CN111081702B - 一种等温分布的介质槽隔离结构SiGeHBT阵列 - Google Patents

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Abstract

一种等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列，应用于无线通信系统、全球定位系统等射频功率集成电路中。由M×N个SiGe HBT单元构成，且每个单元均包含浅槽隔离结构和共用的深槽隔离结构。其中深槽隔离结构用于相邻单元间的隔离，浅槽隔离结构用于单元内部电极间隔离。同时，依据各单元位于SiGe HBT阵列中的位置，浅槽隔离结构深度由中心处向四周呈增大的对称分布；深槽隔离结构距单元中心处长度或宽度按照由中心向两侧呈线性减小的对称分布。与常规SiGe HBT阵列相比，本发明所述SiGe HBT阵列可有效改善各单元峰值结温分布和功率分布均匀性，进而实现稳态和瞬态热效应的同时改善。

Description

一种等温分布的介质槽隔离结构SiGeHBT阵列
技术领域
本发明涉及具有介质槽隔离结构的SiGe HBT阵列，特别是应用于无线通信系统、全球定位系统、汽车雷达等射频功率集成电路中的等温分布介质槽隔离结构SiGe HBT阵列。
背景技术
采用介质槽隔离结构的SiGe异质结双极晶体管(Heterojunction BipolarTransistor，HBT)阵列具有噪声低、动态范围广、高频特性优异等特点，现已广泛应用于无线通信系统、全球定位系统、汽车雷达等射频功率集成电路中。
图1示例了常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列的结构示意图与纵向剖面示意图，它由M×N个SiGe HBT单元构成；且每个SiGe HBT单元均包含浅槽隔离结构和独立的深槽隔离结构。图2示例了常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中SiGe HBT单元的结构和纵向剖面示意图，每个SiGe HBT单元主要由Si集电区(11)、深槽隔离结构(12)、SiGe基区(13)、SiGe外基区(14)、Si发射区(15)、集电极电极(16)、基极电极(17)、发射极电极(18)和浅槽隔离结构(19)构成。同时，常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中每个SiGe HBT单元均具有相同的深槽隔离结构(12)和浅槽隔离结构 (19)。其中深槽隔离结构可有效削弱SiGe HBT单元之间的电学干扰，同时减小集电极-衬底之间的寄生电容；而基极与集电极之间的浅槽隔离结构能够减少基极和集电极之间的泄露电流，从而使得阵列可以承受更大的击穿电压。
然而常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中的深槽隔离结构和浅槽隔离结构均采用SiO2等低热导率的材料进行制备，其中室温下 SiO2材料热导率仅为Si材料热导率的1/100，因此介质槽隔离结构的存在会导致SiGe HBT阵列中各单元温度分布和功率分布变得非常不均匀，加剧了稳态热效应和瞬态热效应，退化了器件性能，从而严重限制了SiGe HBT阵列的高频大功率应用。
因此，如何设计出一种等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列，即在不增加芯片面积的情况下通过合理优化SiGe HBT阵列中深槽隔离结构和浅槽隔离结构来实现SiGeHBT阵列中各单元稳态温度分布均匀性、功率分布均匀性以及瞬态峰值结温一致性的显著改善，从而实现稳态热效应和瞬态热效应的同时改善，具有重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明公开了一种等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列。本发明的一种等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列，其特征在于：所述SiGe HBT阵列由M×N个SiGe HBT单元构成，其中M 和N均为正整数；所述等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中各个SiGe HBT单元之间经由Si集电区(21)和被Si集电区(21) 包围的深槽隔离结构(22)相连；且相邻的SiGe HBT单元之间共用同一个深槽隔离结构(22)；所述SiGe HBT单元包括Si集电区(21)、深槽隔离结构(22)、SiGe基区(23)、SiGe外基区(24)和Si发射区(25)；集电极电极(26)位于Si集电区(21)的上方；基极电极(27)位于SiGe外基区(24)的上方；发射极电极(28)位于 Si发射区(25)的上方；所述SiGe HBT单元还包括位于SiGe外基区(24)下方且被Si集电区(21)包围的浅槽隔离结构(29)。
