專利名稱：硅鍺射頻功率晶體管發(fā)射極分配方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及縱向雙極晶體管和制造雙極功率晶體管的方法，所述功率晶體管主要打算用于高頻應(yīng)用，特別是射頻應(yīng)用。
技術(shù)狀態(tài)用于高頻功率放大的雙極晶體管，對(duì)于給定電源電壓和工作頻率必須滿足關(guān)于功率放大、耐用性、擊穿電壓、噪音、失真、容量、輸入和輸出阻抗等等大量細(xì)節(jié)要求?，F(xiàn)代通信電子學(xué)的工作頻率從幾百M(fèi)Hz變化到幾十GHz。功率晶體管在高信號(hào)電平和高功率密度下工作，其中在外殼內(nèi)可以使用幾個(gè)并聯(lián)的元件。
硅是最常用于頻率至少在3GHz以下的雙極功率晶體管的半導(dǎo)體材料。集電極層被外延淀積在襯底上，并且通過后續(xù)反復(fù)的進(jìn)行氧化、光刻、蝕刻、摻雜、淀積等等，形成該晶體管結(jié)構(gòu)。同樣，因?yàn)楣柚须娮颖瓤昭ㄓ懈叩倪w移率，故主要是npn型功率晶體管被用于前面提到的應(yīng)用。流過晶體管結(jié)構(gòu)的電流一般垂直于在該結(jié)構(gòu)底部更高摻雜的子集電極區(qū)。金屬化互連層被形成在該結(jié)構(gòu)的更上面。
對(duì)于

圖1，通過改變集電極104、基極端101和/或發(fā)射極102的摻雜程度，有可能獲得不同類型的頻率響應(yīng)和擊穿特性。不同的橫向/縱向幾何結(jié)構(gòu)使晶體管具有不同的電流容量。
RF信號(hào)的放大，給功率晶體管造成幾個(gè)工作和設(shè)計(jì)限制。為了使高頻電流增益盡可能高，晶體管必須能夠處理相當(dāng)高的集電極電流。從基極端101流到發(fā)射極區(qū)102的基極電流引起基極區(qū)103中沿著發(fā)射極區(qū)102的橫向電位下降。發(fā)射極-基極結(jié)的正向偏壓Vbe(x)因此會(huì)向發(fā)射極中心降低，導(dǎo)致電流密度向發(fā)射極邊緣聚集。這可以用下式表示Ic=Io(evb0(x)kT-1)]]>其中Ic是集電極電流，Io是基極電流，Vbe(x)是橫向變化的發(fā)射極-基極結(jié)的正向偏壓，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度。
電流聚集是雙極晶體管在較高電流密度時(shí)發(fā)生的共同問題，它提高了給定總電流下的峰值電流密度。圖1通過雙極晶體管的主截面圖，描述了經(jīng)過發(fā)射極和基極區(qū)的電流聚集效應(yīng)。虛線代表基極電流，實(shí)線代表集電極電流。
圖2描述主集電極示意圖，表示由中間集電極區(qū)感應(yīng)電壓降造成的準(zhǔn)-飽和區(qū)，其中高集電極電流引起基極-集電板結(jié)成為局部正向偏壓。這個(gè)影響舉例來說提高了在基極區(qū)中存儲(chǔ)的凈電荷，由此在晶體管特性中產(chǎn)生非線性，并降低截止頻率。由于在這個(gè)工作區(qū)中晶體管的非線性特性，故進(jìn)入準(zhǔn)-飽和區(qū)會(huì)導(dǎo)致高頻諧波失真。
常規(guī)的硅雙極功率晶體管使用鎮(zhèn)流電阻器來限制進(jìn)入每一個(gè)發(fā)射極指條的電流。為了保持偏置到圖2所示的晶體管工作區(qū)的線性區(qū)，使用鎮(zhèn)流電阻器導(dǎo)致需要更高的電源電壓。此外，鎮(zhèn)流電阻器通常有非線性特性。
下面的公式描述了fT、fmax以及另外兩個(gè)相關(guān)的晶體管寄生現(xiàn)象Rb和Cbc之間的關(guān)系fmax=fT8πRbCbc]]>其中fmax代表晶體管單位功率增益的最大頻率，fT是晶體管電流增益達(dá)到1時(shí)的頻率，Rb是基極電阻，Cbc是發(fā)射極-基極結(jié)的電容。由于基極電阻Rb在高頻下影響功率增益，故它應(yīng)該保持盡可能低?；鶚O電阻是在基極電流從基極觸點(diǎn)到基極電流進(jìn)入發(fā)射極區(qū)處的路徑上影響基極電流的電阻。
常規(guī)RF功率晶體管的高電流密度和輸出功率導(dǎo)致有源芯片區(qū)域溫度升高。常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)硅雙極晶體管的電流增益是熱激活的。在較高的溫度，上面的情況變得不穩(wěn)定，并且如果電流不被限制，會(huì)發(fā)生破壞性的熱擊穿。使用長(zhǎng)的發(fā)射極指條或大面積發(fā)射極，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)的中心比接近邊緣處有更高的溫升，由于在中心熱的散發(fā)更受限制，因此進(jìn)一步增加熱擊穿的危險(xiǎn)。由于大多數(shù)常規(guī)失效機(jī)制是熱激活的，故應(yīng)該避免高的芯片溫度。此外，比如移動(dòng)電話之類的器件有進(jìn)一步對(duì)芯片溫度添加約束的有限冷卻能力。
如圖3所示，設(shè)計(jì)來處理大電流和高功率的常規(guī)硅RF功率晶體管，通常被設(shè)計(jì)成利用幾個(gè)發(fā)射極指條，每個(gè)大約20-40μm。然后通過并聯(lián)許多晶體管單元310而形成整個(gè)晶體管。使用長(zhǎng)而窄的發(fā)射極指條311有助于縮短基極電流的路徑。
