Semiconductor technology & processing5G and IoT communication

10 min

Imec zet hybride III-V/Si-technologie in om de uitdagingen van 5G aan te pakken

Imec heeft onlangs ‘High-speed analog/RF’ gelanceerd, een nieuw Industrieel Affiliatieprogramma waarbinnen 5G RF front-end-technologieën voor mobiele handsets worden ontwikkeld. Samen met materiaal- en toestelleveranciers, IDM’s, chipfabrikanten en systeemhuizen zal imec RF-communicatie voorbij de huidige snelheids- en vermogen-limieten van CMOS brengen. Nadine Collaert, distinguished member of technical staff bij imec en verantwoordelijk voor het High-speed analog/RF programma, legt uit.

Scroll

Intro

Hoewel de standaarden voor 5G nog niet finaal zijn, wordt heel wat verwacht van deze vijfde generatie mobiele netwerken. Met 5G zou extreme mobiele breedband werkelijkheid worden, met datasnelheden tot 10Gbps, om bijv. aan de toekomstige vraag naar video-streaming te voldoen. 5G zou ook machine-naar-machine communicatie mogelijk maken, ter ondersteuning van het Internet-of-Things-platform. Ook kritische machine-communicatie zou hierdoor worden ondersteund – zoals zelfsturende wagens die met elkaar en met naburige basisstations communiceren. Voor deze toepassingen zijn een hoge betrouwbaarheid en kleine vertragingen (onder de 1ms) een must.

Om deze bijna ongelimiteerde ervaringen mogelijk te maken, zijn er heel wat innovaties nodig, zowel in de algemene netwerkinfrastructuur (zoals basisstations en kleine cellen) als in de technologieën voor mobiele toestellen. 

In een eerste fase van 5G zullen de draadloze communicatieradio’s hoogstwaarschijnlijk in de sub-6GHz radiofrequentiebanden (RF) opereren. Maar om een antwoord te bieden aan de opkomende spectrum-schaarste binnen deze banden, wordt ook naar bandbreedte gezocht in de millimetergolf (mm-golf) banden – meer specifiek in de RF-banden tussen 24 en 100GHz. De invoering van deze mm-golf-banden zal een grote impact hebben op de algemene 5G netwerk-infrastructuur. Voor mobiele handsets zoals de smartphone vertaalt dit zich in een toenemende complexiteit van de RF front-end-modules – die bijv. de zender/ontvanger, bandpass-filters, vermogen-versterkers en lokale oscillatoren bevatten. Zowel de sub-6GHz-banden als de mm-golf-banden moeten nu in eenzelfde architectuur geïmplementeerd worden, en de handsets moeten tegelijkertijd toegang krijgen tot verschillende banden. Daarom moeten de componenten in de front-end veel hogere snelheden halen dan vandaag mogelijk is met 4G-LTE-toestellen. Ook moet de mm-golf-functionaliteit geïmplementeerd worden in batterij-gestuurde mobiele toestellen, wat grote beperkingen zal opleggen aan het vermogen-verbruik van de mm-golf-circuits. Om al deze uitdagingen te beantwoorden, hebben we hoge-snelheidstransistoren nodig, die uitblinken in output-vermogen en vermogen-efficiëntie. 

increased RF-FEM complexity

Met elke nieuwe generatie van mobiele communicatie neemt de complexiteit in de RF-front-end-module toe (schematische voorstelling).

State-of-the-art transistoren met hoge snelheden

Vandaag worden er verschillende transistortechnologieën gebruikt voor RF-toepassingen, zoals bijvoorbeeld RF-SOI- en SiGe-technologieën. Een interessant alternatief is het gebruik van III-V-circuits. III-V hoge-elektron-mobiliteits-transistoren (HEMTs, op basis van GaAs of InP) worden al standaard gebruikt voor hoge-frequentie-toepassingen. De performantie van deze transistoren bij operatie in de RF-banden is veel beter dan die van standaard Si CMOS-transistoren, vooral dan die van FinFETs die last hebben van intrinsiek hogere parasitaire effecten. Daarnaast hebben ook III-V heterojunctie bipolaire transistoren (HBT’s) al hun werking bewezen voor hoge-snelheidstoepassingen. En hoewel ze initieel ontworpen zijn voor hoog-vermogen-toepassingen, doen ook transistoren op basis van III-N-materialen (zoals GaN HEMTs) het goed bij frequenties boven 400GHz.