所述SiGe HBT单元中浅槽隔离结构(29)的深度依据所述SiGe HBT单元位于SiGeHBT阵列中的位置按照由中心处向四周呈增大的对称形式分布。
所述SiGe HBT单元中深槽隔离结构(22)距SiGe HBT单元中心处的长度依据所述SiGe HBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。
所述SiGe HBT单元中深槽隔离结构(22)距SiGe HBT单元中心处的宽度依据所述SiGe HBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。
与常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列相比，所述SiGe HBT阵列中心处的SiGeHBT单元自热热阻显著减小，使得SiGe HBT阵列中各单元的稳态温度分布均匀性、功率分布均匀性大幅改善；同时，所述SiGe HBT阵列中心处的SiGe HBT单元自热时间常数也相应减小，此时SiGe HBT阵列中各单元达到稳态热平衡的时间趋于一致，进而实现了稳态热效应和瞬态热效应的同时改善。
附图说明
结合附图所进行的下列描述，可进一步理解本发明的目的和优点。
在这些附图中：
图1示例了常规的3×3介质槽隔离结构SiGe HBT阵列的结构示意图与纵向剖面图；
图2示例了常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中SiGe HBT 单元的结构示意图和纵向剖面示意图；
图3示例了本发明实施例1的结构示意图与纵向剖面图；
图4示例了本发明实施例1中SiGe HBT单元的结构示意图和纵向剖面示意图；
图5示例了常规的3×3介质槽隔离结构SiGe HBT阵列的温度分布；
图6示例了本发明实施例1的温度分布；
图7示例了本发明实施例1对各个SiGe HBT单元峰值结温分布均匀性的改善；
图8示例了本发明实施例1对各个SiGe HBT单元功率分布均匀性的改善；
图9示例了常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中各个SiGe HBT单元的瞬态峰值结温随时间变化的曲线；
图10示例了本发明实施例1中各个SiGe HBT单元的瞬态峰值结温随时间变化的曲线；
图11示例了常规的5×5介质槽隔离结构SiGe HBT阵列的结构示意图与纵向剖面图；
图12示例了本发明实施例2的结构示意图与纵向剖面图；
图13示例了本发明实施例2对各个SiGe HBT单元峰值结温分布均匀性的改善；
图14示例了本发明实施例2对各个SiGe HBT单元功率分布均匀性的改善；
图15示例了常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中各个SiGe HBT单元的瞬态峰值结温随时间变化的曲线；
图16示例了本发明实施例2中各个SiGe HBT单元的瞬态峰值结温随时间变化的曲线。
具体实施方式
本发明实施例分别以具有3×3个以及5×5个SiGe HBT单元的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列为例，对本发明内容进行具体表述。本发明涉及领域并不限制于此。
实施例1：
本发明实施例公开的一种等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT 阵列，图3示例了本发明实施例1的结构示意图，其中本发明实施例 1由3×3个SiGe HBT单元构成；本发明实施例1中各个SiGe HBT 单元之间经由Si集电区(21)和被Si集电区(21)包围的深槽隔离结构(22)相连；且相邻的SiGe HBT单元之间共用同一个深槽隔离结构(22)，深槽隔离结构厚度(ld)为4μm；本发明实施例中的SiGe HBT单元包括Si集电区(21)、深槽隔离结构(22)、SiGe基区(23)、 SiGe外基区(24)和Si发射区(25)；集电极电极(26)位于Si集电区(21)的上方；基极电极(27)位于SiGe外基区(24)的上方；发射极电极(28)位于Si发射区(25)的上方；本发明实施例中的 SiGe HBT单元还包括位于SiGe外基区(24)下方且被Si集电区(21) 包围的浅槽隔离结构(29)。
