（微电子学与固体电子学专业论文）基于sige+hbt的高频增益模块.pdf

摘要 摘要 s i g c 玎以s i 工艺为基础，因此器件工艺比较成熟，且造价低，易与现有的 s i 工艺兼容，其放大器功率附加效率p a e ( p o w c ra d d i d v ee 硒c i e 眦y ) 可达7 0 。 与m e s f e t 相同，最突出的优点是具有极低的相位噪声。 s i g eh b 瞰术由于其优异的频率特性、温度特性和抗辐照特性，以及与传统 的硅工艺兼容，尤其是与c m o s 工艺兼容等优点，在短短2 0 年的时间内，取得了微 电子技术领域内最为快速韵发展。随着这一技术的不断完善和应用的不断扩 展，s i g e 技术正在成为实现混合信号通讯系统s o c 集成的优选技术平台。 本论文首先从基本的物理概念出发，主要探讨研究了s i g e 衄t 的重要指标， 包括特征频率。最高振荡频率，集电极电流，基极电流以及增益，并且对s i ( kh b t 的基本结构做了简要的介绍，主要包括：台面结构，多晶硅发射极g e s i 皿t 结 构和自对准结构。 高速双极型晶体管的主要指标有：电流增益，正向渡越时间或截止频率，最 高振荡频率和数字电路门延时。此外还有噪声系数，e a r l y 电压等。对于高频微波 应用，电流增益、截止频率和噪声系数是很重要的；对于数字电路，正向渡越时 间必须作得很低：而对于模拟电路电流增益和e a r l y 电压的乘积值要高。这些参数 往往相互影响，给器件的设计和优化造成困难。在实际的工艺中利用研究结果对 器件的性能进行优化提升。 通过对常用高频放大电路机构的研究以及结合现实应用，我们设计了一种基 于达林顿结构的s i g e 皿t 新型放大电路结构，在提高增益的同时改进s i g e 加玎 的驱动能力。 针对传统s i g e 器件的工艺存在的问题，引入了埋层金属自对准工艺，优化了 工艺流程。介绍说明了薄膜电阻的制备方法和线条形状的关系，并在此基础上采 用了基于a 班姐t 的a d s 软件平台对放大器进行仿真、验证，在仿真的过程中，低 噪声放大器中的s i g e 职t 的模型采用了较精确的s p i i q 咖n d p n 模型。通过 参数确定，噪声分析及仿真对所设计器件的可行性进行了较为有效的验证。 我们设计了高频增益模块的版图。 关键词：s i g e 皿t 高频增益模块。达林顿结构，掩埋金属自对准工艺，高阻抗 衬底 a b s t r a c t 而et e 曲诚。影o fs i g em ti s 妇面o n 也cs i 僦抽o l o 烈s o 也ed e v 娩 t c i 删o g yi sv e r ym a t i e 锄da l 诵t hl o wp r i i 乜p o w e ra d d i t i v ce 伍c i e n c yc 粗 嘲c h t o7 0 ，也e 咖1 c t o 位眦s f e t ，i t s t h e m o s t o v e r h 觚g m 酾i s t h a t i th a s l o wp ：h a i s e o 而n gt o i t so u t 蜘d i n g 觚q l l m c yd 删曲哺e r ，t e m p t 艇m 玳d 团抽c t e r 枷 船击。北幽t a n c ec h a r 乏l 髓e r ，w h a 士 sm o r e ，i ta l c a nb ec 唧a l i b l e 砸出曲d i t 渤谢s i t c c h n o l o g y ，i t 掣舡t b em o s t 触d e v e l o i m l e n ti nt h ee l e c 协) nt c c h n o l o g y 丘e l d 、析t h i n 2 0y e 哪b e i gt ot h i s t e c h n o l o g y si 棚舯w 锄e n t a n dd e v c l o p m 龃t ，s i g e t e l 幽l o g yi sb e i n g l 硎v ep 娟加瑚c ef l a tt h a tm a k el h ea d m i x 嘶s i 掣i a l n 赳l 缸n i t8 非i t e mc o m e 协舱 k 也i s 黼、丘烈l y i 地d 城e t h eb a s k 啦e p t o f t h i s 娜i c ，锄ds t u d y t h e i 珂p c l r t a n td a t ao fs i g eh b t m a i n l yi n c l l l d i n gc h a 均c t l e r i s 如侬叩l 咄y m 戤i 删珈 鲫训触忡n 哪t h e 咄l e t o f c o n t o r 锄0 d c ，t b cc l 】r 姗t o f b 蝴a n d i 乜g 地w c a i j s i m p l yi n ：比0 d u c e 也eb a s i cs 缸u c t 嗽o f 血es j g ei 珥匾m a i n