0 引言

在后摩爾定律的時代背景下，通過傳統(tǒng)的縮小晶體管尺寸的方式來提高集成度變得非常困難。現(xiàn)在的電子系統(tǒng)正朝著小型化、多樣化、智能化的方向發(fā)展，并最終形成具有感知、通信、處理、傳輸?shù)裙δ艿奈⑾到y(tǒng)。微系統(tǒng)的核心技術(shù)是集成，正在由平面集成向三維集成、由芯片級向集成度和復雜度更高的系統(tǒng)集成發(fā)展。近年來，半導體工藝技術(shù)快速發(fā)展，不僅體現(xiàn)在射頻、模擬、混合信號等傳統(tǒng)的半導體工藝，還體現(xiàn)在系統(tǒng)的異質(zhì)集成等非傳統(tǒng)的半導體工藝。

1 異質(zhì)集成

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在1990年代末率先提出了異質(zhì)集成的概念，并勾畫出異質(zhì)集成的發(fā)展方向，如圖1所示。異質(zhì)集成可以集成的器件有：射頻/模擬電子系統(tǒng)中的雙極器件（SiGe和Ⅲ-Ⅴ族 HBT）、低頻模數(shù)混合信號系統(tǒng)中的CMOS器件、MEMS/NEMS等機械量檢測器件、光電/電光轉(zhuǎn)換器件等。

圖1 DARPA提出的三維集成和異質(zhì)集成計劃

異質(zhì)集成可以分為混合集成和單片集成。混合集成是將不同襯底材料的芯片通過鍵合實現(xiàn)的集成方式。它的代表技術(shù)是三維芯片堆疊，類似于系統(tǒng)級封裝（SiP）的概念。單片集成是將各種不同功能的器件在單芯片上集成，省去了這些芯片的封裝，但工藝制造難度較大。單片異質(zhì)集成類似于片上系統(tǒng)（SoC）的概念，是工業(yè)界和學術(shù)界的研究熱點之一。可以預見，單片異質(zhì)集成技術(shù)將有較大的發(fā)展空間。

2 單片異質(zhì)集成

國外在異質(zhì)集成方面的研究主要為單片異質(zhì)集成：Si基CMOS微電子器件、Ⅲ-Ⅴ族微電子器件、Ⅲ-Ⅴ族光電子器件和MEMS器件等。Si基CMOS器件與Ⅲ-Ⅴ族器件的結(jié)合可以充分發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)單一器件無法達到的性能。單片異質(zhì)集成通常采用類似post-CMOS工藝的方法，首先制作Si基CMOS器件，然后進行Ⅲ-Ⅴ族器件的制作以及二者之間的互聯(lián)。這種方法的優(yōu)點是Si基CMOS器件與Ⅲ-Ⅴ族器件的制作工藝相對獨立，制作Ⅲ-Ⅴ族器件時不會對已經(jīng)完成的CMOS器件產(chǎn)生影響，采用Si材料作為襯底可以有效降低成本。

2.1 Si基CMOS和Ⅲ-Ⅴ族微電子器件

美國雷神公司在Ⅲ-Ⅴ族與Si基CMOS器件的異質(zhì)集成方面進行了較多的 研究。該公司在2010年實現(xiàn)了在Si襯底上集成InP HBT和Si基CMOS器件，如圖2所示。這種單片異質(zhì)集成方法基于美國麻省理工學院提出的SOLES工藝。SOLES工藝包括一個由Ⅲ-Ⅴ族化合物構(gòu)成的模板層（template layer），在這個模板層上直接外延生長高質(zhì)量的Ⅲ-Ⅴ族器件。SOLES工藝的模板層兼容標準的Si基CMOS工藝，但后續(xù)Ⅲ-Ⅴ族器件的制作并不與標準CMOS工藝兼容，需要額外的Ⅲ-Ⅴ族工藝配合完成。圖3給出了異質(zhì)集成的CMOS-InP HBT器件的掃描電子SEM照片，可以看到兩種器件的間隔只有2.5μｍ，顯示出較高的集成度。雷神公司采用這種工藝實現(xiàn)了一種單位增益帶寬積高達20GHz的差分放大器和一種13位500MHz帶寬的高速高精度DAC，與傳統(tǒng)的InP襯底下同質(zhì)外延生長和加工的HBT管相比，電學性能相當。

圖2 雷神公司基于SOLES工藝的Si基CMOS器件與Ⅲ-Ⅴ族器件的異質(zhì)集成

圖3 雷神公司異質(zhì)集成的CMOS-InP HBT器件的SEM照片

2011年，雷神公司采用相同的方法，實現(xiàn)了GaN HEMT和Si基CMOS器件的異質(zhì)集成，但仍然存在不足：１）只能在小尺寸（100ｍｍ）的晶圓上實現(xiàn)；２）需要兩種制造工藝，Si基CMOS器件的制造在Si代工廠完成，而GaN HEMT以及后續(xù)的互聯(lián)工藝需要在Ⅲ-Ⅴ族代工廠完成。之后，研究人員采用一些方法解決了上述問題。比如，在200ｍｍ的Si襯底上采用分子束外延方法（MBE）外延生長GaN。相比于標準金屬有機化學氣相外延（MOCVD）生長技術(shù)，MBE外延技術(shù)的優(yōu)點是所需的溫度較低，由高溫導致Si基CMOS器件性能退化的影響變小，還可提高GaN管的射頻性能。另外，傳統(tǒng)的GaN器件的歐姆接觸采用金屬Au，與Si基CMOS工藝不兼容。還有些研究人員則采用Ti/Al/W的歐姆接觸，實現(xiàn)了在Si基代工廠完成GaN器件的代工。

