CN1352806A - 改进的射频功率晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种用于制造硅双极功率高频晶体管器件的方法。还披露了按照本发明的方法的晶体管器件。所述晶体管器件确保在操作期间用于维持合适的BVCER的条件,从而避免集电极发射极击穿。按照所述方法,沿着在构成硅双极晶体管的衬底的半导体片上的硅双极晶体管(1)的至少一侧设置集成电阻(20)。并且所述集成电阻被连接在硅双极晶体管(1)的基极(2)和发射极(3)的端子之间。附加的集成电阻(20)是在所述半导体片上的扩散型p+电阻,或在绝缘层顶上设置的NiCr电阻。在具有集成的发射极镇流电阻的互相交叉的晶体管结构中,添加的电阻(20)将同时和形成镇流电阻的步骤一起制造。

Description

改进的射频功率晶体管
技术领域
本发明涉及一种硅双极射频功率晶体管，尤其涉及一种用在蜂窝基站、电视发射机等中的使用高压电源的离散晶体管。
发明背景
用作高频功率放大的双极晶体管被广泛地用于通信系统的输出部分中。高频晶体管在50年代后期首先利用锗制造，但是在60年代初期很快便被硅双极晶体管代替，并从此占领了射频功率领域[1]。对于蜂窝无线电通信，双极晶体管在基站输出放大器中正在占据统治地位，并可以得到高达2GHz，100瓦输出功率的性能，并具有好的稳定性、可靠性和价格。对于这类应用可供选择的其它技术是GaAs MESFET和横向扩散的MOS晶体管(LD-MOS)。因为快速扩展的通信市场，进一步改进现有技术以及开发新的类型的器件具有强大的驱动力。目前计算机工具不仅能够预测在实际应用中的详细的行为或性能，而且主要借助于实验方法可以实现最佳性能。
功率晶体管专门被设计用于提供高的输出功率和高的增益。为此目的，制造工艺、器件参数、布局和封装已经进行过仔细地调整。这些器件需要满足许多详细的要求，其中包括击穿电压、直流增益或跨导、电容、射频增益、耐用性、噪声系数、输入/输出阻抗、失真等。工作频率范围从几百MHz到GHz。功率晶体管在大的信号值和高的电流密度下操作。当必须考虑特殊的要求时，起始输出功率大约是1瓦，和“正常”的IC型晶体管相比，这可作为功率器件的不精确的定义。
双极晶体管通常被设计成在一个小片上只使用n型(即NPN)器件。集电极层(n-外延)被外延地淀积在n+衬底上。基极和发射极通过在外延层的顶部扩散或离子植入而形成。借助于改变掺杂的分布图形，可以实现不同的频率和击穿电压特性。输出功率要求高达几百瓦，有时几千瓦，并借助于在一个小片上并联许多晶体管元件或者借助于在一个封装内并联几个小片实现高的输出功率。封装通常具有大的镀金的散热器，以便除去由芯片产生的热量。
关于直流数据，BVCEO(当基极开路时的集电极-发射极击穿电压)是最受限制的参数，按照常规被设计为大于VCC(对于这类器件一般的电源电压范围为24-28伏)。关于晶体管击穿电压和电流增益β或hFE的关系的熟知的实验公式如下(见参考文献[2])： BV CEO = BV CBO β n - - - ( 1 )
其中BVCEO已经被定义过，BVCBO是在发射极开路时的集电极-基极击穿电压，n是和BC结击穿的性质有关的实验常数，通常在2.5到4.5之间。对于给定的外延掺杂和器件设计(常数n)，BVCBO是常数，此时BVCEO和β直接相关：较高的β产生较低的BVCEO。n可以借助于不同的掺杂分布图形被改进，以便确保BVCBO的性质尽可能接近一维结(one-dimensional)的情况。
为了获得能够输出高功率的器件，应当尽可能高的选择集电极层的掺杂，以便抑制高电流现象，例如克尔效应。高掺杂的集电极层也具有损耗区域较小的优点，这使得能够选择较薄的外延层，具有较小的寄生电阻和较好的高频性能，不受厚度限制的击穿的限制。其问题是按照公式(1)增加的集电极掺杂不可避免地导致低的BVCBO，因而导致低的BVCEO。
为了获得具有高的功率增益的器件，β必须不太低。功率增益GP可以用下面的关系表示(可参见文献[3])： G p ( f ) ≈ β 1 + β 2 ( f f max ) 4 - - - - ( 2 )
其中β是零频率增益(hFE)，fmax是最大振荡频率，或者当功率增益等于单位功率增益时的频率。在f＝1GHz时的不同的fmax值情况下的hFE对GP的按照公式(2)的曲线如图1所示。由所述曲线可以得出结论，高的fmax和不太低的β对于好的射频功率增益是有害的。
因为借助于集电极掺杂而获得的输出功率和借助于β而获得的功率增益和BVCEO之间的关系，如果低的BVCEO可以被接受，将导致射频功率晶体管的最重要的参数的重大改进。
