超高频RF IC：新型硅锗BiCMOS工艺高达200GHz截止频率

借助IBM公司开发的一种新型硅锗(SiGe)BiCMOS工艺，商用RF IC有可能跳越到前所未闻的频率。8HP工艺及其低成本版8WL工艺的性能基本上是现有BiCMOS工艺的两倍，专为部分由于昂贵的RF成本从而至今未能商用的多种应用而打造。

"目前业界对汽车的先进导航控制和防撞系统赋予了极大关注。"IBM系统和科技事业部的副总裁兼首席技术专家Bernard Meyerson表示，"这些系统基于工作频率为24或77GHz的短距离雷达。而业界对能够提供高带宽，但传输距离有限的个人无线局域网的关注也正在加大。一个60GHz的频带被分配给这些应用。为了向产品化转移，这些应用需要一个最高性能在100GHz以上的商用生产工艺，而这正是我们提供的技术。"

IBM宣称，最新推出的高性能8HP工艺具备高达200GHz的截止频率，将首次把商用价格的RF芯片带入20GHz以上的频段。而性能大约是8HP一半的低成本版8WL工艺，将主要面向现在由更昂贵的高端解决方案掌控的商用无线和GPS市场。

"SiGe在业界的作用一直以来都是把硅CMOS工艺的经济优势延伸到更高频率的应用。"Meyerson说，"在WLAN应用工作在2.5到2.7GHz范围并需要大型砷化镓前端的时候，我们推出了首个SiGe BiCMOS工艺。Intersil公司采用该工艺极大程度降低了802.11 RF级的成本，从而一度控制了约半数的市场份额。"现在，他表示，IBM正准备对下一代RF进行类似的变革。

这种新的SiGe BiCMOS技术基于130纳米光刻技术，与IBM的130纳米CMOS逻辑和CMOS RF工艺共享工艺技术和设计IP，因而将受益于IBM在130纳米节点所积累的批量生产和器件建模经验。但当涉及必须工作在数十GHz甚至更高频率的信号通道时，该工艺是独特的创新技术。

Meyerson表示："本质上，在SiGe BiCMOS工艺中，提高性能的关键是利用难以置信的精度控制SiGe层的外延生长，该层构成了双极性晶体管的基极。"

与IBM之前的工艺一样，新工艺采用了传统的垂直双极性晶体管，在搀杂硅的发射极与集电极之间生长的SiGe薄膜构成了晶体管的基极。"此工艺的有源基极厚度在100埃数量级，"Meyerson表示，"在这一厚度上，基极被精确分级，以提供最大的载流子迁移。它真正展示了对外延生长异乎寻常的控制程度。"

这层超薄且被分级的基极能够缩减载流子传输时间，从而使高速晶体管成为可能，但是仅凭借基极自身并不能完成上述工作。设计团队还需要克服各种寄生效应，否则所有潜在速度在到达晶体管的触点之前就可能会全部消失。首先，这意味着对覆盖层精度要格外注意。"未对准会增加寄生效应，"Meyerson表示，"精确的对准可以降低非基极部分的传导率，而这对性能级别至关重要。"

互连也很重要。在这些频率，为了将信号引入芯片或在晶体管中传输，就需要各种带状线(strip-line)技术。如果没有阻抗控制的互连，那么导线上的损耗有可能使大部分电路无法工作。这意味着需要一种前所未有的控制水平，不仅表现在互连线的形成方面，还体现在互连模型的精度上。

IBM在上层采用粗走线，在下层采用标准铜线互连。通过采用多触点穿孔布局，信号可直接从有源器件移动到粗走线，在此形成可预料的带状线。因而，困扰微细间距双绞铜线的变异性问题得以避免。

在这些频率下的无源器件也是一个问题。目前，IBM为多数应用提供有足够质量保证的电感和电容，其中电容采用了一种专有的高K介电材料。"设计窄型槽带滤波器的工程师大概仍希望使用片外无源器件，"Meyerson表示，"但对于大部分普通电路而言，片上无源器件表现很好。"

IBM表示，该公司对模型、提取工具和设计工具进行了全部升级以应对新的频率范围。在2.5GHz时微不足道的小疏忽对70GHz而言可能意味着信号的完全损失。为了提供一种ASIC产品而不是定制工艺，IBM还不得不完全支持这个领域里所有的130纳米SiGe方法。