所述SiGe HBT单元中浅槽隔离结构(29)的深度(dS)依据所述 SiGe HBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向四周呈增大的对称形式分布。其中，(2,2)单元的dS(2,2)为0.26μm；(2,1)、(2,3)、(1,2)和(3,2)单元具有相同的浅槽深度，即dS(2,1)、dS(2,3)、dS(1,2)、dS(3,2)均为0.30μm；(1,1)、(1,3)、(3,1)和(3,3) 单元具有相同的浅槽深度，即dS(1,1)、dS(1,3)、dS(3,1)、dS(3,3)均为0.31μm。所述SiGe HBT单元中深槽隔离结构(22)距SiGeHBT单元中心处的长度(dL)依据所述SiGe HBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。其中，(2,1)、 (2,2)和(2,3)单元中深槽隔离结构(22)距SiGe HBT单元中心处的长度相同，即dL(2,1)、dL(2,2)、dL(2,3)均为4.07μm；(1,1)、(1,2)、(1,3)、(3,1)、(3,2)和(3,3)单元中深槽隔离结构(22)距 SiGe HBT单元中心处的长度相同，即dL(1,1)、dL(1,2)、dL(1,3)、dL(3,1)、 dL(3,2)、dL(3,3)均为2.69μm。
所述SiGe HBT单元中深槽隔离结构(22)距SiGe HBT单元中心处的宽度(dW)依据所述SiGe HBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。其中，(1,2)、 (2,2)和(3,2)单元中深槽隔离结构(22)距SiGe HBT单元中心处的宽度相同，即dW(1,2)、dW(2,2)、dW(3,2)均为2.62μm；(1,1)、 (2,1)、(3,1)、(1,3)、(2,3)和(3,3)单元中深槽隔离结构 (22)距SiGe HBT单元中心处的宽度相同，即dW(1,1)、dW(2,1)、dW(3,1)、dW(1,3)、dW(2,3)、dW(3,3)均为1.24μm。
为了更好地展现本发明的性能，以具有3×3个SiGe HBT单元的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列为例，对本发明实施例1和常规SiGe HBT阵列的温度分布、SiGe HBT单元的峰值结温分布、耗散功率分布以及瞬态峰值结温随时间的变化进行了对比。
图5和图6分别示例了常规的介质槽隔离结构的SiGe HBT阵列和本发明实施例1的温度分布。可以看出，常规的介质槽隔离结构的 SiGe HBT阵列的峰值结温高达353.376K；而本发明实施例1的峰值结温仅为343.659K，降低了9.717K。
图7示例了本发明实施例1对各个SiGe HBT单元峰值结温分布均匀性的改善。可以看出，常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中单元之间最大峰值结温差为15.32K。本发明实施例1中单元之间最大峰值结温差为2.74K，各单元峰值结温分布均匀性改善达82.11％。
图8示例了本发明实施例1对各个SiGe HBT单元耗散功率分布均匀性的改善。常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中单元之间最大耗散功率差高达0.52mW，本发明实施例1中单元之间最大耗散功率差仅为0.11mW。各单元耗散功率分布均匀性改善达87.78％。
图9和图10分别示例了常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列和本发明实施例1中各个SiGe HBT单元的瞬态峰值结温随时间变化曲线。与常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列相比，本发明实施例 1中各单元的峰值结温随时间变化曲线基本保持一致，各个单元达到热稳态所需时间基本相同，实现了稳态热效应和瞬态热效应的同时改善。
本发明所述的等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列不仅适用于3×3个SiGeHBT单元的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列，还可根据应用需要，设计出具有多个SiGe HBT单元的介质槽隔离结构 SiGe HBT阵列。本发明进一步以具有5×5个SiGe HBT单元的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列为例，给出了具有多个SiGe HBT单元的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列的设计方案。
实施例2：
图11示例了由5×5个SiGe HBT单元构成的常规介质槽隔离结构SiGe HBT阵列的结构示意图。图12示例了本发明实施例2的结构示意图，其中本发明实施例由5×5个SiGeHBT单元构成。