因此，数据表可以规定BVCER，代替规定BVCEO。当设计放大器时，一个小电阻被连接在基极和发射极之间，以便确保基极永远不会完全开路。如果电阻足够小，则BVCER将接近BVCES，其接近于(略低)BVCBO图2示出了对于不同的集电极击穿电压的特性。
由上述可见，如果BVCEO小于VCC，则必须使用外部电阻，以便确保器件的安全工作，所述电阻在电路板上占据附加的空间。所述电阻的值取决于器件的尺寸，求取最佳的值可能是有问题的，并且需要一些实验，以便在求取所述的值时不破坏器件。如果以任何方式所述电阻和电路断开，例如在评价期间，焊接不良等，所述晶体管便被破坏。
发明概述
通过按照本发明在基极和发射极之间在双极射频功率晶体管半导体片上集成电阻，将确保能够获得BVCER总被满足的条件。
因此，在半导体片上为BVCER而需要集成电阻能够简化具有低的寄生的BVCEO的晶体管的使用。
按照本发明的方法由独立权利要求1和从属权利要求2-5提出。按照本发明的其它的晶体管器件由独立权利要求6提出，并且其它的实施例由从属权利要求7-10提出。
附图的简要说明
本发明及其其它目的和优点通过结合附图参看以下的说明将会看得更加清楚，其中：
图1说明在1GHz下作为直流增益hFE和fmax的函数的功率(射频)增益；
图2说明对于不同的集电极击穿电压的特性；
图3示意地说明外部的或集成的BE电阻的第一种可能性；
图4示意地说明完全集成的BE电阻的第二可能性；
图5说明一种典型的射频功率晶体管的布局；
图6是图5所示的射频功率晶体管的截面图；以及
图7说明按照本发明在图5的布局内附加BE电阻。
本发明的详细说明
图5所示是一种典型的双极晶体管布局。所示的晶体管结构和在硅衬底的背面上的集电极接点垂直。所述结构的上部的截面如图6所示。
目前大多数现代射频双极功率晶体管含有大量的并联的晶体管部分，以便借助于分布大量的电流、减少寄生现象和提供热传输获得高的功率容量。最普通的布局方案，互相交叉的布局，由并联的交替的基极指和发射极区域构成，它们由在硅的顶部上的金属化的带连接。图5所示是一种具有有源区域4的典型的晶体管元件布局。标号2表示基极端连接焊盘，标号3表示发射极端连接焊盘，同时如同已经说明的，衬底的背面形成集电极端接焊盘。
如果晶体管的基极偏压保持恒定并且温度增加，则Vbe减少并且集电极电流增加。如果没有其它影响，这种条件可以使晶体管进入“热失控”状态，其中电流达到使晶体管破坏的值。避免这种情况的一种方法是使用和发射极串联的电阻。随着集电极电流的增加，Vbe被减少，因而基极电流减少。最好把所述发射极电阻连同阵列中的每个有源晶体管设置在硅芯片上。用这种方式，和发射极电阻串联的电感被保持最小。所述发射极电阻通常被称为镇流电阻。在图5的阵列中，由标号8表示镇流电阻。
图6表示图5所示的典型的互相交叉元件的截面的示意的详图。标号11表示在n-外延衬底材料12的顶部上的p型基极层。在基极区域材料中，可以看到一个n+掺杂的发射极区域13和两个p+掺杂的基极接触区域10。基极接触区域10还利用金属化部分22连接，发射极接触区域13还利用金属化部分22连接。然后，一对发射极金属化部分利用图5所示的叉状端接指7组合。金属化的指7通过镇流电阻8和发射极端连接焊盘3相连。相应地，基极金属化部分被组合用于和在按照图5的结构的上部的基极端连接焊盘2相连。在按照图6的截面图的结构中，还可以看到氧化物层15和16以及氮化物层14和氮化物钝化层17。图5和图6说明普通的硅平面技术的使用。在一种典型的1GHz的技术中，被规定为发射极到基极的周期距离的间距是4-5微米，并且发射极和基极开口的宽度一般是1到1.5微米。硅化物，例如PtSi，通常用于发射极和基极开口中，使得降低接触电阻，并因而降低寄生基极电阻。为了进一步确保在金属和半导体材料之间的好的扩散阻挡层，可以按照在我们的美国专利5821620中披露的用于微电路互连的金属化方案使用多层的TiW/TiW(N)/TiW阻挡层。所述专利在此列为参考[5]。没有中间的器件绝缘，因而整个硅衬底构成集电极。
通过在双极射频功率晶体管半导体片上在基极和发射极之间集成电阻，将确保用于获得总能满足合适的BVCER的条件。
图3和图4表示具有集成的RBE的半导体片的电路图，表示两种不同的可能性，其中图3的电路对应于目前的利用外部电阻的一种优选的解决办法。
图7所示是一个如何添加BE电阻20的一个例子。所述电阻在至少阵列结构的一侧不过最好在阵列结构的两侧(图5的左右侧)和基极以及发射极金属化部分相连。图7的实施例代表图3的电路。
可以使用若干不同的方法在半导体片上形成集成电阻。其中3种通常使用的方法是扩散电阻、多晶硅电阻和金属电阻，例如NiCr。为了实现高压器件操作和如前所述的发射极镇流，需要在发射极区域和发射极连接(发射极焊盘)之间集成分布式电阻。集成其它的无源元件，例如电容器，也是已知的(参见[4])。
