射频硅基氮化镓改用CMOS制造工艺

RF GaN on Si Meets CMOS Manufacturing

Tim Boles, MACOM, Lowell, Mass；Ferdinando Iucolano, STMicroelectronics,卡塔尼亚，意大利

氮化镓（GaN）自出现以来就展示出改造RF技术蓝图的潜力，有望在多个市场上形成重大突破。得益于从初始技术到广泛部署的精心培育，GaN相对传统技术的固有性能优势使之很早在军事应用中获得青睐，那里对性能的考虑远远超过成本。

GaN通向主流RF商业应用的途径取决于其对最终应用的容量和成本要求的支持能力。这些最终应用包括4G和5G基站以及新兴的RF能量应用——烹饪、照明、工业加热和干燥、医疗、制药和汽车点火系统。成本的敏感性来自于对多集成组件日益增长的需求，比如MMIC，特别是像5G基站的大规模MIMO天线系统这样的密集架构。集成封装引入了额外的成本，这必须依靠更低的半导体制造成本来补偿。

鉴于SiC的晶锭生长速率极慢，且目前GaN-on-SiC晶圆无法超越6英寸直径，GaN-on-SiC无法成为价格敏感且量大的商业RF应用的有力竞争者。这使得GaN-on-Si技术成为GaN商业发展的唯一可行途径。然而，为了满足主流RF商业市场在数量、成本和突发容量方面的需求，必须将GaN-on-Si产品从III-V族化合物半导体工厂转移到主流的CMOS生产线。

工艺规程

除了支持在完全自动化的平台上实现更高产量和晶圆直径高达12英寸以外，CMOS工艺可以利用严格的过程控制来实现更多可重复的性能和极高的良率，这将降低额外成本。CMOS晶圆使用的设备更为自动化和先进，并且现有的硅制造基础设施能分摊大量微波GaN-on-Si产品的间接成本，进一步降低总体成本。

为了实现从III-V族跳跃到CMOS工艺的GaN-on-Si制造，需要相当大的努力才能遵从标准CMOS工艺——在一周内产生数千个晶圆。在III-V族和CMOS晶圆制造中采用的各个工艺模块显著不同。III-V族允许在工作流中具有一定程度的灵活性，而CMOS生产流程需要严格遵守独特的单独优化的模块。对于这些高度定义的模块之外的工作流，根本不需要单独调整。

这种方法的刚性满足了一种期望，即所有工艺不管第一次还是每一次都参与生产——这是大批量制造的核心理念。这些严格的过程控制被设计成固化的工艺，以满足所需的CMOS晶圆厂常用的精细光刻工艺，而无需重整工艺步骤。这种晶圆制造方法与典型的III-V制造相比形成鲜明对比，其中在线晶圆扫描电子显微镜通常用于调整细线光刻参数，以试图“检查”质量。对于CMOS，工艺规程从一开始就必须是固化的，否则良率和周期时间将变糟。

主要挑战

考虑到每个工艺平台使用的不同表面化学性质，半导体表面钝化是将GaN-on-Si从III-V过渡到CMOS制造时的一个重要考虑因素。幸运的是，GaN-on-Si HEMT技术的性能在许多方面更接近硅（相对于GaAs而言），可以使用工业标准的硅清洗和表面处理，用更具侵蚀性的矿物酸/过氧化物或羟基/过氧化物溶液的混合物来准备表面用于后续工艺步骤。

基于CMOS的GaN-on-Si制造还利用通常在III-V晶圆厂中找不到的先进原子层沉积（ALD）和原子层蚀刻（ALE）技术。商业ALD/ALE系统能够沉积具有优良材料质量和优异均匀性、厚度控制和再现性的高密度膜，避免在沉积期间使用等离子体增强，从而防止表面损伤。薄膜薄至50Å，厚至1µm，通常用于含大量金属氧化物和氮化物的硅。

