專利名稱：半導(dǎo)體集成電路器件及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括雙極晶體管的低噪聲、高增益半導(dǎo)體集成電路器件，和設(shè)計這種低噪聲、高增益半導(dǎo)體集成電路器件的方法。
近年來，以低功率要求、低噪聲和高增益為特征的高頻放大器對于移動通信領(lǐng)域中的應(yīng)用變得更加重要。要求在這種高頻放大器中使用的雙極晶體管具有更好的噪聲和增益特性。對于這種高頻放大器來說，降低總噪聲系數(shù)是重要的。因此，對于所用的晶體管，需要高頻放大器具有改善的噪聲特性，同時保持所需的功率增益。然而，由于要在晶體管的功率增益特性和噪聲特性之間進(jìn)行折衷，因而難于以低成本制造能滿足希望的功率增益特性和噪聲特性的晶體管。
日本特許專利公開No.7-254608披露了具有相同發(fā)射極面積的雙極晶體管。所披露的晶體管包括在一定電流范圍內(nèi)具有良好噪聲特性的晶體管結(jié)構(gòu)，和具有良好增益的晶體管結(jié)構(gòu)。這些晶體管結(jié)構(gòu)用于不同的電路中。
附圖的

圖1(a)到1(f)示出在日本特許專利公開No.7-254608中披露的雙極晶體管。圖1(a)到1(c)分別是具有單發(fā)射極結(jié)構(gòu)的雙極晶體管的平面圖、剖面圖和等效電路圖，圖1(d)到1(f)分別是具有多發(fā)射極結(jié)構(gòu)的雙極晶體管的平面圖、剖面圖和等效電路圖。如圖1(b)和1(e)所示，在p型Si襯底110上依次設(shè)置了n+埋層111和n型集電極層112，在n型集電極層112上依次設(shè)置了基極層113，發(fā)射極層114和器件隔離絕緣膜115。
在圖1(a)到1(c)中，單個發(fā)射極層114設(shè)置在基極層113中。在圖1(d)到1(f)中，兩個發(fā)射極層114設(shè)置在基極層113中。多發(fā)射極結(jié)構(gòu)的每個發(fā)射極層114的寬度是個單發(fā)射極結(jié)構(gòu)的發(fā)射極層114的寬度的一半。但單發(fā)射極結(jié)構(gòu)的總發(fā)射極面積與多發(fā)射極結(jié)構(gòu)的總發(fā)射極面積相同。
附圖的圖2示出圖1(a)到1(f)所示常規(guī)雙極晶體管的集電極電流和噪聲系數(shù)及功率增益之間的關(guān)系。如圖2所示，在一定集電極電流范圍內(nèi)，有多個發(fā)射極的多發(fā)射極雙極晶體管比有單個發(fā)射極的單發(fā)射極雙極晶體管的噪聲系數(shù)低。另一方面，在整個集電極電流范圍內(nèi)，單發(fā)射極雙極晶體管的功率增益好于多發(fā)射極雙極晶體管。這兩種雙極晶體管被簡單地用于不同電路中，而沒有通過器件和電路的途徑改善這些噪聲系數(shù)和功率增益特性。
常規(guī)雙極晶體管存在如下缺點第一，不易區(qū)別電路中更應(yīng)著重于功率增益特性的器件部分和更應(yīng)著重于噪聲特性的器件部分，因此使器件設(shè)計復(fù)雜。
第二，單發(fā)射極雙極晶體管中的總發(fā)射極面積與多發(fā)射極雙極晶體管中的總發(fā)射極面積相同。即，這些雙極晶體管具有不同的發(fā)射極長度，表明在一個電路中有具有不同發(fā)射極結(jié)構(gòu)的多個雙極晶體管。
常規(guī)雙極晶體管不屬于帶有由多晶硅或類似物質(zhì)構(gòu)成的基區(qū)的所謂自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。通常，對于工作在高頻范圍，如GHz范圍的雙極晶體管來說，通過減小基極電阻來改善高頻特性是重要的。因此，就噪聲系數(shù)和功率增益而言，帶有由多晶硅構(gòu)成的基極電極的雙極晶體管優(yōu)于常規(guī)的非自對準(zhǔn)雙極晶體管。有更短發(fā)射極寬度的雙極晶體管在發(fā)射極上往往會有插塞效應(yīng)(plug effect)，因為發(fā)射極接點的長寬比大于非自對準(zhǔn)雙極晶體管。
