Изследване и проектиране на Хетеропреходни Биполярни SiGe Транзистори

1. 1
ЮЗУ”НЕОФИТ РИЛСКИ” – БЛАГОЕВГРАД
Д И С Е Р Т А Ц И Я
НА ТЕМА
Изследване и проектиране
на Хетеропреходни Биполярни SiGe Транзистори
ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА ОБРАЗОВАТЕЛНА И НАУЧНА СТЕПЕН “ДОКТОР”
ПО НАУЧНА СПЕЦИАЛНОСТ 02.20.02. МИКРОЕЛЕКТРОНИКА
МОХАМЕД АБДУЛТАУАБ АБДУЛА
НАУЧНИ РЪКОВОДИТЕЛИ:
ПРОФ. Д-Р ИНЖ. М. ХРИСТОВ
Доц. Д-Р ИНЖ. Г. ДИМИТРОВ
София-2006г.

2. 2
СЪДЪРЖАНИЕ
УВОД: 04
ГЛАВА ПЬРВА : Преглед на SiGe транзистори и технология
за изготвянето им 06
1.1. Увод 06
1.2. Развитие на SiGe транзистори и техните предимствата
пред Si биполярни транзистори и GaAs НВТ 06
1.3. Разглеждане на технологични процеси за изготвяне на
SiGe транзистор и особеностите на неговата структура 09
1.4. Честотни свойства и усилване по ток 22
1.5. Транзистори с полисилициеви емитери 27
1.6. Изводи 32
ГЛАВА ВТОРА: Изследване и моделиране подвижността на
токоносителите 33
2.1. Увод 33
2.2. Подвижност на токоносителите 34
2.3. Определяне на дрейфовата и холовата подвижност на дупките
в Si 1-хGe х слоеве 35
2.4. Експериментална част 43
2.4.1. Дрейфова подвижност на дупките в напрегнати SiGe
слоеве 43
2.4.2. Дрейфова подвижност на дупки в ненапрегнати SiGe
слоеве 59
2.5- Изводи 62
ГЛАВА ТРЕТА: Изследване, симулация и проектиране на SiGe
НВТ транзистор 64
3.1. Увод 64
3.2. Симулатор на полупроводникови прибори BIPOLE3 64
3.3. Експериментална част 73
3.3.1. Легиращ профил на транзистора като функция на
дълбочината N(x) 77
3.3.2. Усилване по ток β(dc), β(ac)=f(Ic, Jc) 77
3.3.3. Съпротивление на базата на транзистора rB(dc), rB(ac).
Поляризационна зависимост от колекторния ток 82
3.3.4. Транзитна и максимална честота на SiGe HBT.Зависимост
на fT и fmax от IС 84
3.3.5. Капацитети CЕB, CCB, Ctot (Ci) на транзистора 90
3.3.6. Шумови параметри на SiGe транзистор 93
3.3.7. Зависимост на параметрите на SiGe транзистор
от размерите на транзистора 110

3. 3
3.3.8. Зависимост на fт и Fmax на транзистора от дебелината на
епитаксиалния колектор 113
3.3.9. Контрол на стойностите на симулираните с BIPOLE3
параметри на SiGe HBT 116
3.3.10. Зависимост на времената на транспортиране на
токоносителите от дебелината на колектора 121
3.3.11. Оптимизиране на структурата на изследвания
SiGe HBT 122
3.4. Заключение 124
3.5. Изводи 126
ГЛАВА ЧЕТВЪРТА: Компютърно проектиране на SiGe
усилвател 128
4.1. Увод 128
4.2. Представяне вьзможностите на SERENADE 128
4.2.1.Симулатори на SERENADE 129
4.2.2.Видове симулации 129
4.2.3. SERENADE Desktop tools 132
4.3. Проектиране на широколентов усилвател сьс SERENADE 135
4.3.1. Избор на методика за проектиране 135
4.3.2. Проектиране на усилвател 137
4.4. Моделиране и симулация на широколентов усилвател с
помощта на SPICE 143
4.4.1. Моделиране на усилвателя 143
4.4.2. Изследване на S–параметрите на усилвателя 147
4.5. Заключение 152
НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ 154
СПИСЪК НА ПУБЛИКАЦИИ 155
ПРИЛОЖЕНИЕ1: 156
ПРИЛОЖЕНИЕ2: 162
ПРИЛОЖЕНИЕ3: 165
ПРИЛОЖЕНИЕ4: 169
ПРИЛОЖЕНИЕ5: 172
ИЗПОЛЗВАНА ЛИТЕРАТУРА: 185

