SEMICONDUCTOR — DEEP DIVE

SiGe BiCMOS Technology:
SiGe BiCMOS Technology

ENGINEERING

01 บทนำ: Bicmos คืออะไร

BiCMOS (Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) เป็นเทคโนโลยีผสมผสานที่รวมจุดเด่นของ Bipolar Junction Transistor (BJT) ซึ่งมีค่า transconductance ($g_m$) สูงและความเร็วในการสลับสัญญาณ (switching speed) ที่ยอดเยี่ยม เข้ากับความหนาแน่นและการใช้พลังงานต่ำของ CMOS ทำให้ BiCMOS เป็นหัวใจสำคัญของ RF และ Analog IC ประสิทธิภาพสูงในปัจจุบัน

เทคโนโลยีในตระกูล SiGe BiCMOS ปัจจุบันก้าวข้ามขีดจำกัดไปสู่ $f_T$ เกินกว่า 300GHz ซึ่งเป็นระดับที่จำเป็นสำหรับการประมวลผลสัญญาณ mmWave ในระบบ 5G/6G และ Automotive Radar การเลือกใช้ BiCMOS ไม่ใช่แค่เรื่องของความเร็ว แต่ยังรวมถึงความสามารถในการจัดการสัญญาณแบบผสม (Mixed-Signal) ที่ต้องการทั้งความแม่นยำของ Analog และความซับซ้อนของ Digital ในชิปตัวเดียว

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 05 — TECHNOLOGY PLATFORMS: BiCMOS, GaAs, GaN & SOI
SiGe BiCMOS (fT>300GHz) สำหรับ mmWave; bulk CMOS vs SOI (reduced substrate loss); GaAs PHEMT/HBT สำหรับ PA; GaN-on-SiC MMIC สำหรับ high-power; process variation & mismatch analysis
Tools: Keysight ADS, AWR Microwave Office, PDK-specific models
Related: GaAs & GaN MMIC · SOI Process for RF · IC Manufacturing Context
Path: RF / Analog IC Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

หัวใจหลักของ SiGe BiCMOS คือการเจือสาร Germanium ลงในชั้น Base ของ BJT ซึ่งช่วยสร้าง 'Bandgap Grading' ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าในตัวนำที่ช่วยเร่งความเร็วของ Minority Carriers (Electrons) เพิ่มประสิทธิภาพของ $f_T$ และ $f_{max}$ โดยสมการแสดงความสัมพันธ์พื้นฐานคือ $f_T \approx \frac{1}{2\pi \tau_{ec}}$ ซึ่ง $\tau_{ec}$ คือผลรวมของเวลาการแพร่ (diffusion time) และเวลาการเคลื่อนที่ผ่าน Depletion Region

ในเชิงเปรียบเทียบระหว่าง bulk CMOS กับ SOI (Silicon-on-Insulator) ปัญหาหลักของ RF คือ Substrate Loss การใช้ SOI ช่วยแยกอุปกรณ์ออกจาก Substrate ด้วยชั้น Buried Oxide (BOX) ทำให้ค่า Parasitic Capacitance ลดลงอย่างมาก ส่งผลให้คุณภาพของตัวเหนี่ยวนำ (Q-factor of Inductors) บนชิปดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับเทคโนโลยี bulk CMOS ทั่วไป

03 วิธีการและเทคนิค

กระบวนการผลิต BiCMOS เริ่มต้นจากการสร้างชั้น N-well และ P-well บน Wafer ก่อนจะมีการทำ Deep Trench Isolation (DTI) เพื่อแยกอุปกรณ์ Bipolar ออกจาก CMOS ต่อมาจะมีการสร้างโครงสร้าง SiGe HBT โดยใช้เทคนิค Epitaxial Growth ซึ่งต้องควบคุมปริมาณ Ge อย่างแม่นยำเพื่อป้องกันความเค้นในโครงสร้างผลึก