插塞效應(yīng)是這樣一種現(xiàn)象，即當(dāng)雜質(zhì)從發(fā)射區(qū)開始擴(kuò)散時，雜質(zhì)在帶有較小發(fā)射極寬度的晶體管結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散程度小于在帶有較大發(fā)射極寬度的晶體管結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散程度。一般，考慮到插塞效應(yīng)，在制造過程中調(diào)節(jié)晶體管的熱曲線(thermal history)，以優(yōu)化帶有較小發(fā)射極寬度的晶體管結(jié)構(gòu)的發(fā)射極-基極結(jié)的深度。因此，在帶有較大發(fā)射極寬度的晶體管結(jié)構(gòu)中，發(fā)射極雜質(zhì)因插塞效應(yīng)更深地擴(kuò)散，往往會引起發(fā)射極和集電極之間的擊穿。為此，為了以高生產(chǎn)率穩(wěn)定地制造晶體管，在電路中采用單一的固定的晶體管尺寸是重要的。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體集成電路器件，該器件容易設(shè)計，采用自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，并具有單一的晶體管尺寸，被用作低噪聲、高功率增益高頻放大器。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種半導(dǎo)體集成電路器件，該器件包括含多個晶體管的一個多級放大器，該多級放大器具有包括多個雙極晶體管的第一級，每個雙極晶體管具有單發(fā)射極結(jié)構(gòu)，雙極晶體管相互并聯(lián)連接。
雙極晶體管可有共同的集電極。
每個雙極晶體管可包括具有由多晶硅構(gòu)成的發(fā)射極電極和基極電極的自對準(zhǔn)雙極晶體管。
每個雙極晶體管可具有長度范圍從20到30μm和寬度范圍從0.5到0.8μm的發(fā)射極。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種設(shè)計半導(dǎo)體集成電路器件的方法，該器件具有含多個晶體管的多級放大器，該方法包括構(gòu)造含多個雙極晶體管的多級放大器的第一級的步驟，每個雙極晶體管具有單發(fā)射極結(jié)構(gòu)，雙極晶體管相互并聯(lián)連接。
從本發(fā)明人所做的實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過簡單地將一個發(fā)射極尺寸的自對準(zhǔn)雙極晶體管相互并聯(lián)連接，可簡單地降低噪聲水平而不引起增益的明顯降低。利用本發(fā)明的上述構(gòu)造，半導(dǎo)體集成電路器件提供了這種優(yōu)勢，并能夠以降低的噪聲水平放大輸入信號。
附圖的圖3示出雙極晶體管的總集電極電流IC(mA)和噪聲系數(shù)NFmin(dB)之間的關(guān)系。附圖的圖4示出雙極晶體管的集電極電流IC(mA)和正向傳遞增益|S21e|2之間的關(guān)系。圖3和圖4各畫出了單個最小晶體管，兩個并聯(lián)連接晶體管和四個并聯(lián)連接晶體管的關(guān)系曲線。在圖3和圖4的每一個中，類型A表示有0.8μm的發(fā)射極寬度和1.6μm的發(fā)射極長度的雙極晶體管，類型B表示有0.8μm的發(fā)射極寬度和6.4μm的發(fā)射極長度的雙極晶體管。與類型A和類型B相關(guān)的數(shù)字表示并聯(lián)連接的晶體管數(shù)。