4. 4
УВОД
В началото и средата на 90-те години започнаха широко да се използват
различни TCAD симулационни инструменти за проектиране, анализ и
оптимизация на полупроводникови прибори [140÷148]. Макар че симулацията
не замества реалния експеримент, тя е много полезна за изследване на
влиянето на измененията на технологичните и конструктивни параметри
върху характеристиките на прибора. След подходяща калибровка за
съответния процес, симулационните програми може да се използват за
статистически анализ, понеже те дават възможност да се извършват стотици
числови пресмятания за сравнително кратко време. Освен това, симулацията
помага да се оцени приноса на различните физически процеси, протичащи в
полупроводниковия прибор.
Една от основните задачи на симулацията на прибора е да се осигурят
моделни параметри за симулатори като SPICE или аналогични на него [148].
За тази цел се използват инструменти за извличане на SPICE параметри като
HP IC-CAP, Silvaco UTMOST, TMA AURORA, WATAND [142÷ 145] и
получените в табличен вид резултати се третират като заместител на реалния
експеримент. В този случай обаче проблемите при извличане на моделните
параметри на биполярния хомопреходен транзистор BJT и хетеропреходния
биполярен транзистор HBT нарастват.
За решаване на тези проблеми е наложителна употребата на усложнени
методики за оптимизация, както и на математически методи, които обаче
изискват голямо компютърно време. Посочените проблеми може да се сведат
до приемлив минимум, ако се използва допълнителна информация,
получавана от инструменти за симулация на прибори като ATLAS, MEDICI
[146] или BIPOLE3 [139].
Класическите биполярни транзистори, с изключение на тези с поли-Si
(polySi) емитер, достигнаха предела на честотните си възможности в средата
на 80-те години, въпреки проведеното драстично мащабиране в хоризонтална
и вертикална посока и замяната на дифузионните процеси с йонно легиране.
През 1987г. беше съобщено за изготвянето на първите хетеропреходни
биполярни транзистори сьс SiGe база (SiGe НВТ). Добавянето на Ge в Si
технология за получаване на SiGe прибори подобри характеристиките на
новите транзистори спрямо Si транзистори. SiGe е с по-малка широчина на
забранената зона от Si, което води до по-добри DC и АС параметри.
SiGe технология еволюира много бързо. За 10-години, тя премина от
лабораторен етап до промишлено производство. Публикациите през 1992 ÷
1996г. показаха, че тя може да предложи евтини, бързи високочестотни ВЧ
(RF) и свръх-високочестотни СВЧ интегрални схеми ИС за
телекомуникационни приложения, включващи в състава си SiGe НВТ.
Макар че бяха демонстрирани транзистори с високи характеристики, до
средата ÷ края на 90-те години все още липсваха подробни експериментални
данни, необходими за моделиране на тези прибори. Например, не беше
прецизно дефинирано влиянието на силното легиране на базата върху
вертикалния ток на електроните и латералния ток на р-токоносителите.
Вертикалният транспорт на неосновните токоносители (електрони в базовата

