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步进式光刻机简化5G市场的 pHEMT 生产

2020/4/6 14:45:02 材料来源：CSC化合物半导体

引入248 nm 步进式光刻机，可以实现高度均匀的

微型 pHEMT 的高良率制造。

Barry Lin, Chao-Min Chang, Cliff Yang; WAVETEK微电子公司

5G 网络的推出正在紧锣密鼓地进行之中。因此，假如您有幸生活在一个刚刚部署了 5G 网络的区域里，就将有机会享受高数据速率传输和服务容量的增加。5G 的额外优点是超低的延迟（毫秒级别），这将实现其前身无法促成的多种新型应用，例如：自动驾驶汽车和实时工业连接的广泛实施。

为此，在毫米波频率范围内分配了几个频段，旨在充分地利用 5G 通信所具备的主要特性（见图1）。实际的频段分配因国家而异，这取决于可用和可重新分配的频率资源。但是一般情况下，对于 5G 毫米波系统的早期部署来说，24.25 - 29.5 GHz 和 37 - 43.5 GHz 范围内的频率是最有希望被采用的。

有几项工艺技术正为在这些毫米波频段中获得成功而一争高下。其一便是可用于手机应用的先进 RF CMOS 工艺。如今，具有 20 nm 或 22 nm 节点特征尺寸的电路常用于设计集成型前端，此类前端包括低噪声放大器、开关和功率放大器 (PA)。另一种选项是先进的 GaAs pHEMT 工艺，它的形式是具有 0.15 μm 栅长的增强型 pHEMT，与 CMOS 竞争工艺相比，其噪声指数较低、功率效率较高，而且在其他方面旗鼓相当或者更胜一筹（详见表1）。

DUV步进式光刻机的优势

用于实现栅长为 0.15 μm（或更�。┑� pHEMT 的传统方法是电子束光刻工艺。不过，这种方法的缺点是产量低、成本高，因而不利于大批量生产。

为了克服这些不足，我们在WAVETEK MICROELECTRONICS CORPORATION（UMC 的一家子公司，简称 WTK）的团队采用了我们母公司UMC的先进光刻工艺。利用这一点，使得我们成为使用深紫外（DUV）步进式光刻机的领先商业 GaAs 晶圆代工厂。我们用此方法来制造大批量生产环境中增强型（E-mode）pHEMT 的 0.15 μm 栅极。这使得我们的 pHEMT 技术（在生产中使用 KrF 248 nm 步进式光刻机）成为面向未来 5G 毫米波的单片式微波集成电路 (MMIC) 的少许可行候选方案之一，而此类 MMIC 的制造必须仰仗成熟、大批量、低成本的生产能力。

MBE 或 MOCVD 工艺可以用来形成 pHEMT 的异质结构，该异质结构具有一个由二维电子气体形成的高迁移率传导沟道。在这些外延片上，我们增添了漏极/源极欧姆接触（由一种 AuGeNi 合金形成）和一个蘑菇形的肖特基栅（也被称为 T 形栅，见图 2）。这个在源漏整体蚀刻槽 (recess-etched trough) 的顶部生成的栅是形成高质量、增强型 pHEMT 的关键。必须对凹入的栅区进行精密的蚀刻，以确保在晶圆上实现均匀的阈值电压分布，并控制晶圆至晶圆再现性。

在化合物半导体器件生产中，转向使用步进式光刻机技术的公司，我们并不是第一家。对于长度 ≥ 0.25 μm 的栅极，i-line 光学步进式光刻机已经使用了几十年。但是，这种形式的步进式光刻机不能生产 0.15 μm 及更小尺寸的栅极，传统上与此领域相关联的只有直写式电子束光刻工艺。这种方法能够在多种产品之间切换，因而提供了灵活性，但是仅限于小批量生产。

为了在 6 英寸 GaAs 晶圆代工厂内运用 0.15 μm pHEMT 技术实现 MMIC 的成本效益型批量生产，我们已转向采用DUV 步进式光刻机（图 3 展示了一款利用扫描电子显微镜成像的典型器件）。大批量生产始于 2018 年，在2019年 IMS 会议上，我们在向同行展示这种可随时投产的技术时，引起了极大的关注。