所述SiGe HBT单元中浅槽隔离结构的深度(dS)依据所述SiGe HBT单元位于SiGeHBT阵列中的位置按照由中心处向四周呈增大的对称形式分布。其中，(3,3)单元的dS(3,3)为0.26μm；(2,3)、(3,2)、 (4,3)和(3,4)单元具有相同的浅槽深度，即dS(2,3)、dS(3,2)、dS(4,3)、dS(3,4)均为0.28μm；(2,2)、(2,4)、(4,2)和(4,4)单元具有相同的浅槽深度，即dS(2,2)、dS(2,4)、dS(4,2)、dS(4,4)均为0.29μm；(1,3)、 (3,1)、(5,3)和(3,5)单元具有相同的浅槽深度，即dS(1,3)、dS(3,1)、dS(5,3)、dS(3,5)均为0.30μm；(1,2)、(1,4)、(2,1)、(2,5)、(4,1)、(4,5)、(5,2)和(5,4)单元具有相同的浅槽深度，即 dS(1,2)、dS(1,4)、dS(2,1)、dS(2,5)、dS(4,1)、dS(4,5)、dS(5,2)、dS(5,4)均为0.31μm；(1,1)、(1,5)、(5,1)和(5,5)单元具有相同的浅槽深度，即dS(1,1)、dS(1,5)、dS(5,1)、dS(5,5)均为0.32μm。
所述SiGe HBT单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的长度(dL)依据所述SiGe HBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。更精确地，实施例2 的SiGe HBT单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的长度按照如下公式进行设计，
dLn＝0.67×n+1.94 n＝1,2,3 (1)
其中n＝1时，dL1为实施例2上下两个最外侧行(第1、5行)各单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的长度；n＝2时，dL2为实施例2第2、4行各单元中深槽隔离结构距SiGeHBT单元中心处的长度；n＝3时，dL3为实施例2中心行(第3行)各单元中深槽隔离结构距SiGeHBT单元中心处的长度。实施例2各单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的长度的平均值为3.15μm。此时，SiGe HBT 单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的长度按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。其中，(3,1)、(3,2)、(3,3)、 (3,4)和(3,5)单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的长度相同，即dL(3,1)＝dL(3,2)＝dL(3,3)＝dL(3,4)＝dL(3,5)＝dL3＝3.95μm；(2,1)、 (2,2)、(2,3)、(2,4)、(2,5)、(4,1)、(4,2)、(4,3)、 (4,4)和(4,5)单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的长度相同，即dL(2,1)＝dL(2,2)＝dL(2,3)＝dL(2,4)＝dL(2,5)＝dL(4,1)＝dL(4,2)＝dL(4,3)＝dL(4,4)＝dL(4,5)＝dL2＝3.28μm；(1,1)、(1,2)、(1,3)、(1,4)、 (1,5)、(5,1)、(5,2)、(5,3)、(5,4)和(5,5)单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的长度相同，即dL(1,1)＝dL(1,2)＝dL(1,3)＝dL(1,4)＝dL(1,5)＝dL(5,1)＝dL(5,2)＝dL(5,3)＝dL(5,4)＝dL(5,5)＝dL1＝2.61μm。
所述SiGe HBT单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的宽度(dW)依据所述SiGe HBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。更精确地，实施例2 的SiGe HBT单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的宽度按照如下公式进行设计，
dWn＝0.67×n+0.49 n＝1,2,3 (2)
其中n＝1时，dW1为实施例2左右两个最外侧列(第1、5列)各单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的宽度；n＝2时，dW2为实施例2第2、4列各单元中深槽隔离结构距SiGeHBT单元中心处的宽度；n＝3时，dW3为实施例2中心列(第3列)各单元中深槽隔离结构距SiGeHBT单元中心处的宽度。实施例2各单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的宽度的平均值为1.70μm。此时，SiGe HBT 单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的宽度按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。