5. 5
област при NPN HBT), който е от решаващо значение за точното моделиране
на колекторния ток и оттам на усилването на транзистора, зависи от
стесняването на забранената зона, индуцирана от силното легиране.
Латералният ток на дупките пък определя съпротивлението на активната база
и зависи от дрейфовата подвижност на р-токоносителите. За да се разберат и
като резултат точно да се предсказват характеристиките на SiGe НВТ, е
необходимо да се изследват ефектите от въвеждането на Ge в базата на
транзистора и силното легиране на същата.
В периода 1990÷1996г. Si/Si1-xGex хетеропреходни биполярни
транзистори HBT бяха обект на нарастващо внимание поради техните много
по-добри динамични характеристики и тяхното интегриране в силициевата
технология. От първата висока транзитна честота fT (75 GHz), докладвана в
1990г.[13], конструкцията и технологията на НВТ непрекъснато се
подобряваха [72, 73], за да се стигне до fT > 200 GHz през 2002г. [84].
При проектиране и симулация на работата на транзистора е важно да се
знае поведението на важните параметри на напрегнатия слой като
зависимостта на дрейфовата подвижност от съдържанието на Ge. При
решаването на уравнения “дрейф ÷ дифузия” от симулаторите с цел
оптимизиране на легиращия и Ge профил, зависимостта μ= f(E, Nпр, XGe) се
използва като входни данни. А за приложението на Si1-xGex е важно да се
изследват транспортните свойства на токоносителите. Един от основните
параметри на полупроводниковия материал е подвижност на токоносители.
При конструирането на SiGe НВТ дебелината на SiGe слой е важен
конструктивен параметър. Максималната дебелина е важен параметър на
транзисторната структура.
Въз основа на изложените дотук проблеми са формулирани целта и
задачите на дисертационния труд.
ЦЕЛ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД: Да се изследват и моделират
физичните и конструктивно-технологичните параметри и се проектира SiGe
хетеропреходен транзистор за RF приложения.
За постигане на горната цел трябва да бьдат решени следните основни
задачи:
1. Да се направи литературно проучване на свойствата и
технологиите за изготвяне на биполярни Si транзистори, и SiGe
хетеропреходни транзистори и се избере транзисторна структура
за RF приложения.
2. Да се изучи, изследва подробно и моделира подвижността на
основните токоносители в базата на SiGe хетеропреходни
транзистори и зависимостта й от концентрацията на примесите,
сьдьржанието на Ge в SiGe и др.
3. Да се проектира, симулира и изследва влиянието на
постояннотоковия режим и геометрията на структурата вьрху
свойствата на структурата на SiGe транзистори.
4. Да се изследва и проектира широколентов двустьпален усилвател
с използването на SiGe транзистори.

6. 6
ГЛАВА ПЪРВА
ПРЕГЛЕД НА SiGe ТРАНЗИСТОРИ И ТЕХНОЛОГИЯ ЗА ИЗГОТВЯНЕТО ИМ
1.1. Увод
Бързодействащите биполярни транзистори намериха широко
приложение в малосигналните аналогови, логическите ненаситени (напр.ECL)
и BiCMOS интегрални схеми. Класическите биполярни транзистори, с
изключение на тези с поли-Si (polySi) емитер, достигнаха предела на
честотните си възможности в средата на 80-те години, въпреки проведеното
драстично мащабиране (скейлинг) в хоризонтална и вертикална посока и
замяната на дифузионните процеси с йонно легиране (ЙЛ.) С цел да се
преодолее голямото изоставане в честотните характеристики в сравнение с
GaAs транзистори, беше възприета технологията на AIIIBV транзисторите –
епи-база с малка (под 0,2 μm, а впоследствие под 0,1 μm) дебелина; широко
приложение намериха епитаксиалните нискотемпературни високовакуумни
процеси (UHV/CVD), in situ-легирането по време на епи-отлагането замени в
редица случаи ЙЛ, Гаусовото разпределение на легиращите примеси стана
исторически факт и т.н.
Понеже тази глава е основа за по-нататъшните изследвания в другите
глави, в нея като цел ще се направи преглед вьрху:
1. Развитиието на SiGe транзистори и техните предимствата пред Si
биполярни транзистори и GaAs НВТ.
2. Разглеждане на технологичните процеси за изготвяне на SiGe
транзистор и особеностите на неговата структура .
3. Честотните характеристикина SiGe транзистор.
1.2. Развитиие на SiGe транзистори и техните предимствата пред Si
биполярни транзистори и GaAs НВТ
Фиг.1.1
През 1987г. беше съобщено за изготвянето на първите хетеропреходни
биполярни транзистори сьс SiGe база (SiGe НВТ). Добавянето на Ge в Si