Tot nog toe werden de Si en III-V (of III-N) circuits telkens apart gemaakt en verpakt, en later op eenzelfde drager geassembleerd. Maar met deze benadering kunnen de performantie, de vermogen-reductie, kost en vormfactor niet verder geoptimaliseerd worden, en is het moeilijk om de circuits nog complexer te maken. Het verkleinen van de vormfactor is echter essentieel: we zullen heel wat verschillende chips en componenten nodig hebben om de RF front-end te maken, terwijl de beschikbare ruimte in een mobiele handset beperkt is. Daarnaast zijn er ook uitdagingen verbonden aan de fabricage van transistoren gebaseerd op III-V-materialen. Meestal worden er (labo-achtige) fabricageprocessen en materialen gebruikt die niet compatibel zijn met de kosten-efficiënte processen die gebruikt worden bij hoge-volumeproductie van Si-chips. De III-V HEMT- en HBT-transistoren worden meestal ook gemaakt op kleinere (2 tot 3 inch) substraten, die niet op Si zijn gebaseerd. 

High-speed analog/RF beantwoordt de noden van 5G mobiele handsets

Om RF front-end-modules voor toekomstige 5G mobiele handsets mogelijk te maken, heeft imec het Industrieel Affiliatieprogramma ‘High-speed analog/RF’ opgezet – dat in januari 2018 van start ging.

Binnen dit programma zullen imec en zijn partners samen onderzoek voeren naar hybride Si/III-V-technologieën om hoog-performante RF-transistoren met hoog outputvermogen en grote vermogen-efficiëntie te maken.

Aan de III-V-kant zal imec verschillende transistorarchitecturen onder de loep nemen, zoals III-V (GaAs en InP) en III-N HEMTs, III-V HBT’s, en III-V en III-N MOSFETs. 

In een eerste fase zal het programma zich richten op de integratie van III-V en III-N ‘standalone’ componenten op een 200mm en 300mm Si-platform. Er zullen verschillende processtappen en modules ontwikkeld worden die kritisch zijn voor de integratie. Bijvoorbeeld, modules die het aantal parasitaire effecten in deze niet-Si-transistoren moeten verminderen; de epitaxiale groei van RF-compatibele III-V- en III-N-bufferlagen (nodig om te compenseren voor de rooster-mismatch tussen de III-V- en III-N-materialen en Si); modules voor het optimaliseren van de poortstapel (gate stack); en een studie van defecten. Ook zullen Cu- of W-gebaseerde back-end-of-line-processen bekeken worden die compatibel zijn met CMOS. Deze moeten de typische Au-gebaseerde interconnect-schema’s in de III-V- en III-N-componenten vervangen. Tijdens deze eerste fase zullen de programmapartners ook kijken naar de schaalbaarheid van de III-V- en III-N-transistoren. Het kleiner maken van deze transistoren wordt vandaag bemoeilijkt door de stroom-gedreven operatiemode van de transistoren, en door de gebruikte patterning-technologieën.

In een tweede fase mikt het programma op de co-integratie van de hoge-snelheids III-V/III-N-transistoren (gebruikt voor de RF-transceiver) met standaard Si CMOS (gebruikt voor de digitale signaalverwerking). Hiermee wordt een hogere graad van integratie beoogd voor alle bouwblokken van de RF front-end-module. Imec ziet twee voordelen van deze co-integratie. Ten eerste zullen we hiermee de vormfactor van de front-end-module verder kunnen verkleinen. En ten tweede wordt deze hybride Si/III-V-technologie – mits hulp van ‘digitally assisted’ RF-circuit-ontwerp – gezien als een manier om de energie-efficiëntie van het totale circuit te verbeteren. Het programma zal verschillende benaderingen voor deze co-integratie bestuderen, zoals monolithische 2D-integratie (waarbij de Si- en de III-V/III-N-componenten zich in hetzelfde vlak bevinden), of 3D-integratie (door middel van 3D-stapeling, of door middel van sequentiële 3D-integratie (het sequentieel processen van de verschillende lagen)).

Steunen op bestaande technologieën

Imec heeft verschillende sleuteltechnologieën onder één dak en is daarom uniek geplaatst om hybride Si/III-V RF-front-end-technologieën te ontwikkelen voor 5G-toepassingen.