限制流到每一個(gè)發(fā)射極指條311的電流的發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻器312是處理常規(guī)硅雙極晶體管的熱擊穿的常規(guī)方法。為每一個(gè)發(fā)射極指條311附加一個(gè)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻器312。發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻器312被要求具有相應(yīng)于實(shí)際電阻值的有限尺寸，因此限定了發(fā)射極指條311的數(shù)量。
由于在高電流密度下，電位降沿著接觸發(fā)射極區(qū)的長(zhǎng)的發(fā)射極指的金屬觸點(diǎn)升高，故使用長(zhǎng)而窄的發(fā)射極指條也產(chǎn)生另外的問題，由此進(jìn)一步增加局部電流密度，根據(jù)如上所述的 ，也就是電壓降減少(Vbe)，因此減少局部集電極電流。
為了通過增加熱耗散面積來應(yīng)付局部的受熱，每一個(gè)發(fā)射極提高的溫度要求各晶體管單元在大面積上的分布。需要用來并聯(lián)所有單元的附加引線，因此引起晶體管寄生現(xiàn)象。
整個(gè)晶體管包括多個(gè)發(fā)射極區(qū)，舉例來說大于或等于大約1000個(gè)，沒有上限，其中發(fā)射極區(qū)的實(shí)際數(shù)量取決于要求的載流容量。發(fā)射極區(qū)經(jīng)過通孔或金屬接觸柱被直接并聯(lián)連接到晶體管的高載流金屬層。
在本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方案中，一個(gè)發(fā)射極區(qū)的尺寸是0.5×2.0μm，但發(fā)射極區(qū)的尺寸應(yīng)該被制作得小到工藝設(shè)計(jì)規(guī)則允許的程度，以便允許發(fā)射極區(qū)周長(zhǎng)與面積比率的增加，對(duì)于給定的電流，這減少了峰值電流密度。本發(fā)明的方案不使用鎮(zhèn)流電阻器(在常規(guī)雙極功率晶體管中是需要的)而得以實(shí)施。
詳細(xì)說明圖4描述本發(fā)明的示例晶體管420的一部分的主要輪廓。整個(gè)晶體管包括多個(gè)發(fā)射極區(qū)421，舉例來說超過大約1000個(gè)，最好與最小設(shè)計(jì)規(guī)則允許的數(shù)目那樣多。發(fā)射極區(qū)421經(jīng)由通孔或金屬接觸柱422被直接并聯(lián)連接到晶體管的高載流金屬層(未示出)。在本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方案中，功率晶體管420是由使用SiGe制成的基極區(qū)的SiGe異質(zhì)雙極工藝來制作。
SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)的電流增益實(shí)際上獨(dú)立于溫度。由于局部熱擊穿在物理上是不可能的，故這個(gè)性質(zhì)使得沒有必要使用發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻器。關(guān)于另外的SiGe的性質(zhì)和典型SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)工藝的材料，可以參考D.L.Harame，Si/SiGeEpitaxial-Base Transistors-Part IMaterials，Physics，andCircuits，IEEE Trans.Electron Devices，Vol.42，No.3，1995，其內(nèi)容在這里全部引為參考。
如圖4所描述，將各發(fā)射極區(qū)分配在幾個(gè)小區(qū)域中，舉例來說大約0.5×2.0μm的區(qū)域中，通過省略使用鎮(zhèn)流電阻器來實(shí)際實(shí)現(xiàn)，這提高了周長(zhǎng)對(duì)面積的比率。周長(zhǎng)對(duì)面積比率的提高由此導(dǎo)致準(zhǔn)-飽和開始處的更高的集電極電流限制。晶體管線性因此增加。
在本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方案中，發(fā)射極區(qū)421的尺寸應(yīng)該被制作成小到工藝設(shè)計(jì)規(guī)則允許的程度，以便允許發(fā)射極區(qū)421周長(zhǎng)對(duì)面積比率的增加(例如大于大約4)，對(duì)于給定的電流，這減少了峰值電流密度。
在本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方案中，形成發(fā)射極區(qū)周邊的每一邊與基極接觸423相鄰，使得基極電流在該發(fā)射極區(qū)的四邊被引入。通過在發(fā)射極區(qū)的四邊引入電流，基極電阻從而被降低，因此提高功率增益。