7. 7
технология за получаване на SiGe прибори подобри характеристиките на
новите транзистори спрямо Si транзистори. SiGe е с по-малка широчина на
забранената зона от Si, което води до по-добри DC и АС параметри и
получаване на транзистори, чиито скорости са сравними с тези на базата на
AIIIBV съединения фиг.1.1 показва разликата в скоростта и консумация на
мощност между SiGe и Si технологии.
Сравнение на колекторните и базовите токове във функция на
напрежението EB на SiGe HBT и Si BJT фиг.2.2 :
• дори при малки токове ICIB – малка рекомбинация
• колекторният ток е по-голям при същото VBE (ßÇ)
• IC е експоненциално зависим от ΔEg,Ge
Основни подобрения на параметрите
• Много високи Ърли-напрежения UA
• Почти хоризонтални изходни характеристики на транзистора
• ß независим от температурата – при промяна на Ge профил
• Неограничено легиране на базата
Фиг.1.2
Хетеропреходните SiGe транзистори предлагат редица предимства за
бързите цифрови и микровълнови ИС:
а) По висока ефективност на емитера, която води до по-голямо
усилване по ток и по-малко съпротивление на вътрешната (активната) база;
б) Намалено време за разсейване на заряда в базата, което означава по-
малко време на пренос на токоносителите.
Както вече беше посочено [167], благоприятните за характеристиките на
транзисторите свойства на Si1-xGex , както и прогресът в методите за
израстване на тънки (от порядъка на няколкостотин ангстрьома ) слоеве,
стимулираха развойната дейност в тази област. Псевдоморфният Si1-xGex,
нараснат върху (001) Si, може да се използва като базова област на NPN
хетеропреходни биполярни транзистори за СВЧ приложения [76, 79].
SiGe НВТ имат следните предимства пред Si биполярни транзистори:
1) Високо Ърли-напрежение UA поради по-високото легиране на базата,
което намалява ефекта на модулация на широчината на базата при високо
ниво на инжекция;

8. 8
2) Ниско базово съпротивление rbb’ също поради силното легиране на
базата;
3) По-висока подвижност на електроните, което намалява времето τf на
прелитане през активните области на транзистора;
4) По-голяма устойчивост на радиация;
5) По-малък капацитет на емитерния преход СТе вследствие по-слабото
легиране на емитера;
6) Съвместимост на SiGe технология с тази на Si прибори.
SiGe технология еволюира много бързо. За 10-години, тя премина от
лабораторен етап до промишлено производство. Публикациите от 1990÷2001г.
[1, 2, 24÷30] с бум през 1992 ÷ 1996г. показаха, че тя може да предложи
евтини, бързи високочестотни ВЧ (RF) и свръх-високочестотни СВЧ (UHF)
интегрални схеми ИС (IСs) за телекомуникационни приложения, включващи
в състава си SiGe НВТ.
• Първоначална идея за SiGe HBT – 1960г.
• Първи успешно реализиран SiGe HBT – 1980г.
• Първи функционален SiGe HBT – декември 1987г.
• 75GHz несамосъвместен SiGe HBT + ECL схеми –1990г.
• >100GHz SiGe HBT – 1993-до днес.
IBM представиха свой 350GHz SiGe HBT на 9.12.2002 в (IEDM) на Electron
Device
Infineon Technologies AG представиха през октомври 2002 RF SiGe HBT с
NFmin=0.61dB, усилване по мощност =21dB, ICmax=80mA @1.8GHz, 2V
Сравнение на параметрите и основни структури:
Сравнението на параметрите на SiBJT, SiGe НВТ и GaAs НВТ показва
следното:
1) Транзитната честота fT на SiGe НВТ е 1,5 ÷ 1,7 пъти по-висока от тази
на SiBJT и около 5 ÷ 10 % по-ниска от GaAs НВТ.
2) Пробивното напрежение U(BR)CEО (BUCEО) на SiGe НВТс широчина на
базата WB ≈ 0,1 μm и U(BR)CВО ≥ 15V е около 5 ÷ 5,5 V, съответно при
WB ≈ 0,025 μm – 2,5÷3,0 V. В тази насока GaAs НВТ има голямо предимство –
около 2 пъти по-високи стойности на BUCВО и около 3 пъти по-високо BUCEО.
3) Основно предимство на Si биполярни транзистори е възможността да
се изготвят PNP и p-MOSFET транзистори – при GaAs НВТ това е
невъзможно;
4) Плътностите на тока и на мощността при Si прибори са около 2 пъти
по-високи от съответните параметри при GaAs НВТ;
5) Метализацията на Si и SiGe СВЧ транзистори е Al, по-скоро Al ÷Si и
може да бъде при транзистори в интегрално изпълнение на 3 нива, докато при
GaAs тя е на базата на злато и засега е на две нива;
6) Коефициентът на шума NF при честоти 1÷2 GHz при SiGe
транзистори е около 20% по-нисък;
7) GaAs транзистори имат голям офсет на UCE, което влошава
превключващите им свойства. От друга страна, квазинасищането в изходните
характеристики на Si биполярни транзистори при високо JC влошава
линейността на изходните им характеристики.

