SiGe - szybka i wydajna alternatywa dla krzemu

Rys. 1. Kanał tranzystora PFET wykonanego z rozciągniętego krzemu. Domieszkowanie germanu zwiększa mobilność nośników, a tym samym szybkość (źródło: Synopsys)

Procesy technologiczne CMOS od początku zaskakiwały przemysł półprzewodnikowy, gdyż ceny układów w nich wykonywanych nieustannie spadały, a szybkość działania rosła. Korzystali na tym głównie projektanci układów cyfrowych, gdyż dla nich nie ma znaczenia napięcie, przy którym pracuje dany element, jeśli tylko współczynnik SNR (stosunek sygnału do szumu) jest odpowiednio duży, aby możliwe było odróżnienie jednego poziomu napięcia od drugiego.

Przy projektowaniu układów całkowicie analogowych lub analogowo-cyfrowych (mixed-signal) trzeba natomiast iść na wiele kompromisów. Jednym z kluczowych problemów jest wysoka cena masek, ograniczająca zastosowanie technologii CMOS tylko do układów przeznaczonych na rynek masowy, pozwalający zamortyzować koszty. Jednak projektanci układów analogowych mają dwie alternatywy: wykorzystanie bipolarnych struktur SiGe oraz struktur BiCMOS SiGe.

Domieszkowanie germanem

W procesach SiGe producenci wszczepiają german do kanału tranzystorów PFET. Atomy germanu, większe od atomów krzemu, powodują rozciągnięcie sieci krystalicznej krzemu, dzięki czemu szybszy jest przepływ nośników ładunku (rys. 1). Proces ten jest zatem z natury bardziej komplementarny i można w nim wykonywać podobnych wymiarów tranzystory zarówno z kanałem typu N, jak i typu P. Wspominając o technologii SiGe, projektanci wzmacniaczy operacyjnych i układów w.cz. mają z reguły na myśli bipolarne struktury krzemogermanowe (rys. 2), którym technologia ta zapewnia znacznie większą wydajność.

Heterozłączowe tranzystory SiGe (HBT) zawierają warstwę stopu SiGe o bardzo małej grubości (np. 20% warstwy o grubości 50nm umieszczonej w obszarze bazy). Jego obecność zapewnia większe wzmocnienie, większą częstotliwość pracy, niższy poziom podłogi szumowej, mniejszy szum migotania i większą rezystancję wyjściową niż w przypadku analogicznie domieszkowanego tranzystora bipolarnego opartego wyłącznie na krzemie.

Dostępność szybkich, komplementarnych tranzystorów PNP pozwala na wykonywanie w procesie SiGe wzmacniaczy operacyjnych o polu wzmocnienia przekraczającym 1 GHz. Co równie ważne, lepsza charakterystyka SiGe w zakresie szumów pomaga wzmacniaczowi w osiągnięciu znacznie lepszych parametrów, a jego napięcie pracy może być wyższe niż dla układów wykonanych w procesach CMOS, co zwiększa współczynnik SNR w odbiornikach w.cz. Wyższe napięcie pracy jest kluczową zaletą wzmacniaczy mocy RF.

Proces SiGe zapewnia również lepszą liniowość, niezbędną w nowoczesnych schematach modulacji, w których informacje zawarte są w obwiedni sygnału w.cz. Nawet na rynku przemysłowym, gdzie pożądane są elementy o wyższym napięciu pracy, SiGe jest technologią obiecującą, gdyż zapewnia większe wzmocnienie prądowe i mniejsze zniekształcenia. Prawie każdy parametr tranzystorów SiGe wypada lepiej w porównaniu do parametrów innych tranzystorów bipolarnych. Ponadto, w procesie SiGe można zastosować nie tylko izolację typu trench, ale też pełną dielektryczną izolację dla uzyskania małej pojemności rozproszonej i maksymalnej szybkości pracy (rys. 3).

Wykorzystanie

Rys. 2. Izolowany krzemogermanowy tranzystor NPN z heterozłączem (źródło: Georgia Institute of Technology)

Potencjał SiGe firmy półprzewodnikowe odkryły szybko. W 1993 roku Analog Devices podpisał porozumienie z IBM, a Texas Instruments rozwinął kilka procesów dla wzmacniaczy operacyjnych i układów w.cz. Także National Semiconductor obecnie wykorzystuje procesy SiGe do realizacji wzmacniaczy oraz BiCMOS SiGe do realizacji interfejsów i układów analogowo- cyfrowych. Maxim wykorzystuje technologię SiGe do produkcji układów w.cz.

Wśród innych producentów korzystających z tej technologii można też wymienić Jazz, NEC i Austriamicrosystems. IBM niedawno zaprezentował tranzystory SiGe mogące w niskich temperaturach pracować stabilnie ze wzmocnieniem jednostkowym w zakresie częstotliwości do 300 GHz. Oczekuje się osiągnięcia częstotliwości pracy 500 GHz do końca dekady oraz zapewnienia stabilności na częstotliwości 300 GHz przy pracy ze wzmocnieniem jednostkowym w temperaturze pokojowej.

Struktury heterozłączowe a CMOS

Tranzystory HBT wykorzystują fundamentalne zasady fizyki oraz mechaniki kwantowej do osiągnięcia prędkości rzędu setek gigaherców. Zwiększenie prędkości w przypadku technologii CMOS możliwe jest tylko dzięki redukcji wymiarów struktur, tak więc napięcie pracy musi być niższe, aby uniknąć przebicia tranzystorów. Jest to dopuszczalne w układach cyfrowych, ponieważ tranzystory muszą przekazywać jedynie stany on/off .