i y 砸c l u d i n gm 嘲 s t r u c t u 他，枷j 6 c r y s t a ls n i c o n 鼬i t t e rg e s i 船ts 廿u c t u r c 锄ds e l f a l i 驴e ds n l l c t m t h em a i n 纰o fh i 啦s p o c db 咖l a r 咖i s 幻l r sa 陀c 吼如tg a i n ，p o s i d v e - g o i n g 把吲t i 缸m e0 rb 硎盯角u 钮c y ；m 嬲抽蚺g e n 日a l 盘c q 珊谢疆柚dd i 西t a i d 们n i cg i t el a 圭ed m i n 岛a l s o n t a i nn o i “，e 伍d 胁t ，c 羽yv o l 协g ee ta 1 c i l r 删 g a i n ，b a r r i e r 自e q 咄ya n dn o i c 伍c i 咖p l a y 锄v e l yi m p o r t a m l ei nl h e a p p l i 饼匝o no f t h eh i g h 自c q 蛾ym i 啪w a v e ；p o s 谥v e 9 0 i n g 衄s 撼o n 矗m em 璐t l 埒 m a d e v 髓y l o w i n m ed i g i t a lc i 础a m 孵m g a i n 锄d e a f l y v o l t a g e p m d u c t m u s tb c v 研h i g h i n t h e m i m i c b l 鳓t 抽d a a 锄i 商酸翰c h o 也盯s 蛐撕m 鸽t h a l l b e r e 黜s 咄d i 伍础i n 血ed 嚣i 弘a n d 咧i m i z eo f1 b ec b u i lht h e 触 蛐舒w e 峨m e 咖d y 糟础t o ) p 妇i z e 曲c h a 黜蛔o f l h c d c v i 嘲 t h m l l 出血ea p p l i 酬o na n ds t i 】_ d yo f t h eh i g h 缸q u 衄c yc i r c 血s y s t c m ，鹏 d 器泓an 删蛐o f m e 蛐o fs i g c 珊t 锄纠i 丘删s y s t e m 蛐b a s e d 衄位舭o f 也ed a 峨i n 雠黜t i m c ，佻a i s o 啦删e h e 州盯 曲m i y o f 也e s i g e 聊： 蛐t h c 舯m 锄s i nt h e 蛔删s i g e 皿td e 、慨，w e 峨位b 枷 l a y c rm e t a l l fa l i g n 耐t e c h i m l o g y ，q 硝m i z 通gl h et e c h n o l o l 黟n ，w bi n 虹o d u o e d 也e 脚晡c a 舶n m e l h o d o f t b e m m 麟i s i i d r ，b a s e d 姐也w e u 辩a d s m 哪他脑t o n i t h e d ，w e 嘶d e s j 删t h e l a ) ，o l n o f t h eh i g h 在烈i 啪c y 乎i i n m 删e 1 ( e yw o r d ：s i g c 耶tk 曲丘e q u e n c yg a i nm o d l l l e ，g t r u 曲玳o ft l 墟d a r l i 玎g t 伽， b l l r i e dl a y 盯m e t a l 黯l f 8 l i g dt e c ：h n o l o 舒；h 主g hr e s i s t a n c e 锄妇矗擂：t e 独创性声明 本人声明所星交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：星埠日期：2 盆：r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名 i 一 矿 日期：盘2 2 ：! 【_ 一，：一。一；。一些型堕茎些堡丝篁圣。，一，一，。，。 第1 章绪论 1 1引言 上世纪5 0 年代末。人们开始进行s i g e 材料的研究。经过几十年的发展，s i g e 技术已取得了长足进展，新的生长方法层出不穷，如分子柬外延( m b e ) 、超低压化 学汽相淀积与超高真空技术删c v d ) 的结合以及快速化学汽相淀积技术。利用 s i g e 技术而研制的产品也应用于各个领域，尤其在无线电通信领域s i g e 产品扮演 着尤为重要的角色。由于无线通信系统的工作频率通常较高，因此对器件和电路的 性能提出更高的要求。尽s i 集成电路非常适用于微处理器和存储器，但在更高的频 段应用射频和微波电路( 如移动电话和全球定位系统) 中的应用却受到限制。 其主要原因存在于以下两个方面，一方面是由于s i 的载流子迁移率特别是空穴的迁 移率相对较低，饱和速度也低。