การออกแบบขั้นตอนต่อไปในกระบวนการคือการทำ Self-aligned emitter process เพื่อลดฐาน (Base) ของ Transistor ให้แคบที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดค่า $R_b C_b$ ซึ่งเป็นตัวแปรสำคัญที่จำกัดความถี่ในการทำงาน ในขั้นตอนท้ายสุดคือการสร้าง Multi-level Interconnects ที่มีค่าความต้านทานต่ำ (Low-k dielectric) เพื่อลดสัญญาณรบกวน (Crosstalk) ในย่านความถี่ RF สูงๆ

04 เทคนิคขั้นสูง

ความท้าทายระดับแนวหน้าของเทคโนโลยี RF คือ 'Process Variation & Mismatch' เนื่องจากค่าความต่างของสัญญาณในวงจร Differential Pair มีผลต่อ CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) อย่างมาก นักออกแบบต้องใช้เทคนิค Statistical Analysis และ Monte Carlo simulation ในการวิเคราะห์ค่า Variation ที่เกิดจาก Photolithography และ Etching ในระดับ Atomic scale

สำหรับเทคโนโลยีทางเลือก เช่น GaN-on-SiC MMIC ปัญหาหลักคือการจัดการความร้อนเนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงาน (Power Density) สูงมาก การแก้ปัญหาจึงมุ่งเน้นไปที่การใช้ Advanced Thermal Management เช่น Micro-channel cooling หรือการเลือกใช้วัสดุ Substrate ที่มีการนำความร้อนสูงเป็นพิเศษ เพื่อให้ระบบสามารถรักษาระดับประสิทธิภาพในสถานะ High-power ได้อย่างต่อเนื่อง

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

การออกแบบวงจร RF IC จำเป็นต้องพึ่งพาชุดเครื่องมือ EDA ระดับสูง โดย Keysight ADS และ AWR Microwave Office เป็นมาตรฐานหลักสำหรับการทำ Electromagnetic (EM) Simulation เพื่อวิเคราะห์ Parasitics ในระดับ Layout ส่วนเครื่องมือของ Cadence (เช่น Virtuoso) มักใช้สำหรับการออกแบบวงจรระดับ Schematic และ Physical Verification

ในฝั่งการผลิต การวัดและตรวจสอบ (Metrology) จำเป็นต้องใช้เครื่องมือจาก AMAT (Applied Materials) สำหรับกระบวนการ Deposition และ Etching ที่มีความละเอียดระดับ sub-angstrom ร่วมกับระบบ Lithography ของ ASML ที่มีความแม่นยำสูง เพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ที่ถูกสร้างขึ้นมีคุณสมบัติตรงตาม PDK (Process Design Kit) ที่กำหนดไว้

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

อุตสาหกรรม Semiconductor ระดับโลกมีการแข่งขันกันอย่างดุเดือดในตลาด RF Foundries โดย TSMC นำเสนอโซลูชัน SiGe BiCMOS ที่ครอบคลุมหลากหลาย Node ขณะที่ GlobalFoundries โดดเด่นด้าน SOI สำหรับ RF โดยเฉพาะ ส่วนเทคโนโลยี compound semiconductor อย่าง GaN ยังคงถูกผูกขาดโดยผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทางเพื่อตอบโจทย์สถานีฐาน (Base Station) 5G และระบบป้องกันประเทศ

ผลกระทบของเทคโนโลยีเหล่านี้ต่อซัพพลายเชนโลกมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากความต้องการ mmWave ในอุปกรณ์ IoT และระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ (Autonomous Driving) กำลังเพิ่มสูงขึ้น การพัฒนาขีดความสามารถในการผลิตภายในประเทศหรือในเครือข่ายพันธมิตรจึงเป็นจุดยุทธศาสตร์สำคัญที่กำหนดความเป็นผู้นำทางเทคโนโลยีในยุค Digital Transformation