9. 9
8) По-високите fT и fmax на GaAs НВТ са основните предимства на тези
транзистори – това означава по-високо усилване на усилвателното стъпало УС
при СВЧ приложения.
Предимствата от употреба на формираните чрез отлагане (нарастване)
деформирани (strained) Si епи-слоеве върху Si подложки доведоха до
широкомащабно производство на SiGe HBT и p-MOSFET. Конкретно при
p-MOSFET е налице все по-нарастващ интерес към SiGe p-MOSFET’s поради
тяхното предимство в скоростта, която досега ограничаваше честотния
диапазон на CMOS Iсs [167].
Съгласуването по вход и изход, както и между стъпалата на СВЧ
усилвателите, постави на дневен ред интегрирането на SiGe транзистори в
монолитна ИС.
Параметер SiGe (Trench) Si (LOCOS) GaAs
Wafer размер 8” 8” 4”
fT (GHz) 44 27 46
β 200 100 110
Va (V) 100 36 >100
BVcbo (V) >15 >15 26
BVces (V) >15 >15
BVebo (V) >2 >1 >7.8
Плътност на ток ( mA/μm2) >1 >0.8 0.5
Cbe (fF/ μm2) 10 10.7 2.114
Cbc (fF/ μm2) 3.3 3.6 0.26
Ccs (fF/ μm2) 4 6.25
Плътност на мощност ( mW/μm2) 2 2 0.9
Vbe (V) 0.8 0.8 1.3
BVceo (V) 5.5 6.2 14.3
BVcso (V) >15 >15
PNPs Да Да
FETs Да Да
1.3. Разглеждане на технологични процеси за изготвяне на SiGe
транзистор и особеностите на неговата структура
За изготвяне на SiGe HBT трябваше да се решат следните проблеми в
базовия технологичен процес [167]:
1) Отлагане на качествени базови SiGe епи-слоеве върху Si пластини.
При транзистори в интегрално изпълнение, отлагането като правило се прави
върху пластина с изображение (картина) на n+-скрития слой. Основен проблем
е получаването на контролиран деформиран (напрегнат - strained) SiGe слой.
Поради разликата в решетъчните константи на Si и Ge възникват дислокации
на несъответствие. Получаването на висококачествен деформиран слой е
предмет на редица изследвания [3, 4]. Слоят може да се смята за стабилен при
деформация по-малка от необходимата за приплъзване на дислокациите; ако
механичната деформация е достатъчна за образуване на дислокации в
присъствието на предварително съществуващи дефекти, слоят е метастабилен.

10. 1 0
Напрегнат
Si1-xGex
Si
Фиг.1.3
При епи-отлагането, ако разсъгласуването на решетъчните константи на
подложката и слоя е от порядъка на няколко процента и епи-слоят е тънък, то
последният нараства с решетъчна константа, адаптируема с тази на
подложката (напр. dGe : dSi = 1,04), като отложеният слой изпитва напрежение
на натиск или на опън (в конкретния случай на натиск) при това адаптиране.
Такъв слой се нарича псевдоморфен, понеже се съгласува посредством
деформация към подложката.
Фиг.1.4
При конструирането на SiGe НВТ дебелината на SiGe слой е важен
конструктивен параметър. Максималната дебелина (т.нар. критична дебелина)
е важен параметър на транзисторната структура. Според [5] критичната
дебелина е дебелината на слой, под която е енергетически предпочитателно
да се съдържа несъответствие посредством еластична енергия, съхранена в
деформирания кристал, а над която е предпочитателно част от енергията да се
трансформира под формата на дислокации на несъответствие при хетеро-
епитаксиалния интерфейс Фиг.1.4.
2) Строг контрол на термичния процес след нискотемпературното
епи-базово отлагане от гледна точка на минимално изменение на
разпределението на легиращия примес в активната (вътрешната) база и
съобразяване с температурният обхват tо.t (т.е. произведението D.t).

