Диссертация (СВЧ комплементарный биполярный технологический процесс с высокой степенью симметрии динамических параметров транзисторов), страница 4

1.2 Горизонтальный pnp-транзистор для технологии с самосовмещениеми двойным поликремнием [13]Однако, резкое уменьшение проектных норм приводит к существенному ростустоимостиизготовленияИМС,чтоделаетнецелесообразнымприменениеподобнойконструкции для решения задач построения сверхвысокочастотных транзисторов.Разновидностью горизонтального pnp-транзистора является также затворный pnpтранзистор, представленный на рис. 1.3 [13].

Такая конструкция, в целом, способна повыситьграничную частоту до 2 – 3 раз, однако все недостатки стандартной горизонтальнойконструкции присущи и данному варианту.Рис. 1.3 Горизонтальный pnp-транзистор с затвором для технологии с самосовмещениеми двойным поликремнием [13]Нельзя не отметить, что горизонтальная конструкция является объектом исследования идля разработчиков npn-транзисторов (рис. 1.4) [16] – [19]. Для данной конструкции полученывысокие значения fT в диапазоне от 12 до 17 ГГц и пробивного напряжения UКЭ0 от 4 до 27 В.Однако, подобная конструкция не обладает высокой технологичностью и, на данный момент,не предполагает промышленного изготовления, а также интеграции с комплементарным pnpтранзистором.Рис.

1.4 Конструкция высокочастотного горизонтального npn-транзисторас применением КНИ-подложки [17]14Конструкциидискретныхpnp-транзисторовразвивалисьпараллельносnpn-транзисторами [20], что привело к разработке планарной вертикальной конструкции pnpтранзистора (рис. 1.1, в) примерно в одно время с вертикальным npn-транзистором. Однако,первые ИМС с применением интегрального вертикального pnp-транзистора были описанытолько в 1969 г., например, в работах [21], [22]. Преимущества вертикальной конструкции(сверхтонкаябаза,слаболегированныйсформированнаяколлекторсотдельнойнизкимоперациейионнойсопротивлением; высокаяимплантации;технологичностьконструкции) обеспечивают её наибольшее распространение в современных высокочастотныхКБТП.1.3 Сверхвысокочастотные комплементарные биполярные технологические процессыНачиная с середины 80-х годов XX века, исследования в области КБТ позволилиразработать большое количество технологических процессов, способных обеспечивать высокиезначения граничной частоты кремниевых КБТ, в частности, работы [23 – 31].

Например, стоитотметить работу [27], в которой получены значения fT = 30 и 32 ГГц для npn- и pnp-транзистора,соответственно. Однако, пробивное напряжение коллектор-эмиттер таких транзисторов непревышало 3 В. Ограничение на величину произведения fT × UКЭ0 ≤ 200 ГГц∙В для кремниевыхбиполярных транзисторов было впервые описано в работе [32], и получило название"ограничение Джонсона". На рис. 1.5, а представлена кривая, ограничивающая областьдопустимых значений произведения fT × UКЭ0 согласно "ограничению Джонсона", а такжеэкспериментальные значения произведения для ряда кремниевых npn-транзисторов [33].

Изрисунка следует, что наибольшие значения произведения fT × UКЭ0 получены для транзисторов свысоким значением граничной частоты.Стоит отметить, что, начиная с середины 90-х годов XX века, стал появляться ряд работ[17 – 19], [34 – 36] и др., в которых была показана возможность получения для кремниевыхбиполярных транзисторов значений fT × UКЭ0 более 200 ГГц∙В. Это связано с тем, что приопределении предельного значения Джонсоном [32] рассматривался случай равномернолегированного коллектора, а также постоянное значение скорости насыщения электронов.Такое приближение приводит к недооценке в расчетах значения fT × UКЭ0 для сложныхконструкций транзисторов. Тем не менее, анализ параметров транзисторов современныхпромышленных КБТП показал, что на данный момент промышленный выпуск кремниевых БТ спревышением "ограничения Джонсона" не ведется.Аналогичные зависимости для кремний-германиевых биполярных транзисторов былиопубликованы в нескольких работах [37], [38] (рис.

1.5, б).15а)б)Рис. 1.5 Соотношение между пробивным напряжением UКЭ0 и граничной частотой fT длябиполярных транзисторов на основе: а) кремния [33]; б) кремний-германия [38]Из графика (рис. 1.5, б) видно, что превышение "ограничения Джонсона" для кремнийгерманиевых транзисторов наблюдается лишь при существенном возрастании значенияграничной частоты (> 60 ГГц), при увеличении пробивного напряжения наблюдается снижениезначения произведения fT × UКЭ0. Представленная зависимость позволяет сделать вывод: дляповышения показателя качества fT × UКЭ0 при построении транзисторов с высокими значениямипробивного напряжения (UКЭ0 > 6 В) использование гетероструктур кремний-германий необеспечивает преимуществ в сравнении с традиционным кремнием.Обобщённая информация по параметрам конструктивно-технологических базисовразличных КБТП с вертикальными pnp-транзисторами представлена в таблице 1.1.

