Диссертация (1091199), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Также из рисунковвидно, что глубина области базы n-типа практически не зависит от времени отжига, для базы pтипа диапазон изменения глубины составляет ~ 10 нм. Соответственно, выбор времени отжигастоит остановить на t = 10 мин. – времени, для которого результаты калибровки моделейпоказали приемлемую точность.Определившись с типом примеси и режимом отжига активной базы КБТ необходимовыбрать дозу и энергию имплантации. При анализе режимов формирования активной базы КБТстоит обратить внимание не только на значение граничной частоты, но и на значениекоэффициента усиления по току. В ряде случаев коэффициент усиления может составлять либонеприемлемо низкие, либо очень высокие значения, свидетельствующие о выходе из строятранзистора.
Минимальное значение коэффициента усиления по току для pnp-транзисторавыбрано не менее 30, что соответствует минимальному значению h21 для близких попараметрам КБТ.Как уже отмечалось, для параметров КБТ важнейшее значение имеет режимформирования эмиттера и финального отжига. На рис. 3.48 – 3.50 приведены диаграммы,отображающие связь коэффициента усиления по току с режимами формирования базы pnp- и111npn-транзисторов при различном времени финального отжига. В этом случае режимыформирования эмиттеров были следующими: мышьяк: Q = 9,375e15 см–2, E = 175 кэВ, бор:Q = 8e15 см–2, E = 15 кэВ, толщина эмиттерного поликремния 0,25 мкм (результатыпредставлены для режима формирования коллектора, соответствующего максимальномупоказателю качества транзисторов fT×UКЭ0).а)б)Рис.
3.48 Зависимость коэффициента усиления по току npn-транзистора от режимовформирования области активной базы при различных значениях энергии имплантацииа) E = 11 кэВ б) E = 14 кэВа)б)в)Рис. 3.49 Зависимость коэффициента усиления по току pnp-транзистора от режимовформирования области активной базы при различных значениях дозы имплантацииа) Q = 1e13 см–2, б) Q = 3,25e13 см–2, в) Q = 5e13 см–2а)б)Рис. 3.50 Зависимость коэффициента усиления по току pnp-транзистора от режимовформирования области активной базы при различных значениях дозы имплантацииа) Q = 1e14 см–2, б) Q = 5e14 см–2112Стоит отметить, что на диаграммах для коэффициента усиления pnp-транзисторамаксимальное значение ограничено для наглядного изображения тенденции роста усиления,однако слишком большие значения получить невозможно, поскольку наблюдается прокол базы.Из представленных зависимостей можно сделать следующие выводы:- с увеличением времени отжига для обеспечения требуемых параметров КБТнеобходимо снижать энергию и дозу имплантации;- для pnp-транзистора доза имплантации не должна превышать 5e13 см–2;- для pnp-транзистора при имплантации с дозой 5e13 см–2 при режиме отжига – t = 10мин.
± 20 %, T = 900 oС требуется применение энергии не более E = 35 кэВ;- для npn-транзистора применение энергии E = 11 кэВ обеспечивает возможностьиспользования высокой дозы имплантации при режиме отжига – t = 10 мин. ± 20 %, T = 900 oС;увеличение энергии требует снижения дозы имплантации, что влияет на сопротивление базы.Стоит отметить, что режим отжига выбран c учетом требований к точностимоделирования.Дальнейшее уточнение режимов проводилось уже для параметров fT и UКЭ0.
