SE515836C3 - Förfarande för tillverkning av en bipolär högfrekvent kiseltransistor samt effekttransistoranordning - Google Patents

Description

515 856 2 tas med i beräkningen och kan tjäna som en lös definition av för en effektanordning i jämförelse med en "normal" transistor av IC-typ.

En bipolär transistor är vanligen konstruerad med användning av endast en anordning av n-typ (dvs. NPN) på en enda bricka. Ett kollektorskikt (n- epi) deponeras epitaxiellt på ett nflsubstrat. Basen och emittern utformas genom diffusion eller jonimplantering vid översidan av det epitaxiella skiktet.

Genom att variera dopningsprofilema är det möjligt att uppnå olika karaktäristiker för frekvens och genombrottsspänning. Utgångseffektkraven går upp till åtskilliga hundra watt, ibland till och med kilowatt, och den höga utgångseffekten uppnås genom att parallellkoppla många transistorceller på en enda bricka, eller parallellkoppla flertalet brickor i en kapsel. Kapslarna har ofta stora guldpläterade kylare för att avlägsna värme alstrad av halvledarbrickan.

För likströmsdata är BVCEO (kollektor-emittergenombrottsspänningen med öppen bas) den mest begränsande parametern, traditionellt konstruerad att vara högre än VCC (24-28 V matningsspänning är ett allmänt område för denna klass av anordningar). En välkänd empirisk formel sambandet mellan transistorgenombrottsspänning och strörnförstärkning, ß eller hFE, fastslår (se även referens [2]): BV - BVC” (1) CEO ü där BVCEQ redan har definierats, BVcBo är kollektor-basgenombrotts- spänningen med öppen emitter, och n är en empirisk konstant, vanligen mellan 2,5 och 4,5, relaterad till arten av baskollektorövergångsgenom- brottet. För en given epi-dopning och anordningsdesign (konstant n), kommer BVCBO vara konstant och då BVci-:o och ß är direkt korrelerade: högre ß ger lägre BVC-EQ. n kan förbättras genom olika dopningsprofiltricks för att säkerställa att arten av BVcEo är så nära som möjligt till det endimensionella övergångsfallet. 515 836 ~3 För att erhålla en anordning i stånd till hög utgångseffekt, skall dopningen av kollektorskiktet väljas så hög som möjlig, som alltså därmed undertrycker högströmsfenomen såsom Kirk-effekten. Ett högdopat kollektorskikt har också fördelen att ha mindre utarmningsområde, vilket gör det möjligt att välja ett tunnare epi-skikt med mindre parasitisk resistans och bättre högfrekvensprestanda, utan att begränsas av tjockleksbegränsat genom- brott. Problemet är att ökad kollektordopning oundvikligen leder till ett lågt BVcBo och följaktligen ett lågt BVcEo i enlighet med ekvation (1).

För att erhålla en anordning som är i stånd till hög effektförstärkning får inte ß vara alltför lågt. Effektförstärkningen Gp kan beskrivas genom följande samband (se även referens [3]): Gm ~ --ß-_ <2) där ß är nollfrekvensförstärkningen (hf-E) och fmax är den mximala oscillationsfrekvensen, eller frekvensen där effektförstärkningen är lika med ett. Ett diagram från ekvation (2) med hm gentemot Gp, visas i figur 1 för olika fmax-värden vid f = 1 GHz. Ur detta diagram kan det sammanfattas att ett högt fmax och inte allför lågt ß är till förfång för en bra RF- effektförstärkning.

På grund av sambanden mellan uteffekt via kollektordopning, effekt- förstärkning via ß och BVcso, om ett lågt BVcEo kan accepteras, kommer detta att leda till signifikanta förbättringar av de flesta viktiga parametrarna för RF-effekttransistorer.

På grund av detta kan datablad specificera BVCER istället för BVcEo. Ett litet motstånd är kopplat mellan basen och emittern vid konstruktionen av förstärkaren för att säkerställa att basen aldrig är fullt öppen. Om motståndet är tillräckligt litet kommer BVcER att närma sig BVcEs, som är 1 5 8 3 6 Å/ nära (något lägre) BVCBQ. Karaktäristiken för de olika kollektorgenombrotts- spänningarna visas i figur 2.

Som uppenbart ur föregående stycke, om BVCEO är lägre än VCC måste en yttre resistor, som upptar ytterligare plats på ett kretskort, användas för att säkerställa säker funktion för anordningen. Värdet är beroende på anord- ningens storlek och ett optimal värde kan vara problematiskt att ñnna och kräver viss erfarenhet för att inte förstöra anordningen medan värdet söks.