此外，既然在本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方案中，每一個(gè)發(fā)射極區(qū)421的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于常規(guī)發(fā)射極指條的長(zhǎng)度，故發(fā)射極下面產(chǎn)生的功率能沿額外的兩個(gè)方向耗散，由此提高功率耗散。這個(gè)額外的功率耗散在發(fā)射極區(qū)421產(chǎn)生更低的溫度升高。例如，與常規(guī)的20μm發(fā)射極指條相比，對(duì)于依照本發(fā)明的長(zhǎng)度約為2.0μm的發(fā)射極，中心到邊緣的溫度升高被降低了大約兩倍。
參照示例實(shí)施方案已經(jīng)描述了本發(fā)明。然而，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然可以以不同于上面所述的特定形式來使用本發(fā)明，而不偏離本發(fā)明的構(gòu)思。上述的實(shí)施方案是描述性的，而決不應(yīng)該被認(rèn)為是限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是前面的描述給出，并且認(rèn)為權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有變動(dòng)或等價(jià)物都包括在其中。
權(quán)利要求
1.一種功率晶體管，包含并聯(lián)連接的多個(gè)發(fā)射極區(qū)；多個(gè)基極接觸；其中所述多個(gè)發(fā)射極區(qū)的每一個(gè)與至少四個(gè)基極接觸相鄰。
2.權(quán)利要求1的功率晶體管，其中所述功率晶體管由SiGe異質(zhì)雙極工藝制作。
3.權(quán)利要求1的功率晶體管，其中所述功率晶體管還包含基極區(qū)，其中所述基極區(qū)由SiGe制成。
4.權(quán)利要求1的功率晶體管，其中所述多個(gè)發(fā)射極區(qū)大于或等于1000個(gè)。
5.權(quán)利要求1的功率晶體管，其中所述多個(gè)發(fā)射極區(qū)的每一個(gè)的所述長(zhǎng)度小于或等于大約2μm，并且其中所述多個(gè)發(fā)射極區(qū)的每一個(gè)的所述寬度小于或等于大約2μm。
6.權(quán)利要求1的功率晶體管，其中所述功率晶體管是無鎮(zhèn)流電阻器的。
7.權(quán)利要求1的功率晶體管，其中所述功率晶體管是雙極功率晶體管。
8.權(quán)利要求1的功率晶體管，其中所述功率晶體管被用于RF頻率應(yīng)用。
9.權(quán)利要求1的功率晶體管，其中所述功率晶體管結(jié)合低壓電源使用。
10.一種制造功率晶體管的方法，所述功率晶體管具有基極區(qū)，所述方法包含下列步驟并聯(lián)連接多個(gè)發(fā)射極區(qū)；產(chǎn)生與所述多個(gè)發(fā)射極區(qū)的每一個(gè)相鄰的至少四個(gè)基極接觸。
11.權(quán)利要求10的方法，所述功率晶體管具有基極區(qū)，其中所述基極區(qū)由SiGe制成。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述多個(gè)發(fā)射極區(qū)大于大約1000個(gè)。
13.權(quán)利要求10的方法，其中所述多個(gè)發(fā)射極區(qū)的每一個(gè)的所述長(zhǎng)度小于或等于大約2μm，并且其中所述多個(gè)發(fā)射極區(qū)的每一個(gè)的所述寬度小于或等于大約2μm。
14.權(quán)利要求10的方法，其中所述功率晶體管是無鎮(zhèn)流電阻器的。
15.權(quán)利要求10的方法，其中所述功率晶體管是雙極功率晶體管。
16.權(quán)利要求10的方法，其中所述功率晶體管被用于RF頻率應(yīng)用。
17.權(quán)利要求10的方法，其中所述功率晶體管結(jié)合低壓電源使用。
全文摘要
一種功率晶體管包括多個(gè)發(fā)射極區(qū)(421)和多個(gè)基極接觸(423)。為了降低基極電阻,多個(gè)發(fā)射極區(qū)(421)的每一個(gè)與至少四個(gè)基極接觸(423)相鄰。整個(gè)晶體管包括許多發(fā)射極區(qū)(421),舉例來說大于或等于大約1000個(gè),沒有上限,其中發(fā)射極區(qū)(421)的實(shí)際數(shù)量取決于需要的載流容量。發(fā)射極區(qū)(421)經(jīng)由通孔或金屬接觸柱(421)被直接并聯(lián)連接到晶體管的高載流金屬層。發(fā)射極區(qū)(421)的尺寸應(yīng)該被制成工藝設(shè)計(jì)規(guī)則允許的那樣小,以便能夠提高發(fā)射極區(qū)(421)的周長(zhǎng)對(duì)面積的比率,對(duì)于給定的電流,這樣可以降低峰值電流密度。
文檔編號(hào)H01L21/331GK1333922SQ99815558
公開日2002年1月30日 申請(qǐng)日期1999年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月12日
發(fā)明者P·O·布蘭德特, L·蒂利 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司