超高速精确度模拟电路SOI上的5V互补SiGe BiCMOS技术

超高速精确度模拟电路SOI上的5V互补SiGe BiCMOS技术

     摘要：本文介绍了一种新型的互补SiGe BiCMOS技术。该技术带有完全电介质绝缘的5V多发射极NPN和PNP晶体管、5V CMOS、高精度MIM电容器、高精度薄膜电阻及多晶硅(poly)电阻、多状态金属保险丝以及三级冶金(metallurgy)。在这种独特的技术基础之上，我们实现了增益为5而IMD3在100MHz下仅为-90dBc的2.3GHz电压反馈放大器。
    
     1.技术概览：
    
     第三代完全电介质绝缘的互补SiGe BiCMOS工艺(BiCom3)针对超高速高精度模拟集成电路而设计。上述器件的工作电压为5V，可在广泛的温度范围内工作，其fT的范围为15-20GHz，fmax的值则达40-50GHz的范围，并最小化了集电极到基板的寄生现象。FT的值反应出其性能比前一代互补技术要提高近三倍。
    
     此器件建立在商用SOI晶圆之上。首先定义掺质浓度较大的p及n埋层。随后沉淀的是0.65um的本征外延层，再加上填入氧化物的深、浅沟槽，尽可能减小寄生现象并提高电路密度。在确定双沟道(bipolar sinker)、CMOS阱与栅层叠后，我们采用新颖的dual-epi工艺来形成NPN及PNP SiGe双基极区。多发射极的尺寸极小，仅为0.4x0.8μm2，采用独特的界面处理工艺处理技术形成。CMOS栅极、多晶硅高精度电阻及双基极多晶硅同时形成图案。我们在基极接触点上还采用CMOS源／漏注入。在多晶硅底板上采用TiN顶板，由此形成MIM电容，并选择氧化电介质实现低电介质吸收效果。最后，我们将可用激光修整的NiCrAl薄膜电阻器集成到1.0mm间距的TLM后端，从而完成有关工艺。图1显示了最终NPN及PNP器件的截面视图。
    

    
     2.双极晶体管性能特点：
    
     该技术的主要组件为双极管。对于使用互补设计的高性能模拟应用，使NPN与PNP的fT性能合理正确地匹配（因数在2以内）极为有用。除高fT之外，高速线性运算放大器以有其它信号调节电路也需要高晶体管增益，主要特点简而言之就是βoVA的积。增加VA通常以fT为代价，因为这需要提高基的掺杂级，因而导致移动性降低，并增加了发射极电容。添加SiGe可以增强基场(field)，从而抵消上述影响，这样在提高VA同时可得到更大的fT。表2给出了双极晶体管在室温下的特性。
    
     NPN与PNP的fT及fmax曲线图分别在图2及图3中给出，这里的器件为0.4x0.8um2器件，而图4和图5则给出了有关器件的Gummel图。
    
    
    
    
     3.CMOS与无源组件
    
     除了双极组件外，5V CMOS也集成到工艺流程中，以支持信噪比(SNR)性能要求较高的高速模数转换器(ADC)。表3列出了BiCom3 CMOS晶体管特性。
    
    
     工艺开发的关键在于集成稳定而高性能的无源组件。图6显示了TiN-Ox-TiSi2电容与NiCrAl薄膜电阻器(TFR)的截面视图。电容的TiN及TiSi2层实现了MIM性能，同时在选择电介质材料时也实现了更大的灵活性，因为其在热循环要求较高的后端模块前集成了电容。
    
     薄膜电阻器通过双掩膜（2-mask)工艺流程集成到TLM后端中。图7显示了Rs的稳定性，它是150oC下NiCrAl材料的时间函数。表4列出了MIM电容和TFR的主要介质参数。
    
    
    
     4.电路应用
    
     我们采用BiCom3工艺制造出一款功能丰富的电压反馈放大器，图8显示了其简化示意图。它采用一个AB类折叠式级联(cascode)输入级，可实现较高的转换率（高频下的失真较低），并采用一个AB类钻石型驱动器输出级。表5给出了这种放大器初步得出的测量结果，此外还给出了最快的商用电压反馈放大器的参数。10倍频率下IMD3降低12dB（300MHz下－72dB，相对于30MHz下-60dBc）。
    
    
    
     更好的rb、tp、cjc、及cjs参数提高了非主（non-dominant)极点的频率，实现了更高的小信号带宽（2500MHz，高于JI工艺的1000MHz)。互补SiGe双极技术以极低的失真实现了对称架构。我们在60MHz上实现了低于-100dBc的三极互调制失真(IMD3)，在100MHz低于-90dBc，在300MHz上低于-72dBc。上述结果来自互补SiGe双极技术，以及寄生电容的降低，特别是电路高阻抗节点处的下降。此外，DI晶体管的基极电阻极小，这也实现了较低的等效输入噪声电压。
    
     5.结论
    
     带有MIM电容及薄膜电阻器的完全氧化物绝缘的5V互补SiGe BiCMOS技术针对超高速模拟应用而开发。该技术实现了b·VA及f·BVCEO较高的NPN与PNP器件并为其更加匹配的特性。我们还实现了电压与温度系数极低的出色的无源组件。我们通过采用这些高性能组件实现了极其快速的电流反馈放大器，其性能远远超过当前市面上的产品。