可以利用上述的方法的任何方法(扩散，聚合，NiCr)形成实际的BE电阻，不过最好使用和强制的发射极镇流电阻相同的方法。电阻值一般由电阻的面积(端子之间的平方的尺寸)和掺杂选择。可以使用和镇流电阻相同的掺杂方法，其是一种具有可调剂量的离子注入法，通常利用掩模，所述掩模是只在电阻区域上的开口。不过，因为镇流电阻通常需要在研制阶段期间对于新的电阻和新的应用进行调节，为了工程应用的目的最好使用一个附加的掩模用于独立地选择BE电阻的掺杂值(和布局组合)。
至少对于利用多晶硅作为发射极和基极接触的晶体管，在晶体管结构内实现BE电阻将是一种精细而十分先进的方法，此时的电阻也是多晶硅的。在这种情况下，所述电阻必须按照图4进行连接，但是必须小心，以便不使RE镇流电阻的效果变劣。
当添加的BE电阻是在n-集电极外延上的扩散p+时，必须确保基极/发射极电压总是小于集电极电压，但是这是正常时的情况。当应用多晶硅或NiCr电阻时，这些电阻被置于绝缘层15，16的顶上(图6的左部)，因此可以使用相对于集电极衬底的任何电压。这些电阻还是有益的，因为其重要的BC电容比扩散型电阻的低。
对于在本例中使用的布局，BE电阻的典型值是10欧姆。
这种解决方案的一个轻微的缺点是其增加基极-发射极偏流，这将影响效率，例如，被定义为η＝PRF，out/Pdc，in的集电极效率。所述的增加十分小，并且在一般应用领域使用的器件和例如用于低压手持装置中的器件相比，对效率没有特殊要求。
然而，重要的优点是通过集成的BE电阻而获得整体的保护，这总是存在的，从而确保用于维持BVCER的正确值的条件，以便避免集电极到发射极的击穿。
在利用互相交叉结构的集成的BE电阻的本发明的另一个实施例中，在芯片上各个发射极镇流电阻还具有旁路电容，用于增加RF功率晶体管的增益。
本领域技术人员应当理解，不脱离由权利要求限定的构思，可以作出本发明的各种改变和改型。
参考文献
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[5]S.-H.Hong，U.S.Patent No.5,821,620 issued Oct.13，1998.

Claims (10)

1.一种用于制造硅双极功率高频晶体管的方法，用于确保维持合适的BVCER的条件，从而避免集电极发射极击穿，其特征在于包括下列步骤：
沿着在构成硅双极晶体管的衬底的半导体片上的硅双极晶体管(1)的至少一侧设置集成电阻(20)，以及
在硅双极晶体管(1)的基极(2)和发射极(3)的端子之间连接所述集成电阻。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在半导体片上形成作为扩散型p+电阻(20)的集成电阻的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在绝缘层的顶上产生作为多晶硅或NiCr的集成电阻(20)的步骤。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，还包括在形成至少一个发射极镇流电阻(8)的同时在硅双极晶体管的基极(2)和发射极(3)端子之间制造集成电阻(20)的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括对于被集成在形成硅双极晶体管(1)的半导体片中的至少一个发射极镇流电阻(8)引入旁路电容的步骤。
6.一种确保维持合适的BVCER的条件从而避免集电极发射极击穿的功率晶体管器件，其特征在于，
沿着在构成硅双极晶体管的衬底的半导体片上的硅双极晶体管(1)的至少一侧的集成电阻(20)，所述集成电阻被连接在硅双极晶体管(1)的基极(2)和发射极(3)的端子之间。
7.如权利要求6所述的功率晶体管器件，其特征在于，所述集成电阻(20)是在半导体片上的扩散型p+电阻，借以确保基极/发射极电压总是小于集电极电压。
8.如权利要求6所述的功率晶体管器件，其特征在于集成电阻(20)是在绝缘层的顶上设置的多晶硅或NiCr电阻。
9.如权利要求6所述的功率晶体管器件，其特征在于，所述晶体管(1)是包括互相交叉结构的射频功率晶体管，其具有集成的发射极镇流电阻(8)，用于阻止热失控。
10.如权利要求9所述的功率晶体管器件，其特征在于，所述射频功率晶体管的每个集成的发射极镇流电阻(8)具有集成的旁路电容，用于增加射频功率晶体管的增益。
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