На рис. 3.51– 3.53 приведены результаты расчётов для КБТ с различными режимами формирования областиактивной базы.а)б)Рис. 3.51 Зависимость а) fT и б) UКЭ0 для npn-транзистора от времени финального отжига приразличных дозах имплантации активной базы (BF2) с энергией E = 11 кэВРис. 3.52 Зависимость fT и UКЭ0 для pnp-транзистора от времени финального отжига приразличных энергиях имплантации активной базы (Sb) с дозой Q = 1e13см–2113а)б)Рис. 3.53 Зависимость fT и UКЭ0 для pnp-транзистора от времени финального отжига приразличных энергиях имплантации активной базы (Sb) с дозой:а) Q = 3,125e13 см–2; б) Q = 5e13 см–2На основе представленных графиков стоит сделать следующие выводы:- увеличение энергии и снижение дозы позволяет формировать pnp-транзисторы созначениями fT более 11 ГГц при пробивном напряжении более 13 В для рассматриваемогодиапазона времен отжига;- уменьшение дозы для npn-транзистора приводит к росту граничной частоты иснижению показателя качества fT × UКЭ0.Как уже отмечалось, существенное влияние на параметры КБТ оказывает режимформирования эмиттера.
На рис. 3.54, 3.55 приведены зависимости h21 и fT от времени отжигапри фиксированной толщине эмиттерного поликремния. Из рисунков видно, что варьированиережима формирования эмиттера значительно сказывается на параметрах pnp-транзистора. Этоограничивает возможность повышения дозы имплантации бора для эмиттера p-типа более8e15 см–2, при этом значение энергии не должно превышать 15 кэВ с целью обеспечитьдиапазон изменения времени отжига. Для npn-транзистора повышение дозы имплантации неприводит к отсутствию работоспособности транзистора, при этом для рассматриваемыхрежимов отжига усиление не превышает 150, а граничная частота 13,5 ГГц.а)б)Рис. 3.54 Зависимость а) h21 и б) fT от времени отжига при различных энергиях имплантацииэмиттерного поликремния (0,25 мкм) npn-транзистора114а)б)Рис.
3.55 Зависимость а) h21 и б) fT от времени отжига при различных энергиях имплантацииэмиттерного поликремния (0,25 мкм) pnp-транзистораВ результате анализа режимов формирования активной области КБТ стоит выделить рядособенностей:- исследования параметров КБТ с учетом отжига t = 10 мин. ± 20 % при T = 900 oCпоказали, что коэффициент усиления npn-транзистора при проведенной оптимизации можетизменяться в диапазоне до 200, тогда как концентрация примеси в базе pnp-транзистора непозволяет получать значения h21 более 100 при нормальном функционировании транзистора;- для npn-транзистора снижение энергии имплантации бора менее 10 кэВ во всемдиапазоне исследуемых значений доз приводит к потере работоспособности транзистора;- уменьшение дозы, а также рост времени отжига приводит к снижению значенияпроизведения fT × UКЭ0;- максимальную степень симметрии динамических параметров КБТ удается обеспечитьпри следующих режимах имплантации областей активной базы: npn-транзистор – BF2,E = 11 кэВ, Q = 1,25e15 см–2; pnp-транзистор – сурьма, E = 40 кэВ, Q = 3,125e13 см–2.
Данныережимы обеспечивают fT ~ 11 ГГц, UКЭ0 > 13 В (разбаланс граничной частоты не более 20 %).Таким образом, последовательное рассмотрение всех элементов конструкции КБТпозволило спроектировать СВЧ КБТП, удовлетворяющий закладываемымтребованиям.Конструкции спроектированных СВЧ КБТ представлены на рис. 3.56, обобщенные параметрыэлементов технологического процесса приведены в таблице А.1 приложения к работе.а)б)Рис. 3.56 Конструкции СВЧ КБТ: а) pnp-транзистор, б) npn-транзистор1153.2 Экспериментальные исследованияПроводимые в рамках данной работы исследования конструктивно-технологическихособенностей СВЧ КБТ были использованы при проектировании целого ряда современныхИМС: радиационно-стойкого СВЧ усилителя 1324УВ6 (рис.
