Vad är KiselGermanium? Kiselgermanium, eller SiGe, får nog sägas vara den nya teknologin på modet inom området integrerade kretsar för radiofrekvenser, RF-ASIC. Det kan vara på sin plats med en genomgång över teknologin som sådan, dess tekniska begränsningar och vad som gör att så många företag satsar på den just nu. Historiskt sett så har slutet på CMOS-teknologins användbarhet vid höga frekvenser förutspåtts under lång tid. Vad som då förts fram som framtidens teknologi har i regel varit III-V-föreningar som GaAs (GalliumArsenid) eller det ännu mer exotiska InP (IndiumFosfid). Men trots de odiskutabelt goda högfrekvensegenskaperna hos komponenter i dessa teknologier så har de förblivit just framtidens teknologi. Vill man vara elak så kan man säga att de alltid kommer att vara det, åtminstone för den stora massan av projekt. Orsaken är till allra största delen pris och kostnad för tillverkning. Även en komplex SiGe-process är 3-4 gånger billigare än GaAs och upp till 20 gånger billigare än InP. Vid en jämförelse med standard CMOS blir skillnaden hisnande. Detta trots att SiGe är den nyaste av de nämnda teknologierna. Det finns dessutom metoder att förenkla SiGe-processen betydligt utan att avstå från några väsentliga prestanda. En annan faktor som inte ska försummas är kompatibilitet mellan grundteknologierna. Föutsatt att utvecklingen med krympande geometrier inom CMOS fortsätter att följa Moores lag så kommer CMOS att vara det dominerande materialet även under de kommande 10 åren, efter vilka något måste hända (CMOS-teknologin går då helt enkelt in i väggen vad gäller möjlighet att krympa strukturer relativt fysikaliska begränsningar). Men åtminstone under dessa 10 år vore det önskvärt att ha tillgång till en RF-teknologi som är baserad på kisel och CMOS-processen för att kunna utnyttja och dra nytta av samma produktionsapparat, i vilken väldiga summor investerats. Att ersätta den med något nytt skulle kosta miljarder dollar per halvledarföretag. Fysiken bakom SiGe har sin grund i en skillnad på 4.2% i gitterkonstanten mellan kisel (Si) och Germanium (Ge). Om det ena materialet växes på det andra så blir kristallstrukturen utsträckt. Den här utsträckningen, som varierar med koncentrationerna av respektive material, påverkar de flesta fysikaliska egenskaperna, inklusive bandgapet, och kan användas för att variera dem enligt önskemål. Det finns dock en begränsning i och med att över en viss tjocklek så krävs mer energi än tillgängligt för att sträcka kristallstrukturen. Resultatet blir istället defekter i materialet. Nedan följer en mer illustrativ förklaring till vad som egentligen händer. figur 1
Skillnaden på 4.2% i gitterkonstanten visas i figur 1. Det rena kiselgittret har en geometriskt högre densitet än gittret av kiselgermanium. Kisel visas som ljusa atomer, Germanium som mörka. Om å andra sidan lagren växes under den så kallade kritiska tjockleken så sträcks de i enlighet med gittret, och dess symmetri ändras från kubisk (endast två dimensioner = kvadratisk, visas på bild) till tetragonal, vilket visas i figur 2. figur 2 Över den kritiska tjockleken krävs alltför mycket energi till att sträcka ytterligare materiallager i överensstämmelse med substratet. Istället uppenbarar sig defekter och dislokationer vilka minskar påfrestningen i den epitaxiella filmen, som visas i figur 3. Det epitaxiella lagret återgår till sitt naturliga tillstånd, och mobiliteten i materialet minskas betydligt på grund av den höga defekttätheten. figur 3 Man har också möjligheten att växa virtuella substrat av Si 1-x Ge x på ett substrat med gitterkontanten från Si 1-x Ge x. Med linjär eller stegvis koncentrationsgradient av Ge så kan lager av osträckt Si 1-x Ge x
växas med mycket lägre defekttätheter än vad som varit fallet för en direkt övergång, som åskådliggörs i figur 4. figur 4 Den kritiska tjockleken visar att upp till densamma så befinner sig det epitaxiella lagret i kompression. Metoder för att beräkna denna gräns fastställdes redan 1949 av Frank och van der Merwe, vars arbete senare förfinades av Jesser för två dimensioner. De mest fundamentala fysikaliska data för kiselgermanium visas nedan, baserade på data från en artikel av People och Bean i IEEE Journal. Kritisk tjocklek för SiGe på Si-substrat som funktion av Ge koncentration 1 0,1 Kritisk tjocklek, um 0,01 Utsträckt (Metastabilitet) Utsträckt med defekter (Jämvikt) Utsträckt (Jämvikt) 0,001 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Germanium, andel (x) figur 5 I figur 5 visas den kritiska tjockleken som funktion av andelen Germanium i kristallgittret. I figur 6 visas bandgapets beroende av samma parameter. I figur 7a och 7b, slutligen, visas energibandgapen i detalj.