如從圖3和4可看出的，隨著并聯(lián)連接的晶體管數(shù)的增加，噪聲水平減小，并且正向傳遞增益增加。被比較的晶體管具有不同的總發(fā)射極面積。圖3和4示出了晶體管類型B，它具有單發(fā)射極結(jié)構(gòu)，其發(fā)射極面積與由四個并聯(lián)連接的最小晶體管類型A構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的發(fā)射極面積相同。如圖4所示，這些結(jié)構(gòu)之間的比較表明單發(fā)射極結(jié)構(gòu)的正向傳遞增益稍好于由四個并聯(lián)連接的最小晶體管類型A構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的正向傳遞增益，但如圖3所示，由四個并聯(lián)連接的最小晶體管類型A構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的噪聲水平低于單發(fā)射極結(jié)構(gòu)的噪聲水平。由于正向傳遞增益被保持在至少為25dB的原有水平，因此低噪聲放大器的晶體管之間的增益差別并不明顯，但在降低噪聲系數(shù)方面更有優(yōu)勢。
在多數(shù)集成電路中，放大器被設(shè)計成多級。在每一級中，放大器完成電壓增益、電流增益或輸入-輸出阻抗變換功能。一般，為增大總的放大因數(shù)，廣泛采用以級聯(lián)的方式連接放大器。具體來說，是將具有不同噪聲系數(shù)和功率增益的多個放大器級聯(lián)連接。如果多級集成電路的第J級放大器增益為Gj，噪聲系數(shù)為Fj，則多級集成電路的噪聲功率之和F由下式表示F=F1+(F2-1)/G1+…+Fn-1/(G1(G2…Gn-1)該公式被稱為Friss公式。從上述公式可理解，如果第一級的增益G1足夠高，則既使在第二級和后面各級的噪聲系數(shù)較大時，它們也只有較小的影響。
因此，如果屬于單發(fā)射極結(jié)構(gòu)并且有相同發(fā)射極尺寸的第一級放大器的雙極晶體管相互并聯(lián)連接，則所得到的集成電路的功率增益特性和噪聲特性最好。
本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將從參照附圖所做的下面描述中變得顯而易見，這些附圖示出了本發(fā)明的實例。
圖1(a)到1(f)示出常規(guī)雙極晶體管；圖2是示出圖1(a)到1(f)所示常規(guī)雙極晶體管的集電極電流和噪聲系數(shù)及功率增益之間關(guān)系的示意圖；圖3是示出自對準(zhǔn)雙極晶體管的集電極電流和噪聲系數(shù)之間關(guān)系的示意圖；圖4是示出自對準(zhǔn)雙極晶體管的集電極電流和正向傳遞增益之間關(guān)系的示意圖；圖5(a)到5(c)示出用于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的放大器中的晶體管；圖6(a)和6(b)是帶有根據(jù)本發(fā)明的晶體管的放大器電路圖；圖7(a)和7(b)是示出硅襯底上的放大器布局的示意圖；圖8(a)到8(c)示出用于根據(jù)本發(fā)明第二實施例的放大器中的晶體管；圖9(a)和9(b)是示出噪聲系數(shù)如何隨晶體管發(fā)射極尺寸變化的曲線圖；和圖10(a)和10(b)是示出功率增益與晶體管發(fā)射極尺寸的相關(guān)性的曲線圖。
圖5(a)到5(c)示出用于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的放大器中的基本晶體管。具體來說，圖5(a)是單發(fā)射極結(jié)構(gòu)的基本晶體管的平面圖，圖5(b)是該基本晶體管的剖面圖。