在實現(xiàn)Si基CMOS器件與GaN HEMT器件的單片異質(zhì)集成后，雷神公司進一步實現(xiàn)了單片發(fā)射機芯片，在一個芯片上集成了數(shù)字基帶處理器、高線性度功率放大器、高輸出功率DAC、射頻發(fā)射機等，如圖4所示。該發(fā)射機芯片證明了單片異質(zhì)集成技術(shù)在射頻、混合信號、數(shù)字電路等領域具有巨大的應用潛力。

圖4 雷神公司采用單片異質(zhì)集成技術(shù)實現(xiàn)的線性化發(fā)射機

美國HRL公司也對單片異質(zhì)集成進行了大量的研究。與雷神公司直接在模板層上異質(zhì)集成外延Ⅲ-Ⅴ族材料的方法不同，HRL公司通過兩種器件襯底材料的直接鍵合實現(xiàn)芯片晶圓級的異質(zhì)集成。工藝步驟如圖5所示，先在InP晶圓上外延生長InP DHBT外延層，隨后刻蝕掉InP襯底，將Si基與InP進行晶圓級鍵合，然后刻蝕制作出InP器件并與Si基CMOS器件互聯(lián)，最終實現(xiàn)250nm InP DHBT工藝與130nm RF CMOS工藝的單片異質(zhì)集成。單片異質(zhì)集成后的工藝可以稱為InP BiCMOS工藝。2014年，HRL公司又分別將40nm GaN HEMT工藝和250nm InP HBT工藝與65nm CMOS工藝進行了單片異質(zhì)集成。

圖5 HRL公司的InP DHBT和CMOS工藝異質(zhì)集成

2.2 Si基CMOS微電子器件和Ⅲ-Ⅴ族光電子器件、MEMS器件

光電子器件在超高速信號傳輸上的獨特優(yōu)勢使得光電集成技術(shù)具有較好的應用前景。Si是間接帶隙材料，發(fā)光效率較低，不適合用作高效的發(fā)光器件。而Ⅲ-Ⅴ族化合物屬于直接帶隙材料，易于發(fā)射和吸收光。因此，將Ⅲ-Ⅴ族材料制造的光源和Si材料制造的微電子器件集成在一起，就可以實現(xiàn)Si基單片光電集成電路。

與成熟的Si基電子器件相比，Ⅲ-Ⅴ族光電集成電路（Photonic Integrated Circuits，PIC）仍然處于發(fā)展階段。2016年，荷蘭埃因霍溫理工大學的研究人員在60GHz毫米波頻率下，采用OTTD（Optical True Time Delay）的波束控制技術(shù)實現(xiàn)了相控陣列毫米波收發(fā)系統(tǒng)，并采用片上集成天線（Antenna-on-Chip，AoC）技術(shù)，將天線與電子器件互聯(lián)的損耗最小化。采用光傳輸?shù)牟ㄊ刂萍夹g(shù)具有超寬頻帶和低損耗等優(yōu)點。PIC電路主要包括InP材料實現(xiàn)的激光器和光電二極管。

圖6給出了單芯片上集成CMOS器件、光電集成電路以及片上天線等的器件結(jié)構(gòu)圖。首先，獨立制作CMOS和PIC晶圓，并將PIC晶圓粘合在CMOS晶圓之上，然后將天線部分制作在PIC晶圓之上，最后加入CMOS器件、PIC電路和天線三者之間的互連線。圖6中，F(xiàn)C為光纖耦合器，MOD為電光調(diào)制器，PCU為光子控制單元，PD為光電二極管。

圖6 單芯片集成CMOS器件、光電集成電路、片上天線

MEMS器件近年來也有了長足的發(fā)展，其主要發(fā)展方向是兼容Si基CMOS工藝。2016年，瑞典皇家理工學院微納系統(tǒng)實驗室的研究人員實現(xiàn)了微測熱輻射計陣列（由Si/SiGe量子阱熱敏電阻單元構(gòu)成）和標準CMOS工藝實現(xiàn)的讀出電路的單片異質(zhì)集成，如圖7所示。圖7給出了單個像素的微測熱輻射計的原理圖和微測熱輻射計陣列的SEM照片。

圖7 輻射熱測量器陣列和CMOS讀出電路的異質(zhì)集成

在工藝制造中，Si/SiGe量子阱熱敏電阻制作工藝的溫度超過了CMOS電子器件制作工藝的溫度。因此，Si/SiGe量子阱熱敏電阻器件首先被制作于SOI晶圓上，隨后被轉(zhuǎn)移到CMOS晶圓上，然后將SOI晶圓的襯底去除，刻蝕出器件，并制作通孔，實現(xiàn)CMOS與MEMS器件的互連，最終完成單片異質(zhì)集成工藝。工藝步驟如圖8所示。