Bandgapet för olika SiGe-material 1,2 1,15 1,1 Minsta bandgap vid 90K (ev) 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 Sträckt Si 1-x Ge x på osträckt Si Osträckt Si 1-x Ge x Sträckt Si på osträckt Si 1-x Ge x Sträckt Si 1-x Ge x på osträckt Si 1-x/2 Ge x/2 0,7 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Germanium, andel (x) figur 6 Energiband, elektroner Energiband, hål de c =0.02eV de c =0.29eV Osträckt Si 0.7 Ge 0.3 E g =1.07eV Sträckt Si E g =0.85eV Osträckt Si E g =1.17eV Sträckt Si 0.8 Ge 0.2 E g =1.00eV de v =0.07eV figur 7a figur 7b de v =0.15eV Med den väsentligt ökade mobilitet som man har tillgång till i SiGe är det fullt möjligt att nå en transitfrekvens på över 100GHz, åtminstone under laboratorieförhållanden. I en produktionsprocess är det mer rimligt att anta 50-60GHz, ett värde som kan sättas ännu lägre för att optimera andra parametrar, exempelvis genombrottsspänningar. Det finns ett flertal komponenter som kan realiseras i denna teknologi, bland annat HBT (Heterojunction Bipolar Transistor), SiGe-kanal PMOS för att göra PMOS-transistorer lika snabba som NMOS, och MODFET (MOdulation Doped Field Effect Transistors). Om man skriver en för lång önskelista blir dock resultatet en mycket komplex och dyr process, där man dessutom har svårt att överföra tidigare erfarenheter och konstruktionsblock utan ganska omfattande ändringar och verifikationer. Det är med tanke på detta som Austria Mikro Systeme har koncentrerat sig på den enklaste realiserbara komponeneten, en HBT. Den har, i samarbete med SiGe Microsystems Technology Inc. (Ottawa), implementerats i den sedan länge stabila och väletablerade 0.8µm BiCMOS-processen BYE och kommer att få namnet BYS. Denna process inkluderar redan epitaxi, så inga förändringar behöver göras ur den synpunkten. Tanken är att modulen också ska finnas tillgänglig från start i den 0.6µm BiCMOS-process som är i stort sett färdigutvecklad. Vidare så har HBT:n implementerats med endast två maskers tillägg till den fundamentala processen. Det är med andra ord möjligt att utan modifikationer kombinera denna modul med det stora antal funktionsblock som redan existerar i grundprocessen, oavsett om det handlar om biblioteksfunktioner eller kundspecifika block. Detta innebär en enorm besparing i utvecklingstid eftersom de block som
verkligen kräver en HBT ur snabbhets- eller effektförbrukningssynpunkt är begränsat. Nu kan man koncentrera konstruktionarbetet till just dessa. 40 G1X3Y3: Transit frequency KULLTOT0@ h21 =10 35 30 25 ft [GHz] 20 15 10 5 Uce=1V meas: - simul: o Uce=2V meas: : simul: * 0 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 Ic/area [A/u] figur 8 De grundläggande egenskaperna (för låga matningar) hos den HBT som Austria Mikro Systeme och SMTI tagit fram framgår av figur 8. Som synes så har transitfrekvensen (f T ) satts en bit under de möjliga 50GHz. Orsaken till detta är att man vill behålla en genombrottsspänning (BV CE ) som är minst lika stor som processpänningen, 5.5V. Frekvensomfånget är ändå stort nog att adressera de flesta tänkbara applikationer. Dessutom är f T ofta en parameter av mindre (direkt) intresse. Vad som räknas är istället f max, den högsta användbara frekvensen med hänsyn tagen även till basmotståndet och parasitkapacitansen, de i huvudsak begränsande faktorerna. En jämförelse framgår av nedanstående tabell: Parameter SiGe 0.8µm (mål) BiCMOS 0.8µm BiCMOS 0.6µm f T 40-50GHz 12GHz 16-18GHz f max 35-45GHz 8.5GHz 12-13GHz Nf 2.8dB@2GHz 5.0dB@2GHz 3.5dB@2GHz r b 500ohm*µm 1000ohm*µm 750ohm*µm Sammanfattningvis så kan man välja att utnyttja förbättringen i prestanda till att förbättra signal-brusförhållandet, eller för att minska effektförbrukningen i kretsen med en storleksordning, eller mer. SiGe har en fördel framför III-V-material som GaAs även ur denna synpunkt tack vare högre termisk konduktivitet. Denna fördel märks alltmer vid mindre geometrier. Även befintliga system som arbetar på frekvenser hanterbara redan med befintliga BiCMOS-processer kan komma till användning i helt nya applikationer i och med att effektförbrukningen i dem kan sänkas dramatiskt. Till dessa system/kretsar hör syntes- och radiokretsar i området 1-2GHz samt, mer specifikt, hörapparater/hjälpmedel som skall fungera med 1V matning och extremt låg strömförbrukning. Dessutom kommer SiGe-kretsar troligen att ta plats i de högfrekventa delarna av
CDMA, GSM, PCM1800, DCS1900 och 2.4GHz ISM, samt effektstegen till DECT (1.8GHz@250mW) och GSM (1.0GHz/1.9GHz@2W). Till de mer högfrekventa applikationerna hör digital höghastighetsöverföring (upp till 20GHz) och trådlösa nätverk på 2.4GHz- eller 5.6GHz-bandet. På gränsen till 0.8µm-processens användbarhet ligger 12GHz direktmottagare för satellitkommunikation. Allt eftersom teknologin överförs till allt mindre geometrier kommer den att kunna adressera allt mer högfrekventa applikationer. Lars Snith Austria Mikro Systeme International AG