多樣化製程技術 成功打造砷化鎵市場區隔
- 黃書瑋
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類似矽製程技術中的BJT與CMOS，砷化鎵製程技術主要區分為HBT(異質接面雙極性電晶體)與pHEMT(異質接面高電子遷移率電晶體)兩大主軸，並被廣泛應用於商用與先進無線通訊中的關鍵零組件。以下針對砷化鎵的製程技術作一深入淺出的剖析。
HBT製程
相較於過去被應用在功率放大器的矽元件，例如BJT與LDMOS等，HBT具有極佳功率特性、線性度、溫度穩定性與可靠度。尤其隨者操作頻率由900MHz的GSM通訊系統，進步到超過2GHz的3G、4G或Wi-Fi通訊系統。HBT幾乎完全獨占此領域的放大器元件市場。藉由優越的材料特性，2或3微米線寬製程的HBT已展現絕佳的良率與極具優勢的性能與價格比。例如GSM的應用需求上，可以滿足超過20:1的強韌度(Ruggedness)需求，在輸出功率特性上，4瓦的功率輸出配合大於55%的功率附加效率(PAE)，亦是矽元件無法輕易達到的特性。而3G應用需求上，HBT亦可輕易達到輸出功率28dBm時，鄰近通道功率比(ACPR)可小於-42dBc的線性度要求。同時Wi-Fi應用上，在線性輸出功率0.1瓦下，其誤差向量幅度(EVM)僅有3%。元件可靠度測試方面，HBT元件皆可通過高溫125度下持續運作連續1000小時的嚴苛測試，換算為在室溫操作下的平均存活時間(Mean time to failure)可達一億小時以上。除了無線通訊放大器應用外，1微米線寬製程的HBT配合其65GHz的高截止頻率，隨著光通訊系統與毫米波系統日漸普及亦被廣泛設計於更高頻率的光通訊放大器與毫米波端的壓控振盪器(VCO)上。
0.5 微米 pHEMT製程
在手機及無線區域網路發射模組，除了HBT被廣泛應用於功率放大器之外，pHEMT在射頻開關應用上也扮演相當重要角色。目前市場上以0.5微米製程的pHEMT為主要產品，並提供了開關器所需要的低嵌入損耗(Insertion loss)、高絕緣性(Isolation)與低諧波扭曲(Harmonic distortion)等元件特性。值得一提的是，此製程利用最精簡化的光罩數目與製程層數，相較於矽元件所製作出的射頻開關器具備極具競爭力的性能與價格比。同時0.5微米製程的pHEMT在不更改製程成本條件下，亦繼續開發更先進的多閘極製程技術，以適用於未來更複雜通訊系統在開關器上需求。元件可靠度測試方面，pHEMT元件皆可通過高溫165度下1000小時的可靠度測試，為一個穩定成熟的量產技術。
Bi-FET (H2W)製程
為了克服砷化鎵製程相較於矽製程在高成本及低整合程度的缺點，整合HBT及pHEMT的Bi-FET(H2W)製程，在2007年開始成為砷化鎵製程技術的重點開發項目，類似矽半導體的Bi-CMOS製程技術，但其高頻與高功率特性更適用於射頻無線通訊應用。此製程技術是整合目前先進之2微米HBT和0.5微米pHEMT 兩項製程技術於同一晶片上，並最佳化HBT及pHEMT元件特性於一體。其高整合度優勢，打破了原本射頻放大器與射頻開關器需分開封裝，而造成的成本增加與特性降低的缺點。另一方面整合兩種元件於單一晶片上可以大幅提升設計者彈性度，並實現出更具競爭力的射頻電路產品，例如實現功率放大器、低噪音放大器、邏輯控制和電源切換於單一晶片上。而穩懋的H2W製程亦在Bi-FET技術領域上持續領先全球其他競爭對手。
深次微米 pHEMT製程
在毫米波應用方面，深次微米的pHEMT製程技術絕對是最佳選擇。此製程技術在市場上約可分成二類，其中一種是利用具有高量產與低成本優點的I-line光學步進機進行微影製程，製作出0.25~0.15微米的線寬來實現低成本的深次微米元件。而另一種是利用先進之電子束微影術(Electron Beam)製作出0.15微米以下的線寬以實現極優越性能的深次微米元件。深次微米pHEMT除了擁有優越的截止頻率特性之外(90~150 GHz)，其相較於最先進CMOS製程所表現出的絕佳崩潰電壓(BV)特性，若以fT．BV作為元件特性比較指標，深次微米pHEMT約是先進CMOS製程的4到6倍高，使得深次微米pHEMT成為毫米波功率放大器的不二人選。同時pHEMT元件本身亦可提供絕佳的低雜訊與高增益表現，讓深次微米的pHEMT技術，可實現同時整合毫米波功率放大器、毫米波低雜訊放大器、混頻器與毫米波開關器於單一晶片上。而此多重應用與高性能優點，亦提供一完整解決方案於先進光纖區域網路、衛星傳輸、基地台與汽車防撞雷達應用上。
銅製程與雷射切割
砷化鎵獨特的晶背接地技術(Backside ground)，提供絕佳晶片散熱路徑與高頻設計靈活度。相較於原本的金製程，銅製程的引進提供了絕佳的低成本優勢與保持相同的特性。除了晶圓背面的金屬之外，銅製程亦被計畫開發應用於覆晶技術所需的銅柱電極(Copper pillar on pad)。並藉由覆晶技術可大幅度縮小單一晶片的大小與減少一般金屬打線(Wire bonding)所產生的高頻寄生效應。對於量產於無線通訊的HBT與pHEMT製程，提供更優越成本優勢。
另一方面在晶圓切割製程上，相較於傳統利用刀具直接切割製程，雷射切割具有更高效率與更高精準之特性，並在切割過程中損耗之晶圓面積也相對簡約，這對於持續縮小單一晶片面積以降低單位晶片成本的半導體不變準則，亦相當具有貢獻。
晶圓端產品測試服務
隨著砷化鎵晶圓代工慢慢成熟，晶圓廠提供服務種類亦是相當重要的附加價值。先進的砷化鎵晶圓開始提供了產品測試服務，並由於砷化鎵元件大部分皆應用於較高頻的系統，相較於矽晶圓廠，砷化鎵晶圓廠提供了更多完整與先進的高頻測試服務，例如高頻功率量測、S參數量測、雜訊量測與脈波(pulse)量測等。這些產品測試服務幫助客戶在製程完成後，可在短時間了解並準確預測其產品特性與良率，進而加速建立製程與設計的關聯或是用於減少後端封裝的損失。
穩懋半導體簡介
穩懋半導體，是目前全球最大的六英吋砷化鎵純晶圓代工服務公司之一，擁有先進的生產線與製程技術能力，能夠提供客戶最佳品質的異質接面雙極性電晶體(HBT)、異質接面高遷移率電晶體(HEMT) 離散元件？微波積體電路與後端製程的晶圓代工服務，現已有超過10種製程技術進入量產或客戶產品認證階段。(本文由穩懋半導體提供，DIGITIMES整理)
