模拟集成电路工艺技术研究进展

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集成电路工艺是芯片制造的关键技术,也是推动芯片性能提升的主要动力。模拟集成电路作为集成电路的重要组成部分,是电子系统与自然界模拟信息交换的桥梁,具有应用范围广、产品门类多、工艺耦合度高等特点,因此模拟集成电路工艺技术呈现了高压、高速、高精度或多样化的器件集成等特征,并结合不同产品需求、不同工艺特征进行综合折中形成独特的工艺发展路径。

模拟集成电路主要用于处理连续函数形式模拟信号(如声、光、温度等),是电子系统与自然界模拟信息实现交互的桥梁。模拟集成电路产品种类、功能繁多,既包括用于电子设备电源的管理、监控和分配的电源管理芯片，也包括对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等处理能力的信号链芯片,广泛应用于通信、工业、汽车、消费电子等领域,在整个集成电路市场中所占份额达到15%~20%左右。

本期借助付晓君博士标题为《模拟集成电路工艺技术研究进展》分享模拟集成电路工艺技术的发展历程及研究进展。主要介绍业界主流的互补双极、BiCMOS、BCD及 RF/混合信号 CMOS 工艺的主要特征、技术水平与发展趋势。

一、互补双极工艺

双极工艺是最早的集成电路制造工艺,得益于高速、低噪声及高电流驱动能力等优势,其依然是目前模拟集成电路的重要特色工艺之一。互补双极工艺关键技术主要包括多晶硅发射极技术、自对准工艺技术与SOI全介质隔离技术。

（1）互补双极工艺研究进展

目前,国际主流的IDM模拟器件厂商均有自主的特色双极工艺。其中具有代表性的包括德州仪器的 VIP 系列工艺、亚诺德半导体的 XFCB 工艺等。国内中国电子科技集团公司第二十四研究所也开发了HC12/HX30特色互补双极工艺,技术指标达到国际先进水平。

1)VIP 系列工艺

VIP 系列工艺指垂直整合 PNP互补双极工艺,该系列工艺优异的特性主要来源于其先进的工艺架构。VIP1、VIP2以及 VIP3 等工艺技术与大部分双极工艺技术一样均在P型衬底品圆片上制造,为了将PNP 晶体管集电区与衬底隔离,VIP 工艺采用了 N型隔离埋层工艺。VIP10 工艺中双极器件有源区在通过晶圆键合技术制造的SOI衬底上实现通过埋氧层将集电区与衬底隔离。P型和N型的埋层通过外延生长实现,进一步采用各向异性刻蚀和填充形成深槽隔离，如下图所示。采用互补介质隔离双极晶体管的设计,提供了高速放大器所需的最佳特性组合:宽带宽、低功耗、低电源电压、大输出摆幅、高输出电流和低失真。目前德州仪器多款LDO(LP2985系列)、高速低功耗低失真放大器(LM6171、LM6172系列)等都采用 VIP10 工艺制造,广泛应用于电源管理、信号传输等领域。

XFCB指超高速互补双极型工艺,是亚诺德半导体的主要双极工艺系列。XFCB第一代工艺于 1992年推出，采用了直接晶圆键合 SOI及深槽隔离(6 μm)技术,在高速度和低失真特性方面取得了重要突破，其PNP 管特征频率为 2.5 GHz,匹配的 NPN 管截止频率为 4.5 GHz。在ADI后续推出的“XFCB 1.5”工艺中,PNP 管和 NPN 管的频率提升至 5 GHz 和 9 GHz,而在“XFCB 2”工艺中,PNP 管和 NPN 管的截止频率可达9GHz和 16 GHz。ADI的互补双极工艺在其多型产品中广泛应用,包括低输人偏置电流运算放大器(AD8033、AD8034 等)、低噪声运算放大器(AD8003)、高速比较器(ADCMP565),高端数据转换器(AD9042、AD6645)等。ADI的第四代互补双极工艺(XFCB-3)中,硅双极晶管被锗硅异质结双极品体管(SiGeHBT)替代，通过采用 0.35 μm 光刻技术,可提供 70 GHz fT 和130 GHz fT性能。基于该工艺，ADI推出了AD8318 对数检波器、ADL5565超高动态范围差分放大器以及ADCLK9系列超高速时钟/数据缓冲器等一系列代表产品。

3)HC12/HX30 系列工艺

HC12和 HX30是中国电子科技集团公司第二十四研究所开发的特色高速双极工艺平台，特征尺寸均为 0.6 μm,采用双多品自对准器件架构,其中HC12 工艺采用 PN 结隔离加介质隔离的方式,可使得 PNP 和 NPN 晶体管的特征频率均达到8.3GHz 以上,耐压可达到 12 V。HX30 工艺采用全介质隔离的方式，可将品体管耐压提高至30V，同时 PNP、NPN 管的特征频率保持在4GHz以上。两者目前均广泛应用于低功耗/混合信号集成电路高速放大器和高速驱动器等领域。

（2）互补双极工艺发展趋势

随着新能源汽车、移动通信等领域的快速发展，不同应用场景对于模拟集成电路的功能和可靠性提出了更加多样化的需求。先进的双极工艺正在不断地通过与 CMOS 工艺的整合,形成具有更好的混合信号处理能力的 BiCMOS 工艺,为相关应用提供更全面的解决方案。此外，SiGe工艺的引人为双极器件设计提供了广泛的自由度,通过基区能带工程调控,可以实现双极器件的频率、增益、噪声等关键性能指标的同步优化。