11. 1 1
3) За транзисторите в дискретно и особено в интегрално изпълнение –
намаляване на паразитните ефекти.
4) Усвояване на нови технологични процеси: MBE, UHV/CVD процес с
единична пластина [5, 6], бърз термичен отгрев RTA, бързо легиране от газова
фаза RVD, in-situ легиран поли- Si емитер т.нар. IDP-емитер; самосъвместена
биполярна технология SABT с двоен поли- Si, технология на изолация с
дълбоки тесни канавки TIT, технология на формиране на плитки PN преходи
SJFT и др.
Понеже SiGe НВТ с поли- Si емитер има висока ефективност на
емитера, то необходимата за подобряване на характеристиките на транзистора
концентрация на германия (NGe) може да се понижи, което от своя страна
намалява плътността на дислокациите на несъответствие и съответно се
преминава към по-стабилен епи-слой. Намаляването на (NGe) има още едно
предимство: намалява се вероятността от възникване на т.нар. “pile-up”
eфект, дължащ се на преразпределението на германия при окисление в
нарастващия окис и от там – ускорено окисление с вероятност за възникване
на канали при по-високи концентрации на Ge.
За свеждане до минимум на окисно ускорената дифузия OED се
използва комбинация от окислене при високо налягане HIPOX, като t0 на
окисление се понижава до 600÷7000 С, а на интерфейса окис/Si се използва
окисна възглавница (oxide pad), покрита с Si3N4.
При малки легиращи концентрации NA, подвижността на
токоносителите намалява с нарастване концентрацията на Ge поради
разсейване от Si ÷ Ge, което доминира пред разсейването от атомите на
легиращия примес. При по-силно легиране, относителната част на
разсейването в общото разсейване намалява. Заедно с индуцираното от
деформацията намаление на средната ефективна маса в посока на растежа на
слоя, това води до нарастване на подвижността μLS на деформирания SiGe
слой. При стайна температура ефективната подвижност на дупките в
деформирания SiGe слой е с 50% по-висока от подвижността μР в Si слой. На
фиг.1.5 е показана зависимостта μP = f(NGe) при NА = 1017 cm-3.
Вижда се, че μP в равнината на растеж е по-висока от μP
перпендикулярно на равнината на растеж, а двете подвижности са по-големи
от тази на недеформиран SiGe слой. Поради напрежението на свиване в
равнината на растеж на SiGe слой, валентната зона се свива, което резултира в
намаляване на meff. Следователно, μLS > μLUS:
μ (Χ) effSi
(1.1)
m
≈
effSiGe
Si
SiGe
m
μ

12. 1 2
Подвижността на токоносители
μP cm²/vs
К о н ц е н т р а ц и я н а N G e в %
Фиг.1.5 зависимостта μP = f(NGe) при NА = 1017 cm-3
В [6], базирайки се на привидната подвижност μapp на компресионно
деформирани SiGe слоеве, е изведено следното експериментално уравнение за
определяне на μP:
1 N ,
0 9
17
p0
p p
2 35 10
min
)
, .
( +
μ
μ = μ + (1.2)
където :
μ = 44 − 20x + 850x2 min (1.3)
х – частта на Ge в SiGe.
(SiGe) слой може да нарасне, чрез различни ниско и средно-
температурни методи. Отлагането се провежда обикновено при
to
opt = 500o ÷ (600 ÷ 650)oC при NGe ≤ 15 %. При NGe ≤ 10 % температурата на
отлагане може да се увеличи, т.е. намаляването на NGe води до повишаване на
to
gr.
При началните експерименти по отлагане на SiGe слой за НВТ беше
използвана МВЕ, като в някои случаи без прекъсване на процеса бяха
отлагани последователно колекторния, базовия и емитерния слой на
транзистора. Легиращите профили на такъв транзистор, определени с SIMS,
са показани на фиг.1.6а), а на фиг.1.6б) – напречното сечение на
транзисторната меза-структура.
Концентрацията на германия в транзистора е равномерна по протежение
на цялата база и е стъпална в областта на пространствения заряд (ОПЗ) на
емитерния и колекторния преход. WB = 1000 Å при NGe = 12% определят
условия под критичната дебелина. За предотвратяване на релаксацията се
използват само нискотемпературни (под 600o С ) процеси.
Описаната структура спада към първия тип от следните три базови
транзисторни структури :

