CN1190850C - 硅锗射频功率晶体管发射极分配方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种功率晶体管包括多个发射极区(421)和多个基极接触(423)。为了降低基极电阻,多个发射极区(421)的每一个与至少四个基极接触(423)相邻。整个晶体管包括许多发射极区(421),举例来说大于或等于大约1000个,没有上限,其中发射极区(421)的实际数量取决于需要的载流容量。发射极区(421)经由通孔或金属接触柱(421)被直接并联连接到晶体管的高载流金属层。发射极区(421)的尺寸应该被制成工艺设计规则允许的那样小,以便能够提高发射极区(421)的周长对面积的比率,对于给定的电流,这样可以降低峰值电流密度。

Description

硅锗射频功率晶体管发射极分配方法和系统
技术领域
本发明涉及纵向双极晶体管和制造双极功率晶体管的方法,所述功率晶体管主要打算用于高频应用,特别是射频应用。
背景技术
用于高频功率放大的双极晶体管,对于给定电源电压和工作频率必须满足关于功率放大、耐用性、击穿电压、噪音、失真、容量、输入和输出阻抗等等大量细节要求。现代通信电子学的工作频率从几百MHz变化到几十GHz。功率晶体管在高信号电平和高功率密度下工作,其中在外壳内可以使用几个并联的元件。
硅是最常用于频率至少在3GHz以下的双极功率晶体管的半导体材料。集电极层被外延淀积在衬底上,并且通过后续反复的进行氧化、光刻、蚀刻、掺杂、淀积等等,形成该晶体管结构。同样,因为硅中电子比空穴有更高的迁移率,故主要是npn型功率晶体管被用于前面提到的应用。流过晶体管结构的电流一般垂直于在该结构底部更高掺杂的子集电极区。金属化互连层被形成在该结构的更上面。
对于图1,通过改变集电极104、基极端101和/或发射极102的掺杂程度,有可能获得不同类型的频率响应和击穿特性。不同的横向/纵向几何结构使晶体管具有不同的电流容量。
RF信号的放大,给功率晶体管造成几个工作和设计限制。为了使高频电流增益尽可能高,晶体管必须能够处理相当高的集电极电流。从基极端101流到发射极区102的基极电流引起基极区103中沿着发射极区102的横向电位下降。发射极-基极结的正向偏压Vbe(x)因此会向发射极中心降低,导致电流密度向发射极边缘聚集。这可以用下式表示:
I c = I o ( e v be ( x ) kT - 1 )
其中Ic是集电极电流,Io是基极电流,Vbe(x)是横向变化的发射极-基极结的正向偏压,k是玻尔兹曼常数,T是温度。
电流聚集是双极晶体管在较高电流密度时发生的共同问题,它提高了给定总电流下的峰值电流密度。图1通过双极晶体管的主截面图,描述了经过发射极和基极区的电流聚集效应。虚线代表基极电流,实线代表集电极电流。
图2描述主集电极示意图,表示由中间集电极区感应电压降造成的准-饱和区,其中高集电极电流引起基极-集电极结成为局部正向偏压。这个影响举例来说提高了在基极区中存储的净电荷,由此在晶体管特性中产生非线性,并降低截止频率。由于在这个工作区中晶体管的非线性特性,故进入准-饱和区会导致高频谐波失真。
常规的硅双极功率晶体管使用镇流电阻器来限制进入每一个发射极指条的电流。为了保持偏置到图2所示的晶体管工作区的线性区,使用镇流电阻器导致需要更高的电源电压。此外,镇流电阻器通常有非线性特性。
下面的公式描述了fT、fmax以及另外两个相关的晶体管寄生现象Rb和Cbc之间的关系:
f max = f T 8 π R b C bc
其中fmax代表晶体管单位功率增益的最大频率,fT是晶体管电流增益达到1时的频率,Rb是基极电阻,Cbc是发射极-基极结的电容。由于基极电阻Rb在高频下影响功率增益,故它应该保持尽可能低。基极电阻是在基极电流从基极触点到基极电流进入发射极区处的路径上影响基极电流的电阻。
常规RF功率晶体管的高电流密度和输出功率导致有源芯片区域温度升高。常规标准硅双极晶体管的电流增益是热激活的。在较高的温度,上面的情况变得不稳定,并且如果电流不被限制,会发生破坏性的热击穿。使用长的发射极指条或大面积发射极,导致在结构的中心比接近边缘处有更高的温升,由于在中心热的散发更受限制,因此进一步增加热击穿的危险。由于大多数常规失效机制是热激活的,故应该避免高的芯片温度。此外,比如移动电话之类的器件有进一步对芯片温度添加约束的有限冷却能力。
如图3所示,设计来处理大电流和高功率的常规硅RF功率晶体管,通常被设计成利用几个发射极指条,每个大约20-40μm。然后通过并联许多晶体管单元310而形成整个晶体管。使用长而窄的发射极指条311有助于缩短基极电流的路径。