Om, på något sätt motståndet urkopplas från kretsen, t.ex. under utvärderingar, genom dålig lödning etc., kan transistom skadas.

SAMMANFATTNING Genom att integrera ett motstånd på den bipolära RF-transistors halvledar- bricka, mellan bas och emitter i enlighet med den föreliggande uppfinningen, kommer det att säkerställas att förutsättningarna att erhålla BVcER alltid kommer att uppfyllas.

Därför att integrera motståndet nödvändigt för BVCER i halvledarbrickan resulterar i att användningen av transistorer med ett inneboende lågt BVCEO förenklas.

Ett förfarande i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av det oberoende patentkravet l och de beroende patentkraven 2 - 5. Vidare fast- ställs en transistoranordning i enlighet med den föreliggande uppfinningen genom det oberoende patentkravet 6 och ytterligare utföringsformer fast- ställs av de beroende patentkraven 7 - 10.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med ytterligare ändamål och fördelar med denna kan bäst förstås genom hänvisning till den följande beskrivningen studerad tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: 515 856 S) FIG. 1 illustrerar (RF) effektförstårkningen vid l GHz som en funktion av likströmsförstärkningen hfe och fmax, FIG. 2 illustrerar karakteristiker för de olika kollektorgenombrottsspän- ningarna, FIG. 3 illustrerar schematiskt en första möjlighet för ett yttre eller integre- rat BE-motstånd, FIG. 4 illustrerar schematiskt en andra möjlighet för ett fullt integrerat BE-motstånd, FIG. 5 illustrerar en typisk RF-effekttransístorlayout, FIG. 6 år en genomskärning av RF-effekttransistorn visad i FIG. 5, och FIG. 7 illustrerar i enlighet med den föreliggande uppfinningen adder- andet av ett BE-motstånd i layouten i enlighet med FIG. 5.

DETALJERAD BESKRIVNING En typisk transistorlayout visas i Figur 5. Transistorstrukturen år vertikal med kollektorkontakten på kiselsubstratets baksida. Genomskärningen av den övre delen av strukturen visas i Figur 6.

Majoriteten av dagens moderna bipolära RF-effekttransistorer innehåller ett stort antal av parallellkopplade transistorsegment för att erhålla en hög effektkapacitet genom att fördela en stor mängd ström, reducera parasit- svängningar och tillhandahålla värmespridning. Det vanligaste layout- schemat, "ñngerinflåtriingslayout", består av växelvisa fingrar av bas och emitterregioner i parallell, anslutna genom metalliseringsband ovanpå kislet.

En typisk layout för en transistorcell med aktiv area 4 demonstreras i Figur . Hånvisningsbeteckningen 2 anger en bonddyna för basanslutning och 3 515 836 I Ö anger bonddynan för ernitteranslutning, .m v: medan som redan noterats baksidan av substratet bildar kollektoranslutningsdynan.

Om förspänningsmatningen för en transistor hålls konstant och tempera- turen ökar, då minskar Vbe och ökar kollektorströmmen. Om det inte finns någon annan inverkan, kan detta tillstånd orsaka att transistorn går över i “termisk rusning" i vilken en ström uppnås vid vilken transistorn går sönder.

Ett förfarande för att undvika detta är att använda ett motstånd i serie med emittern. När kollektorströmmen ökar minskas Vbe och därför reduceras basströmmen. Bästa stället att placera detta- emittermotstånd är på kiselbrickan tillsammans med varje aktiv transistor i gruppen. På detta sätt hålls induktansen i serie med emitterrnotståndet till ett minimum. Detta emittermotstånd hänvisas oftast till som ballastmotståndet. I gruppen enligt Figur 5 kännetecknas ballastningen med hänvisningsbeteckningen 8.