Jednak w przypadku układów analogowych zmniejszenie napięcia mogłoby spowodować, że wartość współczynnika SNR osiągnie poziom nieakceptowalny. Aby zbliżyć się do granicy 100 GHz, układy CMOS musiałyby zostać zmniejszone do takich wymiarów, które pozwolą na pracę przy napięciu 1V lub niższym. Jak sugeruje nazwa heterozłącze, bazą tranzystora SiGe jest obszar tworzony przez kombinację krzemu z osadzonym w wyniku reakcji epitaksjalnej germanem.

Dołączenie struktur SiGe do procesu CMOS wymaga od producenta półprzewodników zakupu reaktora epitaksjalnego, a reszta cyklu produkcyjnego pozostaje niezmieniona. Inwestycja nie jest zatem duża. German domieszkowany do sieci krystalicznej krzemu zapewnia większą korzyść w przypadku tranzystora bipolarnego niż tranzystora CMOS. Podobnie jak w przypadku rozciągniętego krzemu, zwiększa się mobilność nośników ładunku, jednak więcej uzyskuje się w wyniku zmiany szerokości pasma zabronionego, na czym korzystają procesy HBT.

Obecność germanu pozwala uzyskać większą koncentrację domieszek w obszarze bazy. Obniża się w ten sposób jej rezystancję bez utraty wzmocnienia prądowego. Mniejsza rezystancja bazy tranzystorów SiGe HBT pozwala na tworzenie struktur niskoszumowych, co jest ważnym kryterium dla projektantów obwodów w.cz. Użycie krzemogermanu zwiększa również częstotliwość fT. Większa koncentracja domieszek tworzy pole przyspieszające przepływ elektronów.

W konwencjonalnych tranzystorach krzemowych większe domieszkowanie spowodowałoby obniżenie wzmocnienia prądowego i powrotny upływ w kierunku kolektora. W tranzystorze SiGe, potencjały przerwy energetycznej maksymalizują wzmocnienie prądowe i minimalizują upływ. Większa koncentracja domieszek powoduje, że krzem działa bardziej jak metal, a mniej jak izolator. Baza przewodzi lepiej, a jej rezystancja maleje, przyczyniając się do poprawy współczynnika szumów w stosunku do tranzystorów czysto krzemowych.

Jednak podobnie jak w przypadku wszystkich innych procesów analogowych, konieczne jest bilansowanie parametrów. Przykładowo, nie można jednocześnie uzyskać małej rezystancji emitera i małego upływu. Wszystkie opisane korzyści uzyskuje się w procesie produkcyjnym niewiele różniącym się od innych procesów stosowanych w każdej innej fabryce układów krzemowych.

Nie ma róży bez kolców

Rys. 3. Oprócz rowu izolacyjnego, procesy SiGe mogą wykorzystywać dolną warstwę tlenku w celu osiągnięcia pełnej izolacji dielektrycznej (źródło: Texas Instruments)

Proces SiGe nie jest pozbawiony wad. Prawie każdy producent układów analogowych ma przykre doświadczenia związane z przenoszeniem procesu produkcyjnego z jednej fabryki do drugiej, a nawet jego utratą na lata. Rozszerzenie procesu o dodatkowe maszyny nie zmniejsza kosztów i nie zwiększa zysku. Ponadto, z procesami BiCMOS SiGe związane są dodatkowe koszty. Ponieważ procesy BiCMOS mają szersze linie produkcyjne i większe wymiary, utworzone w nich układy są większe niż te wykonane w najnowszych procesach CMOS.

I nawet mimo tańszych masek BiCMOS, wykorzystanie tego procesu do produkcji masowej, w której przeważa zawartość cyfrowa, nie ma większego sensu. Cofanie się o dwie generacje tylko po to, by zaimplementować proces pozwalający na uzyskanie większej szybkości w zakresie, który w konkretnej sytuacji może być nieistotny, brzmi jak nachalna reklama. Korzyści z technologii SiGe zależą od doświadczenia poszczególnych firm, ich możliwości i strategii. Przykładowo, wykorzystanie procesów BiCMOS SiGe przez firmę National Semiconductor do produkcji składników interfejsów ma sens, ponieważ szybkie tranzystory są niezbędne do analogowego przesyłu danych rzędu 5 lub 10 Gbps.

Podsumowanie

Przyszłość krzemogermanu jawi się w jasnych barwach w porównaniu do jego największej konkurencji, czyli półprzewodników III-V grupy, takich jak arsenek galu czy fosforek indu. Chociaż pierwiastki III-V grupy dają możliwość budowy nawet szybszych elementów niż SiGe, są jednocześnie droższe i brakuje dla nich efektywnych warstw tlenkowych, co czyni je mniej atrakcyjnymi w integracji całych podsystemów na wspólnym podłożu. Ponadto, producenci takich układów stosują mniejsze płytki, często 6-calowe. Układy te są na tyle specyficzne, że nie można ich wytworzyć w żadnym procesie technologicznym CMOS. Na wykorzystaniu procesów SiGe szczególnie zyskują wzmacniacze mocy w.cz., które można integrować ze strukturami CMOS.

Grzegorz Michałowski