如圖5(a)和5(b)所示，基本晶體管包括基極(B)擴(kuò)散層1，集電極(C)擴(kuò)散層2，基極多晶硅區(qū)3，發(fā)射極(E)多晶硅區(qū)4，基極多晶硅區(qū)3上的接點5，發(fā)射極多晶硅區(qū)4上的接點6，集電極擴(kuò)散層2上的接點7,p+掩埋層8,p阱9,Si襯底10，器件隔離絕緣膜15，和層間絕緣膜16。該晶體管屬于帶有由多晶硅或類似物質(zhì)構(gòu)成的基區(qū)的所謂自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。為隔離雙極晶體管器件提供p+掩埋層8和p阱9，并將它們設(shè)置成包圍雙極晶體管。
圖5(c)是示出三個并聯(lián)連接的晶體管的示意圖，每個晶體管作為圖5(a)和5(b)中所示基本晶體管，具有相同的尺寸。通過鋁互連線17將三個并聯(lián)連接的晶體管的基極、發(fā)射極和集電極相互連接。
圖6(a)是包含根據(jù)本發(fā)明的晶體管的放大器電路圖。該放大器包括兩級發(fā)射極接地放大器和發(fā)射極跟隨緩沖器。將從信號源施加到輸入端IN上的輸入信號提供給電容C1，該電容C1使來自輸入信號的DC分量截止。然后輸入信號被提供給包括由晶體管Q1、Q2構(gòu)成的放大器。電阻R1-R6用來給晶體管Q1、Q2提供自偏置，而電容C1、C2起防止放大因數(shù)降低的作用，用于高頻補(bǔ)償。發(fā)射極跟隨緩沖器包括晶體管Q3和電阻R7，用于為下一級電路的工作保證足夠的電流。在圖6(a)中晶體管Q1被作為單個晶體管示出，但實際上該晶體管Q1包括三個相互并聯(lián)的晶體管Q，如圖6(b)所示，晶體管Q與晶體管Q2、Q3有相同的結(jié)構(gòu)和尺寸。如果晶體管Q2與晶體管Q1為相同結(jié)構(gòu)，則該放大器的噪聲系數(shù)將增加。因此，只有放大器的第一級包括并聯(lián)連接的晶體管。
圖7(a)和7(b)示出硅襯底上的放大器布局。具體地說，圖7(a)說明晶體管Q1-Q3，電阻R1-R7和電容C1-C4的布局。該兩級放大器的晶體管和電容被表示為用虛線包圍，并且相互并聯(lián)連接，構(gòu)成該放大器。
圖7(b)說明各元件連接的方式。從圖7(b)可看出，由于電容占據(jù)了比晶體管大得多的面積，因此任何由兩級放大器的并聯(lián)連接的晶體管帶來的面積的增加幾乎不成為問題。
圖8(a)到8(c)示出用于根據(jù)本發(fā)明第二實施例的放大器中的晶體管。
如圖8(a)到8(c)所示，在襯底上有共同的集電極的兩個晶體管被用作基本元件。這些相互并聯(lián)的晶體管被用于放大器的第一級。與圖5(a)到5(c)中所示晶體管的部分相同的晶體管各個部分用同一參考數(shù)字表示，在下面將不作詳細(xì)描述。
利用根據(jù)第二實施例的構(gòu)造，被晶體管占據(jù)的面積減小，而并聯(lián)連接的晶體管數(shù)量增加。
為實現(xiàn)上述優(yōu)點，限制所用晶體管發(fā)射極的尺寸。圖9(a)和9(b)示出噪聲系數(shù)如何隨晶體管發(fā)射極尺寸變化。具體地說，圖9(a)示出噪聲系數(shù)和集電極電流之間關(guān)系與發(fā)射極長度的相關(guān)性，圖9(b)示出噪聲系數(shù)和集電極電流之間關(guān)系與發(fā)射極寬度的相關(guān)性。在圖9(a)和9(b)中，當(dāng)發(fā)射極長度和發(fā)射極寬度增大時，虛線參考曲線移動到實線曲線，而當(dāng)發(fā)射極長度和發(fā)射極寬度減小時，虛線參考曲線移動到點劃線曲線。這些曲線的移動對應(yīng)于基極電阻和集電極-基極和基極-發(fā)射極寄生電容的變化。因此，發(fā)射極長度與功率增益和噪聲系數(shù)有折衷關(guān)系。
圖10(a)和10(b)示出功率增益與晶體管發(fā)射極尺寸的相關(guān)性。具體地說，圖10(a)示出功率增益與發(fā)射極長度的相關(guān)性，10(b)示出功率增益與發(fā)射極寬度的相關(guān)性。對圖10(a)的研究表明當(dāng)發(fā)射極長度增加時，功率增益增加，但在某一發(fā)射極長度功率增益開始下降。這是因為當(dāng)發(fā)射極長度增加時，晶體管的總尺寸增加，使寄生電容的增加超過基極電阻的下降。如從圖10(b)可看出的，當(dāng)發(fā)射極寬度增加時，功率增益連續(xù)下降。這是因為當(dāng)發(fā)射極寬度增加時，寄生電容和基極電阻也增加。