3.57, а), источника стабильноготока 1348ЕТ2 (рис. 3.57, б), радиационно-стойкого квадратурного модулятора 1324МП2(рис. 3.57, в). На все указанные изделия были получены охранные документы [316 – 318].а)б)в)Рис. 3.57 Фотографии кристаллов ИМС а) 1324УВ6, б) 1348ЕТ2, в) 1324МП2Для проверки предложенных конструктивно-технологических решений, необходимопредставить сопоставление расчётных и экспериментальных электро-физических характеристикинтегральныхэлементовразличныхтехнологическихпроцессов.Приизмеренияххарактеристик интегральных элементов, применялся анализатор полупроводниковых приборовAgilent B1500, для которого обеспечивается следующая точность проводимых измерений:минимальное разрешение при измерении тока – 0,1 фА; минимальное разрешение приизмерении напряжения – 0,5 мкВ; измерения во временной области с разрешением от 100 мкс.На рис.
3.58 – 3.61 представлено сопоставление характеристик npn- и pnp-транзисторовисследуемого КБТП и технологического процесса HJV для топологии: 1 эмиттер (L = 4 мкм), 2базы, 1 коллектор при различных режимах формирования области активной базы.а)б)Рис. 3.58 Сопоставление характеристик а) IК = f(UКЭ) и б) h21 = f(IК) (UКЭ = 2 В)для npn-транзистора исследуемого КБТП (режим формирования активной базы Q = 8e14 см–2,E = 11 кэВ) и транзистора npn121 из процесса HJV116а)б)Рис.
3.59 Сопоставление характеристик а) IК = f(UКЭ) и б) h21 = f(IК) (UКЭ = 2 В)для npn-транзистора исследуемого КБТП (режим формирования активной базы Q = 6,125e14см–2, E = 11 кэВ) и транзистора npn121 из процесса HJVа)б)Рис. 3.60 Сопоставление характеристик а) IК = f(UКЭ) и б) h21 = f(IК) (UКЭ = 2 В)для pnp-транзистора исследуемого КБТП (режим формирования активной базыQ = 3,125e13 см–2, E = 40 кэВ) и транзистора pnp121 из процесса HJVа)б)Рис. 3.61 Сопоставление характеристик а) IК = f(UКЭ) и б) h21 = f(IК) (UКЭ = 2 В)для pnp-транзистора исследуемого КБТП (режим формирования активной базы Q =1e13 см–2,E = 55 кэВ) и транзистора pnp121 из процесса HJV117Результаты сопоставления зависимостей показывают следующее:- для npn-транзисторов соответствие величины тока коллектора (h21/2) может бытьобеспечено режимом формирования активной базы близким к предельному значению, чтообеспечивает повышение коэффициента усиления по току.
При этом снижается напряжениеЭрли, однако пробивное напряжение UКЭ0 не опускается ниже требуемого значения;- для pnp-транзисторов соответствие может быть достигнуто для двух различныхрежимов,приэтомцелесообразноиспользоватьрежим,обеспечивающийбольшийкоэффициент усиления.На рис.
3.62 представлено сопоставление зависимостей граничной частоты от токаколлектора для выбранных режимов формирования активной базы. Видно, что оптимизациярежимов формирования активной базы может обеспечить большее значение критического токаколлектора (fT/2) примерно в 1,5 раза.Стоит отметить, что сопоставление параметров исследуемого КБТП с параметрамитранзисторов технологического процесса HJV проводилось на основе измерений иэкспериментальных данных, представленных в литературе [50]. Однако, на рис.
3.62 помимозависимостей граничной частоты от тока коллектора, полученных на основе измерений(красный цвет), приведены зависимости (зеленый цвет), рассчитанные с помощью моделиГуммеля-Пуна. Сопоставление с представленными зависимостями показывает, что транзисторыисследуемого КБТП хотя и уступают по значению критического тока, но превосходят позначению граничной частоты.а)б)Рис. 3.62 Сопоставление характеристик fT = f(IК) (UКЭ = 2 В) для а) npn- и б) pnp-транзистораисследуемого КБТП и процесса HJVСтоит, однако, подчеркнуть, что расхождение между экспериментальными данными иSPICE-моделированием, наблюдаемое для малосигнального анализа, не получено примоделированиинапостоянномтоке.Нарис.3.63представленосопоставление118экспериментальныхирасчётныхданныхвыходныхВАХдляспециализированныхтранзисторных кристаллов (фотографии транзисторов представлены на рис. 3.64).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