将GaN-on-Si转移到CMOS晶圆厂，最困难的挑战是器件金属化过程中的用金。由于其体电阻率低、电迁移特性优良，金被广泛应用于III-V族晶圆的所有GaN产品中。在CMOS晶圆中，金在前端过程中从未被使用，因为它会引起电子复合陷阱，破坏器件结构中的基本电子迁移率。这意味着在GaN-on-Si高频器件上为形成栅极——器件的心脏——使用的所有金属化过程必须改为不同的金属，这影响该工艺中使用的化学物质，对表面特性和整体器件性能具有重要的影响。在这一领域的密集研发产生了新的金属化解决方案来克服这一挑战，使之能够在CMOS晶圆厂中无金化生产GaN-on-Si。这就有可能使用非金的欧姆接触、镍铝的栅金属化以及由铝或铜形成的互连。

晶圆厚度是将GaN-on-Si产品转移到CMOS晶圆时的另一个关键因素。因为热电性能，由高频器件用III-V族晶圆生产的晶圆必须薄至50μm，并且进行手动装拆。晶圆的明显弯曲——达数毫米——可引发晶圆破裂的高风险，导致良率下降和更高的成本。相比之下，在CMOS工艺中生产的晶圆可以在50到60μm范围内生产，其安装和拆卸是完全自动化的。CMOS工厂开发了严格的工艺控制，以确保超薄GaN-on-Si晶圆不会遭受“马铃薯片”式的卷曲和断裂。现在有可能通过利用CMOS工艺来生产6英寸平面上具有2μm平坦度的GaN-on-Si晶圆，并开发了新技术以允许采用与III-V性能要求一致的方式从GaN-on-Si晶圆的背面形成源极通孔。

性能和可靠性

MACOM和STMicroelectronics（ST）对转移GaN-on-Si工艺的共同开发努力产生了CMOS制造的高频GaN-on-Si器件，呈现出与III-V工艺生产的GaN-on-Si器件相当的性能（见图1）。将ST晶圆制造设备产出的晶圆与III-V晶圆进行比较，在2.5GHz对600μm测试结构的RF负载拉移获得了基本相同的输出功率、高频增益和功率附加效率。

图1：制作在STMicroelectronics 6英寸硅晶圆和MACOM 4英寸III-V型晶圆上的600µm测试结构在2.5GHz时的负载拉移测试对比

在可靠性方面，在CMOS工艺中生成的RF GaN-on-Si器件满足可靠性标准，并且在某些情况下，优于传统半导体技术。对GaN-on-Si已经成功地完成了广泛的合格测试，包括高加速应力测试（HAST）、高温工作寿命（HTOL）、高温反向偏压（HTRB）、加速寿命试验（ALT）和静电放电常规测试（ESD）、间歇工作寿命（IOL）、温度循环、机械冲击和振动以及破坏性物理分析（DPA）。图2给出了一组微波GaN-on-Si器件在HAST下的射频输出功率的稳定性，图3给出了231个器件经HTOL测试后RF功率的最小变化。

图2：由STMicroelectronics的6英寸硅晶圆制造的25个GaN-on-Si器件，对其一个样品进行HAST后的峰值输出功率变化。

图3：由STMicroelectronics的6英寸硅晶圆制造的231个GaN-on-Si器件在HTOL测试前后的峰值输出功率

等待机会

MACOM和STMicroelectronics合作了一年多的时间，将高频GaN-on-Si产品转移到ST的CMOS晶圆，其样品生产计划在2018开始。在CMOS晶圆中制造微波GaN-on-Si器件的能力打开了通向新世界的大门，包括在单个芯片上对GaN和CMOS基高频器件进行均匀集成。这些多功能RF器件将GaN的功率和高频效益与数字控制相结合。针对该项的研发已经开始进行。高功率数模转换器、微处理器和片上无线发射器是单片集成电路的众多代表之一。

随着将射频GaN-on-Si产品成功地移植到CMOS工艺中，GaN-on-Si技术被唯一地定位为可满足4G和5G无线基站基础设施在性能、成本结构、制造能力和供应链柔性方面的要求，并扩展到固态射频能量应用。虽然为实现这一目标需要克服的挑战是无数的和重大的，但CMOS工艺出错很少的优势远远超过其局限性，并开启了RF技术的新时代。