(hào)電路的最有利條件。

SiGe BiCMOS技術(shù)在各種產(chǎn)品中的應(yīng)用包括：汽車安全系統(tǒng)，包括用于探測(cè)盲區(qū)的24 GHz雷達(dá)以及用于提供碰撞警告或先進(jìn)巡航控制的77 GHz雷達(dá)；60 GHz Wi-Fi芯片，用于下一代無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）和骨干網(wǎng)絡(luò)；用于手機(jī)的軟件無線電模塊（Software Defined Radio），可將天線接收的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；高速模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)據(jù)獲取、直接基帶無線電（Direct-to-Baseband Radio）接收器、信號(hào)合成等。其核心器件SiGe HBT以其優(yōu)良的頻率響應(yīng)特性、低噪聲、高線性和高效率等優(yōu)勢(shì)，成為射頻收發(fā)器的主流器件，進(jìn)一步應(yīng)用于功率放大器領(lǐng)域。

2　SiGe BiCMOS核心器件SiGe HBT

SiGe BiCMOS工藝的核心器件是SiGe HBT，即鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（Heterojunction Bipolar Transistor），SiGe HBT工藝與CMOS工藝組合而成的SiGe BiCMOS工藝制造的器件，需要在RF CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝的基礎(chǔ)上，加入SiGe材料外延工藝以及相關(guān)的刻蝕清洗工藝。

SiGe HBT的關(guān)鍵工藝如下：

（1）收集區(qū)的形成，要求低阻值。在常規(guī)SiGe HBT中采用n+高摻雜收集區(qū)埋層來降低收集區(qū)串聯(lián)電阻，再采用高劑量高能量N型注入，連接收集區(qū)埋層，形成收集極引出端。

（2）SiGe基區(qū)的淀積，發(fā)射極多晶的淀積、注入摻雜。收集區(qū)埋層上外延中低摻雜的收集區(qū)，在其上形成在位P型摻雜的 SiGe外延形成基區(qū)，Ge的峰值濃度為10%～25%。然后淀積重N型摻雜多晶硅形成發(fā)射極，完成HBT的制作。

（3）發(fā)射極/基極自對(duì)準(zhǔn)，工藝較為復(fù)雜。在發(fā)射區(qū)窗口打開時(shí)可選擇中心收集區(qū)局部離子注入，調(diào)節(jié)HBT的集電結(jié)擊穿電壓和特征頻率。對(duì)于高性能系列，通常采用發(fā)射極/基極自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)來降低器件基區(qū)電阻；而低成本系列考慮成本問題，采用發(fā)射極/基極非自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)更為合理。

（4）深槽隔離，降低收集區(qū)和襯底之間的寄生電容，改善HBT的頻率特性，低成本系列使用PN結(jié)隔離代替高性能系列中的深槽隔離。

圖1為0.18 μm發(fā)射極/基極自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)SiGe HBT的剖面圖。

3　SiGe BiCMOS工藝流程

BiCMOS工藝技術(shù)是將CMOS和雙極兩種工藝有機(jī)融合在一起的技術(shù)，但絕不是簡(jiǎn)單、機(jī)械地?fù)胶驮谝黄?。目前BiCMOS工藝主要有兩種：一是以CMOS為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝，這種工藝對(duì)保證CMOS器件的性能較為有利；二是以雙極工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝，這種工藝BJT器件的性能較好。

圖2是常用的3種BiCMOS工藝流程，根據(jù)雙極器件基區(qū)制作與CMOS器件柵極制作的先后順序，可分為BBGate工藝、BAGate工藝和BDGate工藝［1］。

圖1　發(fā)射極/基極自對(duì)準(zhǔn)SiGe BiCMOS HBT版圖與SEM剖面圖

圖2　三種BiCMOS工藝流程簡(jiǎn)圖

在BBGate（Base before Gate）工藝中，雙極器件在CMOS工藝之前全部做完，在CMOS工藝中被覆蓋保護(hù)起來。BBGate工藝流程的缺點(diǎn)是CMOS器件經(jīng)受的熱過程比雙極器件多，本征基區(qū)雜質(zhì)可能易于擴(kuò)散變寬。

BDGate（Base during Gate）工藝，即雙極器件的基區(qū)與CMOS器件的柵電極同步制作。雙極器件與CMOS器件共享熱過程，雙極器件的基區(qū)SiGe材料外延生長(zhǎng)后，要經(jīng)歷CMOS工藝中的多晶硅柵再氧化和源漏雜質(zhì)退火激活兩個(gè)熱過程，導(dǎo)致基區(qū)雜質(zhì)分布變寬。該流程工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，廣泛用于0.5μm以下BiCMOS工藝。圖3為0.5 μm BDGate （Base during Gate） SiGe BiCMOS工藝流程簡(jiǎn)圖［2］。

圖3　0.5 μm BDGate （Base during Gate） SiGe BiCMOS工藝流程簡(jiǎn)圖

BAGate（Base after Gate）工藝，CMOS器件在雙極工藝之前全部做完，在雙極工藝中被覆蓋保護(hù)起來。CMOS器件更高溫度的熱過程在本征基區(qū)淀積與雙極器件制作之前完成。BAGate工藝流程是現(xiàn)代BiCMOS工藝的主流工藝集成技術(shù)，比BDGate工藝減少了共享層的運(yùn)用，減少了雙極工藝和CMOS工藝之間的耦合程度，降低了熱過程對(duì)SiGe器件的不良影響。同時(shí)該工藝保持了CMOS和雙極工藝的相對(duì)完整性，便于兩個(gè)工藝模塊各自獨(dú)立優(yōu)化［3～4］。圖4 為 0.25 μm與0.18 μm BAGate SiGe BiCMOS工藝流程簡(jiǎn)圖。注意，模擬與雙極器件屏蔽數(shù)量比BDGate工藝減少，因?yàn)檫@里CMOS工藝包括很多模擬模塊。

圖4 0.25 μm與0.18 μm BAGate （Base after Gate） SiGe BiCMOS工藝流程簡(jiǎn)圖

圖5為IBM的兩種0.13 μm BAGate SiGe BiCMOS工藝流程。IBM第四代SiGe BiCMOS工藝技術(shù)8HP，與其上一代 0.18 μm SiGe技術(shù)相比提供了更高的性能、更低的能耗以及更高的集成度，據(jù)稱其性能可達(dá)到上一代技術(shù)的兩倍以上，8WL是專為支持無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低成本版本。

圖3、4、5中，CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝流程均代表基本的CMOS工藝，插入點(diǎn)表示模擬與雙極模塊。

圖5　IBM的兩種0.13 μm BAGate （Base after Gate） SiGe BiCMOS工藝流程

4　結(jié)束語

SiGe BiCMOS工藝集成技術(shù)制造的集成電路具有高速度、低噪聲、低功耗等高性能特點(diǎn)。這種工藝集成技術(shù)能夠與硅CMOS工藝兼容，可將寬帶、高增益、低噪聲電路與高密度CMOS功能電路和邏輯陣列集成到一個(gè)芯片上。采用這種工藝集成技術(shù)制造現(xiàn)代高端集成電路，具有高性能、高集成度、高成本-效益比等特點(diǎn)。從這些綜合性能因素權(quán)衡考慮，SiGe BiCMOS工藝集成技術(shù)比其他工藝集成技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

［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

TN305

A

1681-1070（2015）12-0034-04

李紅征（1969—），女，江蘇無錫人，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事

2015-7-1

硅基CMOS工藝集成工作。