圖8 CMOS器件和MEMS器件單片異質(zhì)集成工藝步驟

2.3 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)已有不少研究機構(gòu)和公司開展異質(zhì)集成技術(shù)方面的研究，但大多數(shù)仍處于起步階段。國內(nèi)研究以異質(zhì)外延為主，即在Si襯底上直接外延生長Ⅲ-Ⅴ族化合物。但Ⅲ-Ⅴ族化合物與Si之間存在較大的晶格失配和熱失配，很難得到高質(zhì)量的外延層，器件的可靠性較低。如何解決異質(zhì)材料之間的晶格失配也是近年來的研究熱點之一。比如，有學者提出低溫晶片鍵合的方法，可廣泛應用于光電子器件、微機械智能系統(tǒng)和三維器件等。

2015年，南京電子器件研究所的吳立樞等人基于外延層剝離轉(zhuǎn)移、異類器件互聯(lián)等技術(shù)，實現(xiàn)了GaAs pHEMT與Si基CMOS器件異質(zhì)集成的單片電路。最終實現(xiàn)的單片數(shù)字控制開關電路與傳統(tǒng)的GaAs pHEMT單片電路相比，芯片面積減小了15%。該異質(zhì)集成電路如圖9所示。

圖9 異質(zhì)集成電路FIB截面圖

3 面臨的挑戰(zhàn)

國內(nèi)外異質(zhì)集成技術(shù)雖然有了長足的發(fā)展，但由于技術(shù)較為復雜，仍然需要克服很多問題才能實現(xiàn)大規(guī)模的應用。本文列出了幾個關鍵的問題。

（1）技術(shù)限制。異質(zhì)集成的工藝還不完善，尤其是單片異質(zhì)集成，雖然目前已能實現(xiàn)，但尚未進行大規(guī)模量產(chǎn)。異質(zhì)集成涉及的工藝步驟多且復雜，對工藝精度要求較高，同時對能夠異質(zhì)集成的器件也有一定的約束。量產(chǎn)后的產(chǎn)品良率還有待進一步驗證。

（2）三維互連技術(shù)。異質(zhì)器件的集成需要采用三維互聯(lián)中的硅通孔（TSV）技術(shù)。基于TSV工藝的三維集成可以實現(xiàn)短且密的層間互聯(lián)，有效縮短了互連線長度。但是TSV工藝較復雜，是易受到制造缺陷影響的敏感工藝。另外，一個芯片上的TSV數(shù)目較多，一個TSV的損壞會導致整個芯片損壞。因此，需要研究TSV工藝的故障機理，并提出降低故障概率的方法。

（3）異質(zhì)集成芯片的測試技術(shù)。測試技術(shù)是異質(zhì)集成面臨的主要挑戰(zhàn)之一。異質(zhì)集成芯片的集成度遠高于二維芯片，但芯片的封裝引腳數(shù)量基本與二維芯片相同，因此，分配給每個電路模塊的測試引腳數(shù)相對變少，芯片的可控制性、可觀察性均有所降低，測試難度增大。

（4）散熱和可靠性問題。Ⅲ-Ⅴ族化合物的一個重要應用環(huán)境是高輸出功率放大器。異質(zhì)集成技術(shù)提高了芯片的集成度，在十分有限的芯片面積下集成多種器件后，散熱問題就顯得尤為重要。在可靠性方面，需要對材料的性能、退化和失效機理作進一步研究，以建立有效的、多種物理、多尺度模型來準確預測失效的發(fā)生，提高芯片的可靠性。

（5）軟件和工藝PDK文件支持。軟件在集成電路制作中的作用越來越大。在器件級、芯片晶圓級和子系統(tǒng)級的設計、仿真、加工和驗證方面，需要一套完整的、EDA軟件支持的解決方案。同時，新器件的研發(fā)需要代工廠商配套開發(fā)相應的PDK文件。

4 總結(jié)

現(xiàn)代微系統(tǒng)技術(shù)正從二維集成到三維集成、從微電子/光電集成到異質(zhì)集成、從結(jié)構(gòu)/電氣一體化到多功能一體化集成等方向發(fā)展。異質(zhì)集成技術(shù)作為超越摩爾定律發(fā)展的重要手段之一，已從多種不同材料芯片的二維/三維集成發(fā)展到同一襯底上集成多種不同材料、不同結(jié)構(gòu)的器件，并實現(xiàn)了不同工藝器件的一體化互連。國外在單片異質(zhì)集成方面的研究多集中在Si基CMOS器件與Ⅲ-Ⅴ族器件的異質(zhì)集成，可以利用器件各自的優(yōu)勢在單芯片上集成射頻、混合信號系統(tǒng)中的CMOS器件、MEMS/NEMS器件、光電/電光轉(zhuǎn)換器件等，實現(xiàn)片上子系統(tǒng)，但仍存在量產(chǎn)的良率較低、芯片散熱能力有限、可靠性較低等問題。