因此，為降低噪聲系數(shù)和增加功率增益，發(fā)射極長度的確定依賴于要設(shè)定的集電極電流值。雖然發(fā)射極寬度最好盡可能小，但對它的確定依賴于發(fā)射極的插塞效應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明人所做的實驗，最適宜的實際發(fā)射極尺寸就發(fā)射極長度而言是20-30μm，就發(fā)射極寬度而言是0.5-0.8μm。但是，這些值隨雙極晶體管的布局而改變，因為它們是根據(jù)寄生電容和寄生電阻之間的平衡確定的。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體集成電路器件提供下列優(yōu)點由于只有一種基本晶體管，該半導(dǎo)體集成電路器件容易設(shè)計。
因為不需要在各自的電路中使用單發(fā)射極和多發(fā)射極晶體管的工藝，可在短時間內(nèi)設(shè)計電路。
盡管具體描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但這種描述只是用于說明的目的，應(yīng)該理解可在不脫離下面權(quán)利要求的實質(zhì)和范圍的情況下對其做出變化和改型。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體集成電路器件，包括含多個晶體管的一個多級放大器，所述多級放大器具有包括多個雙極晶體管的第一級，每個雙極晶體管具有單發(fā)射極結(jié)構(gòu)，所述雙極晶體管相互并聯(lián)連接。
2．如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體集成電路器件，其特征在于，所述雙極晶體管具有共同的集電極。
3．如權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體集成電路器件，其特征在于，每個所述雙極晶體管包括具有由多晶硅構(gòu)成的發(fā)射極電極和基極電極的自對準(zhǔn)雙極晶體管。
4．如權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體集成電路器件，其特征在于，每個所述雙極晶體管具有長度范圍從20到30μm和寬度范圍從0.5到0.8μm的發(fā)射極。
5．一種設(shè)計半導(dǎo)體集成電路器件的方法，該器件具有一個含多個晶體管的多級放大器，該方法包括下列步驟構(gòu)造含多個雙極晶體管的所述多級放大器的第一級，每個雙極晶體管有單發(fā)射極結(jié)構(gòu)，所述雙極晶體管相互并聯(lián)連接。
6．如權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所述雙極晶體管具有共同的集電極。
全文摘要
一種半導(dǎo)體集成電路器件,包括:含多個晶體管的多級放大器。該多級放大器具有包括多個雙極晶體管的第一級,每個雙極晶體管具有單發(fā)射極結(jié)構(gòu)。該雙極晶體管相互并聯(lián)連接。該半導(dǎo)體集成電路器件容易設(shè)計,屬于自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu),具有單一的晶體管尺寸。該半導(dǎo)體集成電路器件可用作低噪聲、高功率增益的高頻放大器。
文檔編號H01L21/02GK1213180SQ9811939
公開日1999年4月7日 申請日期1998年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月29日
發(fā)明者木下靖 申請人:日本電氣株式會社