从器件性能，尤其是从高频高速器件电路的设计考 虑，s i g c 半导体材料比s i 有明显的优势。另一方面，虽然随着工艺技术的提高， 应用“按比例缩小的原理”，器件的尺寸按m o o 定律不断减小，使得集成度和性 能不断提高，每个晶体管的价格不断降低，器件速度也相应提高。但由于物理极限 的原因，器件尺寸不能无限制地缩小。因此希望寻找一种既能在速度上可与- v 族材料器件相比，又在生产技术上与现有常规s ic m o s 工艺技术相兼容的材料体 系。s i g e 技术可实现人们的这一愿望。s j g e 应用技术中最主要、最成功的产品是 s i g e 异质结双极型晶体管h b t ( h e t e f 0 j 岫c t i 哪b i p o l 盯t r 椰i s t o r ) 及其集成电路f 1 2s i g eh b t 的起源，发展与现状 1 2 1s i g eh b t 技术的提出 w i l l i 锄s h o c k l e y 于1 9 4 8 年提出异质结双极型晶体管( 髓t ) 的概念。他所说的 “异质结”即在一块半导体中拥有两个不同带隙的区域。k 砌湖e r 于1 9 5 7 年发展了宽带 隙发射极的双极晶体管的理论。在设计上这种器件相对同质结器件的巨大优势早就 成为人们的共识。但6 0 _ - 7 0 年代对宽带隙发射极的双极晶体管的实验工作由于技术 的限制，一直未能实现优异性能的器件。7 0 年代中期由于二种新颖的外延生长技术 金属有机物化学气相沉积( m c t a l - o r g a n i cc h 锄妇lv a p o rd e p o s 砸o n ) m o c v d 和 分子束外延( m o l u l 村蛔l 印i t a x y ) m b k 的出现，使得异质结器件的性能取 得了惊人的进步。1 9 7 5 年，e r i c h i 印盯等首先将s h o c l 【l y 的异质结的概念与f 咖咄和 v 缸d 盯m e 的应交外延层的”m 删c a l ”异质结的概念相结合研制出了达到器 件质量的s i g e ，s i 应变异质结。直至1 9 8 7 年，世界上第一个有实用意义的s i g e ，s i 异 质结双极型晶体管( 珊t ) 问世了，在短暂的几年内性能指标就已大大超过s ib 盱， 因而得到了极大重视和飞速发展。 1 2 2s i g eh b t 在国内外的发展情况 在国外s i g e 聃t 技术起步比较早，技术发展相当成熟，典型的代表当为美国的 珥m 公司和德国的1 e m l c 公司。1 9 9 眸中，m m 用u h v c v d 外延技术，双多晶硅非 自对准工艺研制的s i g e ，s 珊b t 其特征频率已达7 5 g h 匕，这一指标已是当时s i 同质结 双极晶体管b 盯( b i p o l a rj 吼c t i t r 飘s i s 岫) 的两倍。m m 生产的s i g e 产品包括低 噪声放大器、压控振荡器( v c o ) 、功率放大器和分立晶体管。从成本与可靠性方面 考虑，其中几种产品完全可以取代g 融h 器件。到2 0 0 2 年无线通信产品的年产量达 到4 1 5 亿件，其中仅射频信号处理电路一项的年产值就将近7 0 亿美元。据美国商业部 预测到2 0 0 3 年全球定位系统达到1 6 0 亿美元。m m 在扩大s i g e 产品产量的同时还在 着手将s i g e 技术应用于其它领域，如m mc o l 姗q 町c s t 子公司正在设计s i g e 增强型 芯片，希望用于下一代蜂窝电话；【矗g s y s t 锄s 和i i i m 正在研制用于全球定位系 统的s i g e 电路，m m 已经与休斯电子公司、哈瑞斯半导体公司、国家半导体公司、 舢订c c 、n o 他l 和t e l 【n 妇i x 等建立了开发制造从小到蜂窝电话大到卫星应用的s i g e 产 品的合作关系；a l c a l e l 的新型光纤系统采用了m m 公司的s i g c 技术，为通信网络提 供了高速管线。 德国t e m i c 公司曾是d a i m l e rb 吼z 研究公司下属两家重要子公司之一，后转让 至v i s h a yi n t e l 缸c h n o l o 盯。目前，在德国的h c i l b 姗1 n n 啦i c 半导体公司具备一条完 整的6 英寸8 i g e 生产线，该生产线是由d a i l n l e r b e 毗研究公司的研究者们开发的。 在该生产线上，已实现了类似于g u 吣产品的h b t 结构。1 觎1 i c 还将采用d a i l i i l e r b e 此开发的s i g e 工艺在c v d 生长的集电极上面用m b e 工艺生长s i g e 基区和n 发射区。生产的器件的厅达到5 0 g h z ，研制器件的疗在“o g h z 以上。首批标准产 品为d e c t 电话( 1 1 9 g h z ) 用的前端( u n ，功率放大器和咖二极管驱动器) 及双 波段( 9 0 0 m h1 o1 8 0 0 乜) g s m 手机用的功率放大器t0 9 l l 及t s t 0 9 1 3 ) 该生 产线是一条严格的髓t 生产线。