Zo zullen de programma-partners gebruik kunnen maken van imecs expertise op het gebied van III-V-op-300mm Si-technologieën – ontwikkeld in de context van CMOS-schaling. Meer specifiek zal imec zijn uitgebreide kennis van III-V-technologieën kunnen inbrengen, zoals III-V epitaxiale groei op Si, gate-stack- en contact-optimalisatie, en betrouwbaarheidsonderzoek. Imec kan ook terugvallen op een uitgebreid CMOS ‘toolset’, zoals 193nm (immersie-)lithografie en CMOS-compatibele back-end-of-line modules.

Het analog/RF-programma zal ook kunnen steunen op imecs expertise op het gebied van III-N-technologie, zoals het GaN-op-200mm Si technologieplatform. Oorspronkelijk ontwikkeld voor vermogen-elektronica-toepassingen, zal onderzocht worden hoe deze GaN-op-Si technologie kan aangepast worden voor RF-toepassingen. Zo moeten bijv. de bufferlagen RF-compatibel gemaakt worden, en moeten de transistoren her-ontworpen worden om te kunnen werken bij lage spanningen. 

We zullen ook onze kennis van sub-6GHz en mm-golf draadloze communicatie-technologieën inzetten. Om de juiste targets te kunnen definiëren voor 5G-toepassingen zal een nauwe samenwerking met de modelleer- en circuitontwerpteams essentieel zijn. Hun werk zal ondersteund worden door het gebruik van geavanceerde ontwerptechnieken zoals de co-optimalisatie van RF-ontwerp en technologie (RF DTCO). 

Het samenbrengen van de expertise in III-V- en III-N-technologie, in CMOS-technologie, in draadloze communicatietechnologieën, en in modelleer- en circuitontwerp-technologieën zal cruciaal zijn om tot echte technologie-oplossingen te komen voor RF front-end-modules voor 5G – van transistor- tot circuit-niveau.

Voorbeeld: betrouwbare III-V gate stacks – een sleutelmodule voor III-V MOSFET-integratie

Naast HEMT- en HBT-transistoren zal imec ook MOSFETs op basis van III-V-materialen onderzoeken voor RF front-end-toepassingen. De lage poort-lekstroom en goede schaalbaarheid verklaren waarom deze transistoren zo interessant zijn voor RF-toepassingen.

Maar de ontwikkeling van betrouwbare III-V-gebaseerde MOSFETs heeft zijn eigen uitdagingen, zoals de vorming van gate stacks met zo weinig mogelijk defecten in de interfaces en poort-diëlektrica. Transistoren met bijv. InGaAs in het geleidingskanaal gebruiken meestal Al2O3 als diëlektrisch materiaal in de gate stack. Maar de interactie van de ladingsdragers in het kanaal met oxide-defecten (die zich in het diëlektrisch materiaal of aan de interfaces tussen halfgeleider en oxide bevinden) heeft een grote impact op de betrouwbaarheid van de transistor. De ladingsdragers kunnen door de oxide-defecten gevangen/losgelaten worden, en dit geeft aanleiding tot, bijvoorbeeld, instabiliteit van de drempelspanning, of frequentie-dispersie in de C-V-karakteristieken. 

 

oxide traps

Oxide-traps manifesteren zich op verschillende manieren in de elektrische karakteristieken van InGaAs-transistoren met hoge-k gate stacks: (a) frequentie-dispersie van MOS C-V-karakteristieken; (b) instabiliteiten van drempelspanning (Vth) en SS; (c) gm-instabiliteit in planaire MOSFETs; (d) hysteresis van de ID-VG-karakteristiek van een FinFET. 

Tijdens de IEDM-conferentie van 2017 gaf imec een ‘invited talk’ over oxide-defecten in InGaAs gate stacks voor MOSFETs. Imec gaf een overzicht van recente inzichten in het vangen van ladingsdragers, en stelde richtlijnen voor om betrouwbare III-V gate stacks te ontwikkelen. Deze inzichten vormen een waardevolle bijdrage tot het integreren van III-V MOSFETs op een Si-platform.