Из таблицыследует, что развитие КБТП происходит по следующим основным направлениям:1) повышение значений граничной частоты и максимальной частоты генерации npnтранзисторов, при максимально возможных, в данном случае, частотах pnp-транзистора;2) обеспечение значений пробивного напряжения КБТ более 30 В с повышениемзначений граничной частоты и максимальной частоты генерации;3) обеспечение симметрии параметров КБТ при фиксированных значениях частоты илипробивного напряжения.В рамках первого направления кремний-германиевые транзисторы практическиполностьювытеснилииспользованиятрадиционныегетеропереходовикремниевые,современнымичтосвязаносэпитаксиальнымипреимуществамитехнологиями,позволяющими с высокой точностью управлять профилем распределения примеси [38].

Задачив рамках второго направления, как уже отмечалось, практически полностью решаются спомощью кремниевых транзисторов.16Таблица 1.1 – Основные параметры комплементарных биполярных технологических процессовКомпанияAnalog Devices Inc.Texas Instruments Inc.National SemiconductorHarris SemiconductorMaxim IntegratedPlessey SemiconductorsSTMicroelectronicsSony Corp.Hitachi Ltd.IHPTower JazzАО "НПП "Пульсар"АО "НПП "Пульсар"(АО "НИИМЭ")АО "НИИ ТАП"(АО "НИИМЭ")ЗАО "ВЗПП-Микрон"ОАО "Интеграл"Название,особенности технологииCB (1985)Изоляция p-n переходомXFCB (1992),КНИ-подложкаXFCB3 (2005)SiGe компл-ный,КНИ-подложкаBiCom3(2003)SiGe КБиКМОП,КНИ-подложкаBiCom3HV (2007)SiGe компл-ный,КНИ-подложкаVIP-3 (1994),Изоляция p-n переходомVIP-10 (2000),КНИ-подложкаCBC8 (2010)SiGe КБиКМОП,КНИ-подложка– (2011)Комбинир. изоляцияUHF-1 (1992),КНИ-подложкаCB2 (1995), Комбинир.

изоляцияHJV (1998), Комбинир. изоляцияHJB (1998), Комбинир. изоляцияHSA (2005), КНИ-подложкаHSB (2010), КНИ-подложка– (2009), КНИ-подложка– (2010), КНИ-подложкаBiCMOS6G (1999)SiGe КБиКМОПКомбинир. изоляцияBiCMOS7RF (2006)SiGe КБиКМОПКомбинир. изоляцияP52H (2001)Комбинир. изоляцияКБиКМОП (2001)КНИ-подложкаSiGe КБиКМОП (2007)КНИ-подложкаSG25H3 (2003)Комбинир. изоляцияSBC35 (2010)SiGe КБиКМОПP35XX (1986)Изоляция p-n переходомКомбинир. изоляцияКомплементарный,Изоляция p-n переходомКомплементарный, КСДИКомплементарный (2015),Комбинир. изоляцияfT(ГГц)npn/pnp0,9/0,7h21npn\pnp175/180UA (В)npn\pnp60/554,5/2,5(UКЭ=2В)16/970/5580/25>12[40]––5[41]150/1007/6[42]100/10048/53[43]17,7/20,6 200/100fmax= 60/45(Uce=3 В)4,2/3,0200/230(UКЭ=12 В)UКЭ0 (В) Источникnpn\pnp36[39]3,1/2,4100/65200/10045/60[44]9/8100/55120/40Uп = 12[45]34/38300/200(UКЭ=1,5В)250/855,2[46]5/3135/100(UКЭ= 5В)9.0/5.5100/40(UКЭ=2 В)9,4/8,7–8,7/8,3170/5519/15170/709/9170/555/4166/524,85/3,580/803/390/6545/4100/–fmax= 60(UКЭ=1,5В)60/6100/–fmax= 90(UКЭ=1,5В)20/5100/100375/8525/38[47]60/208/12[48]–120/4560/20115/50215/95185/70400/10060/–Uп = 15>124.5>12>2632/4347/463,6/–[49][50]60/–2,8/9,5[54]–4[55][56][51][52][53]10,5/6,0180/5050/3917/15150/11060/6019.5/17.810/12180/80160/180150/402,0/2,6[58]15/10130/135300/7013/15[59]1,5/2,070/4040/5036[60]4,5/3,5100/60–>15[61]4,5/2,5100/100–15[62]0,8/0,63,0/2,0>60100/50–100/20>30>12[63][64][57]17Обеспечению симметричных значений параметров КБТ с использованием технологииSiGe в последнее время разработчики удаляют все больше внимания [41 – 43], [46], [58], [59],что в первую очередь обусловлено возможностью существенного увеличения коэффициентаусиления и снижению собственных шумов транзисторов.

Однако для SiGe процессов на данномэтапе их развития помимо преимуществ существует и ряд недостатков [65 – 68]:– высокаястоимостьоборудования,требуемогодляпрецизионныхметодовформирования области базы;– переход к подложкам большого диаметра приводит к росту плотности дефектов впроцессах эпитаксиального роста;– недостаточное исследование вопросов влияния механических напряжений в базе нанадежность изделий.Из таблицы 1.1 видно, что в области кремниевых КБТП с симметричными параметраминаибольшего прогресса достигли компании Plessey Semiconductors, Maxim Integrated, NationalSemiconductor. Специалистами компании Fairchild Korea Semiconductor опубликован рядработ [69 – 71], посвященных разработке технологических процессов с симметричнымипараметрами на КНИ-подложках.Из представленного списка особо стоит отметить линейку технологических процессовHJ компании Plessey Semiconductors. Компания использует модульный подход [72] длясоздания ряда технологических процессов, отвечающих требованиям разработчиков различныхизделий.