不具备生产c m o s 能力【“。图1 1 是国外半导体厂 商生产的2 4 g h zs i g e 压控振荡器的放大照片 国内s i g e 瑚t 和集成电路的研究工作开始于2 0 世纪9 0 年代初，由于超精细 半导体工艺设备和精密测量仪器等基本条件缺乏，现有实验设施和技术加工手段陈 旧，以及精细化工、精密机械和精密电子仪器行业技术落后，难以提供全面和有力 第l 章绪论 的支持，致使研究工作进展缓慢，早期部分s i g e 材料的生长研究工作仍需借助于国 外合作单位的设备和技术。至2 l 世纪初，政府加大对半导体功能材料、高性能器件 和集成电路以及半导体生产、测试设备制造等研究项目的支持力度，国内s i g e 器件 研究单位开始大量自行研制和购置实验设备，同时由国外引进了一批先进的材料生 长设备及其他辅助和测量仪器，材料生长和器件制备水平得到较大提高，s i g e 器件 的研究进度明显加快。经历十余年的发展，国内高性能器件研究队伍日益壮大。目 前s i g c 材料和器件的主要研究机构有中国科学院半导体研究所、物理所、信息产业 部第二十四研究所、清华大学、复旦大学、南京大学和北京工业大学等十余家单位， 研究方向主要集中于s i g e 应变合金材料生长技术、材料生长设备、微波s i g e 珊t 器件制备、宽带低噪声小信号放大和处理集成电路、各种微波功率放大器件以及集 成各种高速传感器的集成s i g e 器件，并已基本掌握高质量器件级s i g e 应变材料的 生长技术，研制出多种用途的s i g e 器件试验产品，但目前多数产品均处于研究阶段， 相对于国外产品，器件的性能和集成度较低。但随着外资制造型企业在华投资力度 加大和政府在半导体制造产业的政策倾斜，部分国外知名半导体制造商已开始计划 在我国南部合资设厂，生产4 _ _ 8 英寸s i g e 晶圆材料、分立器件和集成电路，持强 大的资金和技术实力以及本地成本优势和优惠条件进一步占领国内通讯业半导体产 品市场，使国内s i g e 器件研究单位面临更大的挑战阁。 图1 12 4 g ks i g ev c 0 的放大照片 f i gl l 舶喇p h o c oo f 2 4 g 瞄i g ev 1 3s i g e 集成电路的发展水平 近年来随着m b e 、m o c v d 技术日渐成熟，使得异质结m c 发展水平日新月 异，成为研究工作的主流。目前国际上的总体发展趋势是：高功率、高效率、高线 性、高增益和高可靠性，低电压、低功耗和低成本。发展趋势体现在：新器件、新 的方准( f o d r y ) 加工工艺、系统集成、m m i c 电路c a d 技术、向商用转移、采用 毫米波、混合信号设计s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。c 前沿的研究领域除异质结器 件和电路外，还有微机电系统m e m s ( m i c r o - e l e c 呦l i cm h 访e f ) ，s y s t 锄) 、低温 共烧陶瓷l t c c ( k 唧t e = l n p e 门t u c o 蚴c e 舢i c ) 、微波多芯片组件m c m ( m u h i p l ec h i pm o d u l e ) 等。进入微波频率，封装技术成了限制半导体芯片性能的 关键因素之一，为了适应高性能、高密度、长寿命的要求，多芯片技术德到了长足 进展。 目前，单片微波集成电路已经使用于各种微波系统中。在这些微波系统中的 加c 包括：加c 功率放大器、低噪声放大器l n a ( l o w n o i 辩a m p i 谁盯) 、混频 嚣、上变频器、压控振荡器v c o ( i t 鸩ec o r 啪l i e do i l l a t o r ) ，滤波器等直至h 仰d i c 前端和整个收发系统。单片电路的发展为微波系统在各个领域的应用提供了广阔的 前景由m m i c 器件所组成的微波毫米波系统，已广泛应用于空间电子、雷达、 卫星、公路交通、民航系统、电子对抗、通信系统等多种尖端科技中，由于这些系 统所具有的优良性能使得国家的军事力量迅速提高，在民事应用中的使用使人们的 物质文化生活水平高速发展。由于这些系统的特殊性而对加m c 器件的可靠性有很 高的要求。虽然在某些方面觚器件的可靠性还有待于进一步的提高，但是就整 体而言，目前m m i c 的可靠性已经具备了一般的微波电子线路所无法比拟的水平【3 】 m m i c 的基片材料一般多采用q u b 材料，它兼有两种功能：一是作为电路的支 撑体；二是作为半导体有源器件的原材料。g a a s 材料具有低损耗，高介电常数，并 且与金属有良好的附着力，q 姨s 本身具有抗辐射性，这在军用系统中具有重要的意 义1 2 引。g a a s 基片厚度常选取为o 1 o 3 舳，面积o 5 0 5 删一到5 5m m 2 之间。