Figur 6 illustrerar en mera detaljerad schematisk genomskärning av en typisk fingerflätad cell enligt Figur 5. Hänvisningsbeteckningen ll hänför sig till ett basskikt av p-typ ovanpå ett n- epi-substratmaterial 12. I basom- rädesmaterialet ses ett n* dopat emitteromräde 13 och två p* dopade baskontaktområden 10. Baskontaktområdena 10 är vidare kontakterade genom metallieringar 21 och emitterkontaktområdet 13 är vidare kontak- terat genom en metallisering 22. Par av emittcrmetalliseringarna kombineras genom de gafflade anslutningsfingrarna 7 illustrerade i Figur 5. De metalliserade fingrarna 7 är via ballastrnotstånd 8 anslutna till emitter- anslutningsbonddynan 3. Motsvarande är basmetalliseringarna kombi- nerade för att ansluta till basanslutningsbonddynan 2 vid den övre delen av strukturen i enlighet med Figur 5. I strukturen enligt genomskärningen i Figur 6 ses även oxidskikt 15 och 16 och ett nitridskikt 14 liksom ett nitridpassiviseringsskikt 17. Figurerna 5 och 6 demonstrerar användningen av en allmän kilselplanarteknologi. I en typisk 1 GHz-teknologi är lutningen, definierad som det periodiska emitter-till-basavståndet, av storleksordningen 4-5 um och emitter- och basöppningarna är typisk 1 till 1,5 pm breda. En silicid, t.ex. PtSi, används ofta i emitter- och basöppningarna för att sänka 'l 5 8 3 6 7 kontaktresistansen och följaktligen parasitbastresistansen. För att ytter- ligare säkerställa en bra diffusionsbarriär mellan metall- och halvledar- material kan en flerskiktad TiW/TiW(N) /TiW barriär användas i enlighet med metalliseringsschemat för kopplingar mellan mikrokretsar visat i vårt amerikanska patent nr 5 821 620, vilket härmed medtas genom hänvisning [5]. Det finns ingen isolation mellan anordningarna och hela kiselsubstratet utgör kollektorn.

Genom att integrera ett ytterligare motstånd på den bipolära RF- effekttransistorns halvledarbricka, mellan bas och emitter, kan det säkerställas att förhållandena för att erhålla korrekt BVCER alltid uppfylls.

Figurerna 3 och 4 visar kopplingsschemat för halvledarbrickan med integrerat RBE, och vilka indikerar två olika möjligheter, där Figur 3 motsvarar den idag föredragna lösningen med ett yttre motstånd.

Ett exempel hur BBS-motståndet 20 läggs till demonstreras i Figur 7.

Motståndet är anslutet till bas- och emittermetalliseringen, åtminstone på en sida, men lämpligen på båda sidorna av gruppstrukturen (vänster och höger sida i Figur 5). Utföringsformen enligt Figur 7 representerar kretsen enligt Figur 3.

Ett integrerat motstånd på en halvledarbricka kan utformas med användning av åtskilliga olika metoder. De tre vanligaste är diffunderade motstånd, polykiselmotstånd och metallmotstånd, Lex. NiCr. Integration av fördelade motstånd mellan de aktiva emitterområdena och emitteranslut- ningen (emitterdynan) är nödvändig för drift med hög anordningsspänning, emitterballastning som nämnts tidigare. Integration av andra passiva element, såsom kondensatorer, är även känt (Se även referens [4]).

Det aktuella BE-motståndet formas genom någon av de ovan nämnda metoderna (diffunderat, poly, NiCr), men lämpligen med användning av det obligatoriska emitterballastmotståndet. samma metod som för 1 5 8 5 6 “ 8 Motståndsvärdet väljs lämpligen genom storleken på motståndsområdet (storleken för fyrkanten mellan anslutningarna) och dopningen. Det är möjligt att använda samma dopningssteg som för ballastmotståndet, vilket jonimplanteras med en justerbar dos och vanligen med en mask, som är öppen endast över motståndsområdena. Emellertid eftersom ballastmot- ståndena vanligen kräver justeringar under utvecklingsfasen för en ny transistor eller ny applikationer är en ytterligare mask för oberoende val av dopningsnivån för BE-motståndet (i kombination med layouten) fördelaktig av ingenjörstekniska skäl.

Det kommer även att finnas ett mer packat, ganska avancerat sätt att realisera BE-motståndet i transistorstrukturen, åtminstone för en transistor som använder polykisel för emitter- och baskontakterna, varvid motståndet då också är polykisel. I detta fall kommer motståndet att anslutas motsvarade Figur 4, men försiktighet måste vidtas för att inte degradera effekten av RE-ballastningen.

När det tillagda BE-motståndet diffunderas p* på detta n' kollektor epi, måste det säkerställas att bas- / emitterspänningen alltid är lägre än kollektorspänningen, men detta år normalt fallet. Vid påförande av polykisel- eller NiCr-motstånd placeras dessa ovanpå isolationsskikten 15, 16 (vänstra delen av Figur 6), så att vilken som helst spänning relativt kollektor- substratet kan användas. Dessa motstånd är också fördelaktiga eftersom den viktiga BC-kapacitansen är lägre än för ett diffunderat motstånd.

Ett typiskt värde för BE-motståndet för layouten använd i exemplet är 10 Q.