二、BiCMOS 工艺

BiCMOS工艺是将双极器件和CMOS 器件集成在同一块芯片上的工艺,从而兼具了双极器件高速、高驱动能力和CMOS器件高集成度、低功耗的优点,在高速、高性能模拟/数字混合信号集成电路中具有广泛应用。根据双极器件类型，BiCMOS工艺可以区分为 Si BiCMOS 工艺和 SiGe BiCMOS 工艺两类。

（1）SiGe BiCMOS 工艺研究进展

1）选择性外延工艺研究

意法半导体(ST)、英飞凌(Infineon)、恩智浦(NXP)等深入研究了SEG结构,并成功应用于多个量产工艺中[168]。其中,ST的 BiCMOS055 工艺CMOS 栅长 55 nm,集成了多种 MOSFET、SRAM以及 HBT、变容二极管等有源器件,其中高速低压HBT 实现了 325/375 GHz 的 fT/fmax。DPSA-SEG工艺的制造流程如下图所示。

EEB-NSEG工艺流程图如下图所示。SiGe 基区的 NSEG 生长广泛应用于 SiGe HBT 的制备。例如，IBM/GF和 Jazz的工艺流程,以及IHP、NXP和 IMEC开发的几代技术。这些 BiCMOS 工艺中,基区均由 Si 缓冲层、SiGe 层和Si 帽层组成。

（2）发展趋势与展望

目前,SiGe  BiCMOS 主要有两个技术发展方向，一是获得更高的频率特性,TARANTO 工程已实现了 470 GHz/610 GHz的 fT/fmax的 HBT 与130 nm CMOS 基线工艺集成;二是与更先进的CMOS工艺实现单片集成。目前，欧盟资助的RF2THZ SiSoC 已实现了55 nm SiGe BiCMOS 的工艺量产。美国资助的 T-MUSIC 计划则基于 45nm 部分耗尽(PD)SOI BiCMOS 平台制造的 HBT实现了 380 GHz/550 GHz 的fT/fmax 。虽然maX并非所有的技术应用都能从更先进的CMOS器件的集成中受益,但随着 CMOS 达到与 HBT 相当的速度,一些新的电路拓扑结构开始变得更加具有吸引力,许多应用可以从更密集、更快和更低功耗的数字集成中受益,如D-波段(110~170 GHz)通信。

三、BCD工艺

BCD 工艺技术是 SGS Thomson 公司(现意法半导体)于上世纪80年代提出的一种极具创造性的集成电路工艺技术,在同一芯片上实现了具有精确模拟功能的双极型(Bipolar)器件、用于复杂数字电路设计的CMOS器件和高压大功率结构的 DMOS器件的集成,因此综合了双极器件高精度、低噪声、强负载驱动能力和CMOS 高集成度、低功耗的优点,减少了系统的内部互连,降低了电磁干扰,同时也降低了系统功耗、体积、重量和成本,在电源管理、显示驱动、汽车电子、工业控制等领域必须的功率集成电路中具有相当广泛的应用。BCD关键技术主要包括隔离技术、双极器件集成技术、CMOS器件集成技术、I/O CMOS、核心(Core)CMOS和高压 DMOS 集成技术。

（1）BCD 工艺技术研究进展

BCD工艺技术的出现带来了模拟集成电路技术的革命性变化。经过近四十年的发展，BCD工艺技术在特征尺寸缩小、高压器件的结构设计优化、高低压隔离技术和金属互联改进等方面都取得了巨大的进步。世界上主流的集成器件制造商和品圆代工厂,包括 ST、NXP、TI、X-FAB等,都针对市场需求开发了各具特色的 BCD 工艺谱系。作为 BCD 技术的发明者,ST在BCD 工艺技术的开发方面一直保持领先，已完成9代 BCD 工艺的开发，如下图所示。

（2）BCD工艺发展趋势

随着汽车电子、工业控制和消费电子领域对高性能、高可靠集成电路需求的不断增长,智能功率集成电路技术的不断进步，BCD工艺向着更高功率密度、更广泛的电压范围和更丰富的集成器件等方向分化发展。针对多样化市场需求及快速迭代特点，灵活的模块化设计逐渐成为先进 BCD 工艺的主要特征，而如何实现功能、性能和成本的平衡成为关键问题。此外,SiC、GaN 为代表的第三代半导体技术的逐渐成熟为 BCD 工艺的发展提供了新的路径,但新材料、新结构与现有工艺的兼容设计还有待进一步研究。

四、结论

综合来看,模拟集成电路制造工艺的发展方向与数字集成电路有显著区别，虽然其最小工艺线宽的微缩方向依然遵循摩尔定律,最小工艺线宽的微缩也带来器件性能提升和新结构的出现,但单纯的尺寸微缩并不能大幅缩减模拟集成电路的尺寸并提升其性能,现有工艺水平下诸如高压、大电流特性须通过较大的品体管及间距才能得以实现,同时模拟集成电路的功耗、可靠性等指标提升亦依赖于器件结构与工艺的深度优化。此外,模拟集成电路的多样性也直接决定了制造工艺的多样性与复杂程度:基于特定产品类型的特色模拟集成电路工艺的发展对于支撑产业技术发展具有重要意义，高度定制化的工艺套路已逐渐成为支撑高性能模拟电路研发的重要基础