7 0 年代m m i c 的基片基本使用g a a s 材料，随着频道的拥挤，毫米波段的开发，8 0 年代 后期的g a a sm e s f e t ( m e t a is e m i c o n d i | c _ 盼f i e l de m ：c tt r 瓶s i s t o r ) 受到h l ( 姒s 印j m t ( h i 曲e l 乜0 n i c sm o b i l 时t r 锄s i s t o r ) 的挑战，m e s f e t 与h e m t 相辅相承， 为微波和毫米波提供满意的有源器件。9 0 年代，便携电话的迅速发展对半导体器件 提出了更苛刻的要求，突出关注低造价、商效率、低电压、低相位噪声，这迫使人 们寻找一些更重要的半导体材料以适应删l c 的研制。 s i g em 玎以s i 工艺为基础，因此器件工艺比较成熟，且造价低，易与现有的s i 工艺兼容，其放大器功率附加效率p a e ( p o w 盯a d d i t i v ee m c i c y ) 可达7 0 ，与 h 忸s f e t 相同，最突出的优点是具有极低的相位噪声。欧美发达国家自2 0 世纪8 0 年 代中期开始着手s i g e 双极型器件的研制，至9 0 年代中期进入商品化阶段。以美国m m 第l 章绪论 公司为代表，d a i l n l e r - b 吼z 、s g s - 1 1 l 咖s 、s i e i 锄s 、a g i l e n t 、n e c 和咖a c 等 著名器件厂商陆续于同期推出各自的商品化s i g e 衄t 和m c 产品。这些产品包括 低噪声放大器u n a 、压控振荡器v c 0 、数模转换器d a c 、分频器、比较器、混频器、 各种e c l 电路和射细微波功率放大器，涵盖微波低端和高速应用领域，并开始占领 v 族产品的部分市场份额。9 0 年代末，更多厂商将s i g e 器件列入生产，并涌现出 一批以s i g e 器件为主要产品的新进公司。m m 公司经过二十年的研究和生产，其s i g e 衄t 集成电路的产品线齐全，产品型号包括l n a 、v c o 、d a c ( d i g i t a la l l a l o g i l e c 伽v 盱t c r ) 、比较器、分频器和混频器等大量集成电路产品，在全球s 自g e 生产厂商中 具有代表性【4 】。图1 2 为s i g e m t 在高倍显微镜下的照片。 图l - 2 高倍显微镜下的s i g e 船t f i g l - 2s i g e 皿tu i l d 目岫出缸仞rm i c f o s p c 其他半导体厂商生产的s i g e 产品亦以降低成本，提高器件的频率、增益和噪声 性能以及拓展产品应用用途为主导设计思想。s t a i l f o r ；dm i c m d e v i c e s 的产品s i g c 玎宽带增益模块s g a - 6 5 8 6 是一种d d 之5 g h z 高性能可级联的5 系统内部阻抗 匹配放大器，采用微带表面封装，+ 5 v 电源供电。器件内部的s i g e 胁玎采用1 岫发 射极条宽制备工艺，疗达到5 0 g h z ；电路采用达林顿组态，配合电阻反馈，保证在 - 4 肛8 5 0 c 温度范围内维持较好的宽带性能；内部5 0 q 阻抗匹配使外部元件数量降至 最少，避免了外部元件引入的噪声以及匹配误差造成的带宽和增益损失阁。器件实 物如图1 3 所示。表1 1 为当前s i g e 低噪声器件的性能指标。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 3s i g c 皿t 宽带增益模块s g a - 6 5 跖 f 噜1 3s i g eh b th i g h 丘e q l l e n 碍弘i nm o l dsg 榭8 6 表卜l 当前s i g e 低噪声器件的性能指标 1 铀l e l 一ld 塌瑚脚盯拙o f c i m 增ml a wn o i s i g c 如i c e 器件发射极最高f i y g 高频噪声低频噪声 类型面积，i l m 2最高丘n a g l z性能血 ( 转折频率) 双台面 1 2 0 0 5 ( 1 g 乇01 5 此 双台砸 1 2 0 o 9 ( 1 g h z ) 双多晶自对准 2 0 1 5 圳【04 7 0 7 ( 2 g h z ) 6 4 1 8 ( 1 0 ( 羽萄 1 4 本论文的主要工作 本课题得到北京市自然科学基金资助( 4 0 3 2 0 0 5 ) 资助。课题研究的主要内容包 括： 1 研究梅成s i g e 瑕t 的各个部分对其性能的影响，在实际制作工艺中利用研究 结果对其性能进行提升 n t ， 2 设计一种新的放大电路结构，在提高增益的同时改进s i g e 阳玎的驱动能力 3 ，对器件进行仿真，参数提取，后对增益模块进行仿真。 4 使用掩埋金属自对准工艺制作s i g e 哪 5 对新的放大器件进行仿真及版图设计 1 。5 本论文的内容安排 第一章中详细的介绍了异质结器件的思想起源及s i g e 船t 的起源发展，阐述了 国内外s i g e 衄t 的研究水平及现状。