In deze studie werden verschillende technieken voor het karakteriseren van ‘trapping’ – zoals positive bias temperature instability (PBTI) en defect capture-emission-time maps – toegepast op verschillende InGaAs-transistor test-vehicles (zoals planaire MOSFETs, FinFETs en nanodraad-transistoren). Met deze technieken kunnen we bijvoorbeeld de verschuiving in drempelspanning bepalen die door het vangen van ladingsdragers veroorzaakt wordt, alsook de time-to-failure, de veroudering van transistoren, en de toegelaten defectdensiteit in een oxide. Zo kon het team vaststellen dat de PBTI-signaturen gelijkaardig zijn voor alle transistorarchitecturen, terwijl schaalverkleining bijkomende uitdagingen met zich mee brengt. Het team kon ook afleiden dat veroudering van transistoren gedomineerd wordt door de trage vangstcentra (lange vangst-/emissie-tijd), terwijl de verschuiving in drempelspanning vooral veroorzaakt wordt door snelle vangstcentra (korte vangst-/emissie-tijd).

Alternatieve karakteriseringstechnieken zoals multifrequency C-V dispersion en hysteresis werden gebruikt om de verdeling van de energieniveaus van de oxide-defecten te bepalen (boven en onder de geleidingsband van het InGaAs-kanaal). De verdeling van energieniveaus bepaalt de ‘charge trapping transients’ in de Al2O3-gebaseerde gate stacks. Deze metingen wezen op een gunstigere verdeling van defectniveaus wanneer we alternatieve diëlektrische materialen zoals HfO2 gebruiken.

De voorgestelde karakterisatie van oxide-‘traps’ is een cruciale stap voor het aantonen van betrouwbare III-V gate stacks.

Als voorbeeld stelde het imec-team een alternatieve, voldoende betrouwbare gate stack voor door Al2O3 te vervangen door een nieuwe inter-diëlektrische laag (ontwikkeld door ASM), ingekapseld door een dunne laag LaSiOx en HfO2.

Besluit

De komst van 5G zal, behalve nieuwe opportuniteiten, ook nieuwe uitdagingen met zich meebrengen voor de technologieën die deze volgende-generatie mobiele communicatie moeten mogelijk maken. Er zijn niet alleen innovaties nodig in de algemene netwerkinfrastructuur, maar ook in de technologieën voor mobiele handsets. Met zijn programma ‘High-speed analog/RF’ wil imec de nodige technologieën voor de RF front-end-module van mobiele handsets ontwikkelen, die zullen werken bij sub-6GHz en mm-golf-frequenties. In een eerste fase zal het programma zich richten op het integreren van hoge-snelheids III-V- en III-N- standalone componenten op een 200mm en 300mm Si-platform. In een tweede fase zullen de programmapartners samen onderzoek doen naar de co-integratie van deze transistorarchitecturen met standaard Si-CMOS. Het programma zal kunnen terugvallen op imecs brede expertise in III-V-op-300mm Si-technologieën, III-N-technologieën, CMOS-technologieën, draadloze communicatietechnologieën, en in modelleer- en circuit-ontwerp-technologieën. Imec nodigt bedrijven – materiaal- en toestelleveranciers, IDM’s, chipfabrikanten en systeemhuizen – uit om partner te worden van het nieuwe programma. 

Biografie Nadine Collaert

Nadine Collaert ontving haar M.Sc. en Ph.D. degrees in de Elektrotechniek van het departement ESAT, KU Leuven, België, in 1995 en 2000, respectievelijk. Sindsdien is ze betrokken in de theorie, het ontwerp en de technologie van FinFET-transistoren, opkomende geheugentechnologieën, transducers voor biomedische toepassingen en de integratie en karakterisatie van bio-compatibele materialen (zoals koolstof-gebaseerde materialen). Van 2012 tot april 2016 was ze programma-manager van het imec LOGIC-programma, waarbij ze zich vooral toelegde op hoge-mobiliteitskanalen, TFETs en nanodraad-transistoren. Sinds april 2016 is ze distinguished member of technical staff, verantwoordelijk voor het onderzoek naar nieuwe CMOS schalingsmethodes, die gebaseerd zijn op de heterogene integratie van nieuwe materialen met Si en nieuwe ‘material enabled device en system approaches’ om de functionaliteit te verhogen. Ze is auteur en co-auteur van meer dan 300 papers in internationale journals en conferentieproceedings, en ze heeft meer dan 10 patenten in het domein van transistorontwerp en procestechnologie op haar naam staan. Ze was lid van de CDT-commissie van de IEDM-conferentie en ze is nog steeds lid van programma-commissies van internationale conferenties zoals ESSDERC, ULIS/EUROSOI en het VLSI Technology Symposium.

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies