锗异质介面双极性电晶体的尺寸与温度效应之研究

1、鍺異質介面雙極性電晶體的尺寸與溫度效應之研究Study of size and temperature effect on SiGe HBTIC 編號：SiG-92D-03t指導教授：林佑昇 國立暨南國際大學電機工程學系助理教授電 話傳真E-mail：.tw設 計 者：陳科后 國立暨南國際大學電機工程學系碩士班研究生電 話傳真E-mail：.tw一、 中文摘要本篇報告主要研究TSMC 0.35um SiGe HBT的主動元件

2、。包括尺寸與溫度效應的研究。Abstract： The goal of this testkey is the study of TSMC 0.35um active device. Including the research of size and temperature effect.Keyword：SiGe, size effect and temperature effect.二、 計劃緣由與目的矽基(Silicon-Based)技術在電子元件微小化過程中，進到奈米尺寸後由於受到製程能力、元件物理的限制，無不思考不同方法，以突破效能無法提昇的困境；其中矽鍺(Silicon Germa

3、nium, SiGe)技術利用矽鍺/矽(SiGe/Si)異質介面、晶格不匹配，以及易與主流技術互補式金屬氧化層半導體(CMOS)製程相容的特點。在高頻特性下，比矽晶具有較佳的低雜訊及低功率損耗優點；相較於砷化鎵(GaAs)，具有較優的高集積度、高電子傳導頻率，及製造良率較高的優勢。利用SiGe磊晶薄膜形成基極層，以大幅提昇雙載子(Bipolar)電晶體高頻特性；另一方面隨著無線通訊蓬勃發展，其相關射頻積體電路(RF ICs)需求日益殷切，找尋低成本、高效益、高集積度的製程技術來配合ICs設計更是急迫；具有優異高頻特性，以及易與CMOS整合成雙載子互補式金屬氧化層半導體(BiCMOS)的SiGe

4、 HBT技術，無疑將是最佳選擇，而且預估可涵蓋到更高頻的MMICs，以及高速類比/數位混合式ICs上，前景十分看好。許多重要的應用電路中，元件的特性在高頻和低頻時表現出來的行為有著明顯的不同；因為在高頻時往往會有很多在低頻的時候不會出現的電感、電容等等寄生效應，它直接或間接的影響了元件的效能；故在高頻的研究中需要更多的考量。電晶體的散射係數(S參數)己經廣泛的被使用於主動高頻電路設計。但是，對於S參數的行為仍有一些不能完全暸解的地方。例如，在許多文獻中，常常可以發現S參數在高頻時會有”anomalous dip”的發生；這種現象也叫作”扭結現象”(kink phenomenon)，尤以S22最

5、為明顯。更奇怪的是，扭結現象通常出現在大尺寸的元件上，尺寸較小的元件幾乎看不到此現象的發生。我將以可接受的觀念來解釋、分析這種看似不規則且不合理的扭結現象。藉著觀察在高頻和不同的偏壓、不同的元件尺寸之下，來研究不同尺寸HBT元件參數對扭結現象的影響。另外，我們將研究HBT在不同溫度下對S11、S22的影響。三、 研究方法與成果3.1設計說明與方法 此testkey共放了十一顆電晶體與一個空Pad，電晶體編號計有：ln02、ln102、ln122、ln153c2、lw02、lw102、lw122、lw153c2、ln155c2、hn153c2與dn153c2。其相對於佈局圖的配置如下所示： 每一

6、個電晶體的偏壓與溫度設定共計有兩種方式：- 固定偏壓(Vce=1.0v)，變Ib與溫度；- 固定偏壓(Vce=1.5V)，變Ib與溫度；因時間限制，僅對幾顆電晶體施加量測。3.2佈局本次下線的testkey測試，以一般量測主動元件的方法量測。電路佈局(如最後一頁所示)的兩邊是輸出端的GSG pad，右上方的一個Pad是用來做校準用。整個晶片面積有1.275×1.25 mm2。3.3測試使用國家毫微米高頻量測實驗室提供的G-S-G probe on wafer 量測，儀器有高頻量測機台HP85122A：Network Analyzer(HP 8510C)、DC Source/Monit

7、or(HP 4142B)、S-Parameter Test Set(HP 8514B)、探針平台(探針間距為150um, GSG)。另外，也要特別感謝國家毫微米高頻量測實驗室(NDL)與國家晶片系統設計中心(CIC)協助與量測才能順利完成。四、結論與討論量測結果如”六、圖表”所示。由結果知，為了要有S11扭結現象的出現必須要有下面三個條件：small emitter sizesmall Vcesmall Ib 而溫度愈高則扭結現象愈明顯。其完整晶片照相圖如下：五、參考文獻1S. S. Lu, C. C. Meng, T. W. Chen and H. C. Chen, “The Origin

8、of the Kink Phenomenon of Transistor Scattering Parameter S22,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no. 2, pp. 333-340, Feb. 2001.2H. Y. Tu, Y. S. Lin, P. Y. Chen, and S. S. Lu, “An Analysis of the anomalous dip in Scattering Parameter S22 ofInGaP/GaAs Heterojunction Bipolar Tra

9、nsistors (HBTs),” IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 49, no. 10, pp.1831-1833, Oct. 2002.3S. S. Lu, C. C. Meng, T. W. Chen and H. C. Chen, “A Novel Interpretation of Transistor S-Parameters by Poles and Zeros for RF IC Circuit Design,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no.

10、2, pp. 406-409, Feb. 2001.4S. Bousnina, P. Mandeville, A. B. Kouki, R. Surridge, F. M. Ghannouchi, “A new analytical and broadband method for determining the HBT small-signal model parameters,” Microwave Symposium Digest., 2000 IEEE MTT-S International, Vol. 3 , 11-16 June 2000.六、圖表 lw0225oCIb = 20,

11、 30 and 40uAVce = 1.0VS11S22 lw0225oCIb = 30 and 60uAVce = 1.5VS11S22 lw0275oCIb = 20, 30 and 40uAVce = 1.0VS11S22 lw0275oCIb = 30 and 60uAVce = 1.5VS11S22 lw02-25, 25 and 75 oCIb = 30() and 60()uAVce= 1.5V S11()S22()S11()S22() ln02-25, 25 and 75 oCIb = 30() and 60()uAVce = 1.5VS11()S22()S11()S22()

12、lw153c2-25, 25 and 75 oCIb = 30() and 60()uAVce = 1.5VS11()S11()S11()S22()S11()S22() ln153c2-25, 25 and 75 oCIb = 30() and 60()uAVce = 1.5VS11()S22()S11()S22()* Chip Features CAD Tools * CKT name: 矽鍺異質介面雙極性電晶體的尺寸與溫度效應之研究 ADSTechnology: SiGe 0.35um HBT (使用製程) OPUSPackage: N/A (包裝種類)Chip Size: 1.275 x 1.25 mm2 (晶片面積；mm2)Transistor/Gate Count: 11顆HBT / N/A (電晶體/邏輯閘數)Power Dissipation: N/A (功率消耗；mW)Max. Frequency: N/A(最高工作頻率，MHz)Testing Results : function work partial