例举了国外最知名的s i g e 器件生产厂商在该领 域达到的研发水品，以及国内的高校及科研单位近年来在s i g e 技术研究方面做的主 要工作。 第二章首先阐述了s i o e 阿j t 与s i 晶体管相比其优势，及s i c 阱m t 工作原理，从 理论的角度论证了s i g e 异质结器件在高频的条件下依然具有高增益的物理特性，然 后阐述了一些与s i g e 玎的有着重要关系的物理量。深刻的了解这些物理量对优化 s i g 性能起着重要的作用，在第二章的最后给出当前s i g e 册t 的基本结构及外延生 长。 第三章首先分析了参杂浓度及结面积等物理参数对器件性能的影响，随后进行 s i g e 器件的交流小信号分析，给出了共基极等效电路模型，并提取器件在高频工作 状态下的y 参数矩阵，最后给出了噪声的定义，并详细的对s i g e 器件的噪声进行了 分类及分析。 从第四章开始分析并设计了s i g c 册t 高频增益模块，由典型的放大电路结构入 手，分析电路的放大特性，并最终采取达林顿级连的电路形式，确定电路参数，推 到了增益，频率的重要参数，分析高频增益模块的噪声特性并对最终的结果进行了一 仿真。 第五章详细描述了s i g e 玎的制作工艺步骤，并对掩埋金属自对准工艺与传 统的双台面工艺进行了对比，分析其优势。然后讲述了薄膜电阻的制备，最后给出 了版图设计。 第2 章s i g e h b t 的基本原理与结构 2 1s j ，s j g e 异质结物理分析 对印玎的研究大致可以分为两类：1 ) 利用宽带隙材料作为发射区的h b t ， 如i _ v 族化合物皿t ；2 ) 利用窄带隙材料作为基区的册t ，如s i g e 玎；用 于咖t 制造的材料有很多种，这里以s i g e 为重点来分析材料的特征：在s i 中引 入g e 可以使s i 的带隙变窄，因此可以用s i g e 合金来构成双异质结晶体管( 咖t ) 的基区。同为i v 族元素，s i 和g e 体材料的晶格结构均为金刚石结构，但是，s i 的晶格常数为5 4 3 l a ，而g e 的晶格常数为5 6 5 7 a ，其晶格失配率为4 1 8 ，s i g e 合金的晶格常数通常介于s i 和g e 之间。于是，要在s i 衬底上生长出无缺陷的s i g e 外延层，就是要使s i g e 层受到横向压应力，正是这个压应力使得s i g e 外延层的 晶格结构发生了应变，晶格形状也就发生了改变。这是一个比较大的晶格失配率， 所以在高温处理过程中极容易发生晶格驰豫现象同。但如果s i g e 外延层的厚度小 于临界厚度，它与s i 衬底的晶格失配可以通过弹性形变来化解，这是一种压应变， 而且几乎没有失配位错的形成盯j 。 s i g e 船t 与s ib j t 相比性能优越，其根本在于前者发射结两材料的禁带宽度 不一样，即s i g e 玎是窄禁带基区，这一点可以通过图2 1 的器件能带图加以说 明，其中假设s i g e 基区中的g c 组分和杂质的分布是均匀的，在s ib j l r 中，发射区 电子注入到基区需要越过的势垒口砌与基区空穴注入到发射区需要越过的势垒g 场 相等，因此要提高发射结的注入效率，唯一的方法只能是提高发射区和基区的掺杂 浓度之比，因此为了获得一定的电流增益就要尽量降低基区掺杂，而这又要导致非 本征基区串联电阻增加，晶体管的噪声系数增大，最高振荡频率厶。降低而要降低 噪声系数，必须相应增加基区的厚度，这又要导致多数载流子电子在基区的渡越时 间增加，器件的电流增益和频率特性下降【即。 但在s i g eh b t 中基区s i g e 合金的禁带宽度与发射区的s i 不一样，这样在发 射结处两者必然要产生一个能带差，在s i g em t 中，因为应变的s i g e 合金层，是 生长在s i 衬底上的，因此两者之间的能带差主要表现为价带的不连续，这样发射区 电子要注入到基区需要越过的势垒g 鳓就要大大小于基区空穴注入到发射区需要越 过的势垒q 场，这同时也导致发射结的注入效率大大提高，因此要获得与同质结相 同的电流增益s i g e 基区的掺杂浓度可以高于s ib ，r ，甚至发射极的掺杂浓度这样 就可以减小基区的串联电阻提高器件的最高振荡频率，同时基区厚度可以大大减电 子的基区渡越时间也可以减小，提高器件的截止频率加 e c e f e v ， j r 1 lr 1 j 发射区 基区 图2 1s i g e 册t 能带图 f i g2 1 髓鼯彭b a n d d i a 蓼m o f s i g c 玎 增益与基区渡越时间之问的矛盾是限制传统s i 双极型晶体管的截止频率的主 要因素。实际上，普通s i 材料制备的双极型晶体管的截止频率一般不超过几十g k 。 对于同质结s i 晶体管，其电流增益可表示成： ( 2 1 ) 其中a 、岛、讹、札、m 分别为发射区和基区的电子、空穴扩散系数、厚 度和掺杂浓度。为得到较高的增益，发射区的掺杂浓度虬必须高于基区掺杂浓度6 二个量级以上，以提高注入比【9 】【1 0 1 。但当发射区掺杂浓度超过1 0 1 7 锄d 时，由于重掺 杂效应引起带隙变窄，注入比减小。这一现象在低温时尤为明显，使得s ib j t 在低 温下不能工作。