En liten nackdel med lösningen är att den ökar förspänningsströmmen bas- emitter, vilket kommer att påverka verkningsgraden, t.ex. kollektor- verkningsgraden definierad som 11 = PRFput/ Poem . Ökningen är tämligen liten och anordningar använda i det typiska tillämpningsfältet är inte speciellt krävande avseende verkningsgradskrav, jämfört med t. ex. anordningar för handhållna lågspänningstillämpningar. 515 856 “l Den viktiga fördelen är emellertid det allmänna skyddet som erhålls genom det integrerade BE-motståndet, vilket alltid finns för att säkerställa förhållanden för att bibehålla ett riktigt värde på BVcER för att undvika genombrott kollektor till emitter.

I en ytterligare utföringsform av den föreliggande uppfinningen som använder integrerade BE-motstånd i den fingerflätade strukturen är de individuella emitterballastmotständen vidare försedda med en förbikopp- lingskondensator på brickan för att öka RF-effekttransistorns förstärkning.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifikationer och ändringar kan göras vid den föreliggande uppfinningen utan avvikelse från dess omfattning som definieras av de bifogade patentkraven.

REFERENSER [1] H. F. Cooke, “Microwave Transistors: Theory and Design”, Proc. IEEE, vol. 59, p. 1163, Aug. 1971. [2] See e.g. S. M. Sze, in ”Physics of Semiconductor Devices”, 2114 Ed., p.151, John Wiley 8:. Sons, Inc., 1981. [3] R. Allison, ”Silicon Bipolar Microwave Power Transistors”, IEEE Trans.

Microwave Theory 81; Techniques., Vol. MTT-27, No. 5, p. 415, 1979. [4] T. Johansson, L. Leighton, U.S. Patent No. 5,684,326 issued Nov. 4, 1997. [5] S.-H. Hong, U.S. Patent No. 5,82l,620 issued Oct. 13, 1998.

Claims (9)

10 15 20 25 30 515 836 /0 PATENTKRAV

1. Förfarande för tillverkning av en bipolär högfrekvent kiseltransistor som säkerställer förhållanden för bibehållande av ett riktigt BVCER för att undvika genombrott mellan emitter och kollektor, kännetecknat av stegen arrangerande av ett integrerat motstånd (20) längs åtminstone en sida av en bipolär kiseltransistor (1) på en halvledarbricka som utgör substrat för den bipolära kilseltransistorn, och anslutning av det integrerade motståndet mellan den bipolära kiseltransistorns (1) anslutningar för bas (2) och ernitter (3).

2. F örfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget att skapa det integrerade motståndet som ett diffunderat pflmotstånd (20) på halvledarbrickan.

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget att skapa det integrerade motståndet (20) som ett polykisel- eller NiCr- motstånd placerat ovanpå isolationsskikten.

4. Förfarande enligt krav 2 eller 3, kännetecknat av det ytterligare steget att tillverka det integrerade motståndet (20) mellan den bipolära kiseltransistorns anslutningar för bas (2) och emitter (3) samtidigt som tillverkandet av åtminstone ett emitterballastrnotstànd (8).

5. Förfarande enligt krav 4, kännetecknat av det ytterligare steget att introducera en förbikopplingskondensator för varje åtminstone ett emitterballastrnotstånd (8) integrerat i halvledarbrickan som bildar den bipolära kiseltransistorn (l).

6. Effekttransistoranordning som säkerställer förhållanden för att bibehålla ett riktigt BVcsR för att undvika genombrott mellan kollektor och ernitter, kännetecknad av 10 20 51% 856 ett integrerat motstånd (20) längs åtminstone en sida av en bipolär kiseltransistor (1) på en halvledarbrícka som utgör ett substrat för den bipolära kíseltransistorn, varvid det integrerade motståndet är anslutet mellan den bipolära kiseltransistorns (1) anslutningar för bas (2) och emitter (s).

7. Effekttransístoranordníng enligt krav 6, kännetecknad av att det integrerade motståndet (20) är ett diffunderat pflmotstånd på halvledarbrickan, varvid det säkerställs att en bas / emitterspänning alltid är lägre än kollektorspänningen.

8. Effekttransistoranordning enligt krav ö, kännetecknad av att det integrerade motståndet (20) är ett polykisel- eller NiCr-motstånd placerat ovanpå isolationsskikten.

9. Effekttransistoranordning enligt krav 6, kännetecknad av att transistorn (1) är en RF-effekttransistor som utgör en fingerflätad struktur försedd med emitterballastmotstånd (8) som förhindrar termisk rusning. lO. Effekttransistoranordning enligt krav 9, kännetecknad av att RF- effekttransistorn är försedd med en integrerad förbikopplingskondensator för varje integrerat emitterballastmotstånd (8) för att öka RF-effekttransistorns förstärkning.