限制流到每一个发射极指条311的电流的发射极镇流电阻器312是处理常规硅双极晶体管的热击穿的常规方法。为每一个发射极指条311附加一个发射极镇流电阻器312。发射极镇流电阻器312被要求具有相应于实际电阻值的有限尺寸,因此限定了发射极指条311的数量。
由于在高电流密度下,电位降沿着接触发射极区的长的发射极指的金属触点升高,故使用长而窄的发射极指条也产生另外的问题,由此进一步增加局部电流密度,根据如上所述的 I c = I o ( e v be ( x ) kT - 1 ) 也就是电压降减少(Vbe),因此减少局部集电极电流。
为了通过增加热耗散面积来应付局部的受热,每一个发射极提高的温度要求各晶体管单元在大面积上的分布。需要用来并联所有单元的附加引线,因此引起晶体管寄生现象。
发明内容
本发明提供了一种功率晶体管的新结构,它使用SiGe工艺来解决上述问题。本发明的一种功率晶体管,包含:并联连接的多个发射极区;多个基极接触;其中所述多个发射极区的每一个与四个基极接触相邻,且其中所述多个发射极区的每一个通过所述基极接触与其它发射极区隔开,其中所述多个发射极区的每一个具有四边,它形成所述多个发射极区的每一个的周界,且其中所述四个基极接触中的至少一个与每一边直接相对。
整个晶体管包括多个发射极区,举例来说大于或等于大约1000个,没有上限,其中发射极区的实际数量取决于要求的载流容量。发射极区经过通孔或金属接触柱被直接并联连接到晶体管的高载流金属层。
本发明的一种制造根据权利要求1的功率晶体管的方法,所述功率晶体管具有基极区,所述方法包含下列步骤:并联连接多个发射极区;产生与所述多个发射极区的每一个相邻的四个基极接触,其中所述多个发射极区的每一个通过所述基极接触与其它发射极区隔开;其中所述多个发射极区的每一个具有四边,它形成所述多个发射极区的每一个的周界,且其中所述四个基极接触中的至少一个与每一边直接相对。
在本发明的一个示例实施方案中,一个发射极区的尺寸是0.5×2.0μm,但发射极区的尺寸应该被制作得小到工艺设计规则允许的程度,以便允许发射极区周长与面积比率的增加,对于给定的电流,这减少了峰值电流密度。本发明的方案不使用镇流电阻器(在常规双极功率晶体管中是需要的)而得以实施。
附图说明
本发明将在下面参照附图的详细说明中被更详细描述,附图仅仅是用来描述本发明,而决不是用来限制本发明的范围,其中:
图1描述通过双极晶体管的截面的电流聚集效应;
图2描述主集电极特性曲线;
图3描述一个常规的功率晶体管单元;以及
图4描述依照本发明的示例晶体管的一部分的俯视图。
具体实施方式
图4描述本发明的示例晶体管420的一部分的主要轮廓。整个晶体管包括多个发射极区421,举例来说超过大约1000个,最好与最小设计规则允许的数目那样多。发射极区421经由通孔或金属接触柱422被直接并联连接到晶体管的高载流金属层(未示出)。在本发明的一个示例实施方案中,功率晶体管420是由使用SiGe制成的基极区的SiGe异质双极工艺来制作。
SiGe异质结双极晶体管(HBT)的电流增益实际上独立于温度。由于局部热击穿在物理上是不可能的,故这个性质使得没有必要使用发射极镇流电阻器。关于另外的SiGe的性质和典型SiGe异质结双极晶体管(HBT)工艺的材料,可以参考D.L.Harame,Si/SiGeEpitaxial-Base Transistors-Part I:Materials,Physics,andCircuits,IEEE Trans.Electron Devices,Vol.42,No.3,1995,其内容在这里全部引为参考。
如图4所描述,将各发射极区分配在几个小区域中,举例来说大约0.5×2.0μm的区域中,通过省略使用镇流电阻器来实际实现,这提高了周长对面积的比率。周长对面积比率的提高由此导致准-饱和开始处的更高的集电极电流限制。晶体管线性因此增加。
在本发明的一个示例实施方案中,发射极区421的尺寸应该被制作成小到工艺设计规则允许的程度,以便允许发射极区421周长对面积比率的增加(例如大于大约4),对于给定的电流,这减少了峰值电流密度。
在本发明的一个示例实施方案中,形成发射极区周边的每一边与基极接触423相邻,使得基极电流在该发射极区的四边被引入。通过在发射极区的四边引入电流,基极电阻从而被降低,因此提高功率增益。