因此通常基区的掺杂浓度较低，基区横向电阻大、坼大、厶。1 氐。为 得到高秘须减小基区宽度以减小基区渡越时间。但同时会增大基区电阻，且易发 生基区宽变效应，使器件工作不稳定甚至，恶化f 和石。同时提高岛和乃的值对器 件的要求也是相矛盾的，因为前者要求较低的基区掺杂浓度，而后者恰好相反。 s i g c 窄禁带基区的引入能从根本上缓解这一矛盾。主要是由于s 镅i g e 异质结 带来的极高注入比。s i g c 册t 中，空穴由基区注入到发射区所要克服的势垒比电子 由发射区注入到基区所要克服的势垒高嗵，因而注入比成指数提高。 9 - 一丝m 见一哆 = 日风 北京工业大学工学硕士学位论文 = 糍d 铡 ， 由此可见，公式( 2 2 ) 比公式( 2 一1 ) 增加了一个指数项，所以可以通过s i g e 基区 重掺杂来解决s i 的固有矛盾。随着基区g e 组分的增加s i 发射区与s i g e 基区的能带差 丝增大，s i g e l b t 的电流增益也随之增加3 。s i g e 基区可以重掺杂l o 3 ，比发 射区的掺杂浓度高二个量级，仍具有相当的增益，且e a r l y 电压高；基区可做得很薄， ，很高，而基区电阻仍很低，有利于乞，的提高和朋拘减小；发射区掺杂较低有利于 抑制发射区重掺杂效应：基区g e 组分可设计成渐变，形成电子的漂移场，减少电子 渡越基区的时间，提高靠与具有相同掺杂和结构的s ib j t 相比，引入基区渐变g e 组 分后的基区和发射区渡越时间较传统的s i 晶体管有大幅度提高。 2 。2s j g eh b t 的参数指标 高速双极型晶体管的主要指标有：电流增益b ，正向渡越时间刁虻或截止频率 厅= l ，( 2 仉e c ) ，最高振荡频率和数字电路门延时句。此外还有噪声系数n f ，伽1 y 电压v a 等。对于高频微波应用，易缸和n f 是很重要的；对于数字电路，句必须 作得很低；而对于模拟电路和v 的乘积值要高。这些参数往往相互影响，给器 件的设计和优化造成困难。 2 2 1 特征频率，最高振荡频率与噪声系数 在正向偏压下发射结电容q 由以下部分组成，即e b 结空间电荷区产生的势垒 电容c 册在空间电荷区以外的几个扩散长度内的非平衡载流子随外加电压变化而产 生的扩散电容c 矗，正常工作时集电结处于反偏状态，在反偏情况下主要考虑势垒 电容c 彤，其扩散电容可忽略。对集电结势垒电容c 犯：比8 = 耐+ 国，小信号时 i l t 聊2 6 m 卅一，因此交流电压蝴成的b c 结反偏势垒区宽度变化可以 忽略，b c 结势垒电容c 彤由直流电压嗽定b c 结近似为突变结且反向偏置时， 由耗尽层近似得b c 结势垒电容的表达式 第2 章s i g c 明玎的基本原理与结构 c t c = a j b c ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 中代表s i 与s i g c 的接触电势；m 代表p 型区材料的掺杂浓度；d 代表n 型区材料的掺杂浓度；础表b c 结结面积。对发射结势垒电容c 疆：腿结为正向 偏置，势垒区内存在大量载流子，不满足耗尽层近似条件【1 2 】，势垒电容由式( 2 4 ) 计算： c t e = 4 a j 陋 = 。号譬 舳渤中，= 蠢k ，2 芒，为基区电场因子。 s i g e 船t 的主要频率与噪声性能计算公式如下： 磊2 司再蠹习 丘= 剥i 酬+ 惫+ 薏+ 嗡陆 2 竹叫 。 2 2 也 ll 五j”i ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 其中为发射结空间电荷区渡越时间，如、厶、轨如分别是基区、发射区、 集电结空间电荷区的渡越时问以及集电结过渡区电容与集电极串联电阻乜引起 的附加延时【阁，c 把分别是发射结和集电结的结电容，如为基极电阻，k 为发 射极动态电阻，磁为信号源内阻，为共基极特征频率，七为波尔兹曼常数，r 表示 室内绝对温度。 2 2 2 集电极电流、基极电流和增益 s i g e 如3 t 的电流增益是其一项重要的参数，已在本论文的前面详细阐述过。在 s j g e 肿t 中，能带的变化主要发生在价带，导带的变化较小，所以可用s i b 玎的公 式直接计算s i c k 耶t 的集电极电流，得到s i g e 皿t 的集电极电流s i g e 册t 的基极 电流与s ib j t 的基极电流近似相等，因此s i g e 皿t 得到的电流增益提高可以近似 表示为 如：丝磐e x p 辔 。2 舢、 w 斟巷 1 取 j * 奄措 协 l e x p 【_ 吃。柙) 灯j 从式( 2 9 ) 可以看出，s i g e h b t 的电流放大系数比s i b j t 至少要乘以一个指数项， 因此s i g e 加玎的电流放大系数比s ib j t 的大得多，相应的电流增益也要大得多。 2 3s i g e h b t 的基本结构 目前的s i g e 技术已经发展得比较成熟，s 女g e 船t 的制各技术也多种多样， 对其的结构的划分也各不相同。