所有 pHEMT 的一个重要特性是其阈值电压。就我们的增强型器件而言，阈值电压约为 0.3 V。为了确定均匀度，我们使用探针对一片经过加工的晶圆进行了映射。结果显示：标准偏差仅为 13 mV（见图4），该数值与我们采用标准 i-line 光学步进式光刻机生产的 0.25 μm pHEMT 技术不相上下。高均匀度凸显了我们的DUV 步进式光刻机光刻工艺和栅蚀刻工艺出色的栅阈值电压可控性。

广泛的评估

为了评估运用我们的新工艺所取得的良率改善，我们使用实验机掩模 (test vehicle mask) 由一片 6 英寸晶圆制作了 20 多万个分立的耗尽型 pHEMT。芯片探查测试表明：漏极漏电流的分布处于严格受控状态（见图5）。这些测量是在耗尽型（D-mode）pHEMT 上进行的，此类 pHEMT 具有 -0.7 V 的中值夹断电压（在 4 V 漏电压和 -1.3 V 栅电压下），这深入到亚阈值区达 0.6 V。非常小的亚阈值漏电流变化突出显示了严格受控的阈值电压。通过采用该新工艺，晶圆良率超过了 98%。

在我们具有 75 μm 栅叉指 (gate fingers) 的 E-mode pHEMT 上进行的测量表明：在 0.9 V 的栅源电压下，漏源电流为 400 mA/mm，而最大外征跨导在 0.72 V 栅源电压下为 880 mS/mm（见图6）。额外的考察研究显示：漏栅击穿电压超过 12 V，典型截止频率为 100 GHz，而最大振荡频率高于 300 GHz。

我们绘制了最大振荡频率与不同漏偏置值下的栅电压的函数关系图（见图7）。

能够在高击穿电压条件下实现高的最大振荡频率，这突显了我们的技术在 5G 微波通信中发挥效用（一直到高达 43 GHz 的频率）的巨大潜力，即使在采用 5 V 电源的情况下也不例外。

对于接收端的低噪声放大器来说，一项关键的要求是低噪声指数。我们进行了一次频率扫描，找出了具有 4 个 75 μm 栅叉指的 E-mode器件的噪声指数。在 12 GHz 频率下进行的测试（在 3 V 漏源偏置和 10.8 mA 漏源电流的条件下）显示：噪声最小值仅为 0.42 dB，关联增益为 10.5 dB（见图 8）。将频率增至 40 GHz 使噪声增加到 1.27 dB，并把关联增益削减至 5.18 dB。需注意的是，当漏源电压为 3 V 和电流密度为 36 mA/mm 时，在 28 GHz 频率下噪声低于 1 dB。

为了验证我们采用DUV 步进式光刻机加工的 0.15 μm E-mode pHEMT 的 RF 功率性能，我们设计并制作了一款单级共源功率放大器。该放大器具有一个带 4 个 75 μm 栅叉指的晶体管（以提供放大作用），以及若干串联和并联传输线（以匹配输入和输出网络）。为隔直流和旁路网络采用了电容器。

当采用 5 V 电源电压时，我们的功率放大器消耗 60 mA 的静态 DC 电流。功率扫描显示：饱和输出功率为 22.2 dBm，峰值功率附加效率在 30 GHz 频率下达到 50%。功率密度超过 553 mW/mm，从而进一步证明：我们的 0.15 μm 技术能够为要求苛刻的毫米波电路设计提供优良的平台。

现今，所有的 5G 毫米波手机 PA 均采用先进的 CMOS 技术，这得益于它与 CMOS RF 前端和控制器电路在一种自适应阵列配置中实现了较高的集成度。然而，在该频率下运行所需的节点具有低击穿电压，并且需要采用一种包含三个以上层次的堆叠方法，以构成具有足够输出的 PA。

遗憾的是，堆叠方法是存在缺点的。有效最大振荡频率下降，因而限制了主要的高频性能特征，比如：功率密度和功率附加效率。结果是功耗的大幅攀升和功率性能的急剧下降，造成手机的工作距离受到限制。为了解决这些问题，我们主张采用一种混杂集成方法，就是将一个 CMOS 前端芯片与一个控制器和一个高效率、高功率密度 pHEMT PA 芯片相整合。说到选择 PA，我们认为自己的 0.15 μm E-mode pHEMT 技术是非常有竞争力的。它采用DUV 步进式光刻机生产，提供了一款具有经济适用性、高功率密度、高功率附加效率的解决方案，可满足未来 5G 通信在毫米波频段中的要求。