此外,既然在本发明的一个示例实施方案中,每一个发射极区421的长度远小于常规发射极指条的长度,故发射极下面产生的功率能沿额外的两个方向耗散,由此提高功率耗散。这个额外的功率耗散在发射极区421产生更低的温度升高。例如,与常规的20μm发射极指条相比,对于依照本发明的长度约为2.0μm的发射极,中心到边缘的温度升高被降低了大约两倍。
参照示例实施方案已经描述了本发明。然而,对本领域的技术人员来说,显然可以以不同于上面所述的特定形式来使用本发明,而不偏离本发明的构思。上述的实施方案是描述性的,而决不应该被认为是限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述给出,并且认为权利要求范围内的所有变动或等价物都包括在其中。

Claims (19)

1.一种功率晶体管(420),包含:
并联连接的多个发射极区(421);
多个基极接触(423);
其中所述多个发射极区(421)的每一个与四个基极接触(423)相邻,且其中所述多个发射极区(421)的每一个通过所述基极接触(423)与其它发射极区(421)隔开,
其中所述多个发射极区(421)的每一个具有四边,它形成所述多个发射极区(421)的每一个的周界,且其中所述四个基极接触(423)中的至少一个与每一边直接相对。
2.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述功率晶体管(420)是SiGe异质结双极晶体管。
3.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述功率晶体管(420)还包含基极区,其中所述基极区由SiGe制成。
4.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述多个发射极区(421)大于或等于1000个。
5.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述多个发射极区(421)的每一个的长度小于或等于2μm,并且其中所述多个发射极区(421)的每一个的宽度小于或等于2μm。
6.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述功率晶体管(420)是无镇流电阻器的。
7.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述功率晶体管(420)是双极功率晶体管。
8.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述功率晶体管(420)被用于RF频率应用。
9.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述功率晶体管(420)结合低压电源使用。
10.权利要求1的功率晶体管(420),其中所述多个发射极区(421)的每一个为0.5×2.0μm,从而具有导致准饱和开始处更高集电极电流限制的周长对面积的比率。
11.一种制造根据权利要求1的功率晶体管(420)的方法,所述功率晶体管(420)具有基极区,所述方法包含下列步骤:
并联连接多个发射极区(421);
产生与所述多个发射极区(421)的每一个相邻的四个基极接触(423),其中所述多个发射极区(421)的每一个通过所述基极接触(423)与其它发射极区(421)隔开;其中所述多个发射极区(421)的每一个具有四边,它形成所述多个发射极区(421)的每一个的周界,且其中所述四个基极接触(423)中的至少一个与每一边直接相对。
12.权利要求11的方法,所述功率晶体管(420)具有基极区,其中所述基极区由SiGe制成。
13.权利要求11的方法,其中所述多个发射极区(421)大于1000个。
14.权利要求11的方法,其中所述多个发射极区(421)的每一个的长度小于或等于2μm,并且其中所述多个发射极区(421)的每一个的宽度小于或等于2μm。
15.权利要求11的方法,其中所述功率晶体管(420)是无镇流电阻器的。
16.权利要求11的方法,其中所述功率晶体管(420)是双极功率晶体管。
17.权利要求11的方法,其中所述功率晶体管(420)被用于RF频率应用。
18.权利要求11的方法,其中所述功率晶体管(420)结合低压电源使用。
19.权利要求11的方法,其中所述多个发射极区(421)的每一个为0.5×2.0μm,从而具有导致准饱和开始处更高集电极电流限制的周长对面积的比率。
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