按几何形状可以分为台面结构和平面结构；按最 小尺寸形可以分为自对准和非自对准两种结构；按基区外延生长的类型可分为选 择性外延和非选择性外延。因此，s i g e 硒t 的结构可以分为多种结构，而耳前研究 较多的是双台面自对准结构，非自对准的平面结构和自对准的平面结构。从工艺的 角度来考虑，发现有5 种适合于与s i 工艺兼容的高速s i g e 髓t 结构，包括台面结构、 多晶硅发射极s i g e 皿t 结构、自对准对结构、倒t 型电极台面晶体管结构、s i 0 2 或 金属作帽缘的侧墙结构。通过大量的工艺实验，前三种结构在目前条件下是切实可行 的，其中台面结构取得了比较理想的结果。 ( 1 ) 台面结构 台面结构是采用一次外延制成，然后用k o h 腐蚀及低温a p s i q 掩腐蚀台面。具 有代表性的台面型器件是d a i m l e 瞳 z 研究中心制备的台面型s i g e 硒玎，a s c h u p p 即等人予1 9 9 4 年在e e 国际电子器件会议上报道双台面自对准结构的 s i g c 阳玎这种结构的器件发射极由l o 个发射极条组成，每个条的面l i i m x l 0 i l m 。 其最高振荡频率达到1 2 0 g i 乜，最高特征频率为3 2 g h z ：随后他们又在1 9 9 5 年的 第2 章s i g e 船t 的基本原理与结构 报道了厶。达到1 6 0 g 比的s i g e 哪t ，其发射极由两个发射极条组成，每个条的 面积o 8 叫“1 8 i i m 。这种结构具有非本征参数小，频率性能优良的优点州【堋。 e 勿1 7 4 “埋层金属 圈“发射区帽层 圜9 + 8 1 0 。基区 圈浪电区 口“+ 亚集屯区村底 图2 - 2 由传统台面工艺制备得到的s i g e 髓t f i g2 2s i g eh b tw i t ht r a d i t i o n a lf l a tt e c h n o l o g y ( 2 ) 多晶硅发射极g e s i 船t 结构 多晶硅发射极结构采用全干法腐蚀台面工艺及多晶硅发射极技术。它与普通晶 体管( 铝或多层金属化欧姆接触晶合格管) 相比，这种结构有其独特的优点：如可采 用多晶硅自对准技术，减小发射区面积可有效防止浅结器件中髓结短路，获得高的 电流增益，并缓解电流增益与c ，e 间耐压的矛盾，具有良好的低温放大特性 ( 3 ) 自对准结构 自对准结构是目前我实验室做的最为成功的一种结构，掩埋金属自对准工艺是 以降低s i g e 皿t 结面积并增大金属半导体接触面积从而提高台面面积利用率为 目的，在传统双台面工艺方法基础上改进形成的硅基工艺方法。该工艺通过埋层金 属使发射极台面和基极台面边缘分别与对应的金属半导体接触区域对准，并使引 线孔区域转化为金属金属接触。一方面，由于金属之间的接触电阻率比金属与半 导体的接触电阻率要低，所以金属金属接触面积可以小于金属半导体接触面积， 引线孔区域因此不必尽量充满台面，缓解了金属半导体接触面积对最小台面条宽 的限制，在不提高光刻精度的前提下使结面积降低：另一方面，由于金属半导体 接触区域由引线孔扩展至台面边缘，使得台面面积不变时，金属半导体接触面积 增大【1 6 j 。同时，引线孔下方的纵向结构受埋层金属保护，可以在引线孔制备过程中 使用反应离子刻蚀r 皿( r 耐i v ei e 劬) 方法，易于控制制备质量，不仅缩小了 引线孔尺寸减小了结面积，而且提高了器件的制备成功率和可靠性。 - 1 3 麟 l 囫螅金属 圈5 招。基区 圜。发射区 囝胡化层 囹8 1 。2 黼层 图2 3 掩埋金属自对准工艺制各的s i g e 珥r 器件的纵向结构 ”也e l o l l g ；n j d 矗l a l d 嘲i o ns 臼1 l c 姐e o f s i g 。 丑3 t 蛐b 撼b u f i e d m e t a i l fa l i 驴e dt c c h n o l o g y 2 4s i g e 基区外延层的生长方法 s i g e 基区外延层的生长方式通常有两种：分子束外延m b e 和超高真空化学 气相淀积i m v 伦) ( u n mh i g hv k u 啪c l l 啪i c a lv 印o rd e p o s m o n ) 。这两种生长 技术的主要共同点是能在低温( 3 0 0 7 0 0 ) 下生长应变外延层，并且生长速度低， 能控制薄层生长 1 、分子束外延m b e 分子束外延加e 是在超高真空条件下的淀积的过程。m b e 利用加热束源喷 出的热能分子或原子沉积在加热的单晶衬底表面而达到外延生长的目的。s i 分子束 外延是一种低温生长技术，s i g e 应变层的生长温度可以控制在4 0 0 至6 0 0 附近， 并且生长速率可以控制到o 0 1 n n i ，s 的量级因此，应用m b e 可以得到平整的， 突变的异质结界面和任意的g c 组分，从而为能够制作更好的s i g c 器件提供更好的 材料年代分子束夕卜延技术m b e 不断完善，在分子束外延设备上采用了新的 生长技术： ( 1 ) 低温外延，扼制三维岛状物的生长和应变弛豫以及界面的外扩散。 、 ( 2 ) 低的生长速率，实现原子缓