其中，(1,3)、(2,3)、(3,3)、(4,3)和(5,3)单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的宽度相同，即dW(1,3)＝dW(2,3)＝dW(3,3)＝dW(4,3)＝dW(5,3)＝dW3＝2.50μm；(1,2)、 (2,2)、(3,2)、(4,2)、(5,2)、(1,4)、(2,4)、(3,4)、 (4,4)和(5,4)单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的宽度相同，即dW(1,2)＝dW(2,2)＝dW(3,2)＝dW(4,2)＝dW(5,2)＝dW(1,4)＝dW(2,4)＝dW(3,4)＝dW(4,4)＝dW(5,4)＝dW2＝1.83μm；(1,1)、(2,1)、(3,1)、(4,1)、 (5,1)、(1,5)、(2,5)、(3,5)、(4,5)和(5,5)单元中深槽隔离结构距SiGe HBT单元中心处的宽度相同，即dW(1,1)＝dW(2,1)＝dW(3,1)＝dW(4,1)＝dW(5,1)＝dW(1,5)＝dW(2,5)＝dW(3,5)＝dW(4,5)＝dW(5,5)＝dW1＝1.16μm。
为了更好地展现本发明的性能，以具有5×5个SiGe HBT单元的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列为例，对本发明实施例和常规SiGe HBT阵列单元的峰值结温分布、耗散功率分布以及瞬态峰值结温随时间的变化进行了对比。
图13示例了本发明实施例2对各个SiGe HBT单元峰值结温分布均匀性的改善。可以看出，常规的介质槽隔离结构的SiGe HBT阵列的峰值结温高达362.31K；而本发明实施例2的峰值结温仅为 351.36K，降低了10.95K。常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中单元之间最大峰值结温差为15.52K。本发明实施例2中单元之间最大峰值结温差为6.77K，各单元峰值结温分布均匀性改善达56.3％。
图14示例了本发明实施例2对各个SiGe HBT单元耗散功率分布均匀性的改善。常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中单元之间最大耗散功率差高达0.12mW，本发明实施例2中单元之间最大耗散功率差仅为0.07mW。各单元耗散功率分布均匀性改善达39.1％。
图15和图16分别示例了常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列和本发明实施例2中各个SiGe HBT单元的瞬态峰值结温随时间变化曲线。与常规的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列相比，本发明实施例 2中各单元的峰值结温随时间变化曲线趋于一致，各个单元达到热稳态所需时间趋于相同，实现了稳态热效应和瞬态热效应的同时改善。
上述结果均显示了本发明实施例的优越性，本发明对设计和制造一种等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列具有重要的理论和实际意义。

Claims (1)

1.一种等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列，其特征在于：
由M×N个SiGe HBT单元构成，其中M和N均为正整数；所述等温分布的介质槽隔离结构SiGe HBT阵列中各个SiGe HBT单元之间经由Si集电区(21)和被Si集电区(21)包围的深槽隔离结构(22)相连；且相邻的SiGe HBT单元之间共用同一个深槽隔离结构(22)；
所述SiGe HBT单元包括Si集电区(21)、深槽隔离结构(22)、SiGe基区(23)、SiGe外基区(24)和Si发射区(25)；集电极电极(26)位于Si集电区(21)的上方；基极电极(27)位于SiGe外基区(24)的上方；发射极电极(28)位于Si发射区(25)的上方；
所述SiGe HBT单元还包括位于SiGe外基区(24)下方且被Si集电区(21)包围的浅槽隔离结构(29)；
所述SiGe HBT单元中浅槽隔离结构(29)的深度依据所述SiGe HBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向四周呈增大的对称形式分布；
所述SiGe HBT单元中深槽隔离结构(22)距SiGe HBT单元中心处的长度依据所述SiGeHBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布；
所述SiGe HBT单元中深槽隔离结构(22)距SiGe HBT单元中心处的宽度依据所述SiGeHBT单元位于SiGe HBT阵列中的位置按照由中心处向两侧呈线性减小的对称形式分布。
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