13. 1 3
концентрация(cm-3)
дълбочина(микрон)
Фиг.1.6а) Легиращите профили на транзистор, определени с SIMS,
Фиг.1.6б) напречното сечение на транзисторната меза-структура
1) Първата структура [7, 8] се характеризира с равномерна
концентрация на Gе по цялата базова област. По-малката широчина на
забранената зона на SiGe в сравнение с Si има като резултат по-малък бариер
за инжекцията на електрони от емитера в базата. По такъв начин, при дадена
плътност на тока на електроните Jn, плътността на тока на инжектираните в
емитера дупки Jp намалява, което води до намаляване на времето τе на
прелитане през емитера и повишаване на hFE.
Високата (NGe), необходима за свиване на валентната зона, е
потенциален източник на дислокации на несъответствие и ускорена дифузия
OED на легиращия примес.
2) Втората структура [9] се характеризира с изменение на (NGe) по
протежение на SiGe слой, като (NGe) = 0 при Е/В преход и (NGe) = (NGemax) при
С/В преход. Концентрационният градиент grad N на Ge създава поле с
интензитет от порядъка на 104 V/cm, което намалява времето на прелитане τb
през базата. Eфективността на емитера обаче не се изменя забележимо,
понеже емитерният преход е фактически хомопреход (NGe = 0), τе също не се
намалява , а hFE нараства в средна степен. Впоследствие беше изпробвана
транзисторна структура [10] със средно ниво на (NGe) при Е/В преход и
плавен Ge профил по сечението на SiGe слой.
Характерно за тази структура е, че (NGe) и WB се избират така, че SiGe
слой да бъде под критичната дебелина, така че да не се образуват дислокации
на несъответствие по време на следващите термични процеси. Емитерният

14. 1 4
допант се въвежда посредством дифузия от легиран поли -Si, което прави тази
структура съвместима с технологията на усъвършенствуваните Si биполярни
транзистори с поли-Si емитер; базовят допант също би могъл да се въведе с
дифузия от легиран поли -Si.
SiGe транзистори с плавна (graded) база са подходящи за двойна
дифузия [11], понеже, дифузионният коефициент на бора в Ge е по-малък от
този в Si [12], което предполага значително по-слабо изменение на легиращия
профил по време на следващите термични процеси.
Енергийна диаграма на забранената зона на градуирана база на SiGe
HBT, сравнена с тази на Si BJT (Ge е структурно градуиран: ниска
концентрация при прехода EB и висока при CB прехода фиг.1.7.
• По-тясна забранена зона на базата увеличава инжекцията на електрони
(ßÇ)
• По-високият ß позволява по-силно легирана база (RB È)
• Забранена зона с постепена концентрация на Ge намалява времето за
преминаване на токо-носителите през базата (fT Ç)
• Ge при прехода CB дава по-високо напрежение на Ърли VA (ß VA Ç)
Фиг.1.7
3) Експериментирани са НВТ с активна база, при която борът е включен
in- situ в SiGe слой [13, 9, 14], като някои от тях са с транзитна честота – 73÷
75 GHz [13, 14]; при други допантът се въвежда по класическия метод чрез ЙЛ
директно в силиция, което затруднява получаването на активни бази с малка
дебелина поради необходимия отгрев за отстраняване на въведените
структурни нарушения.
Вертикалната геометрия на SiGe НВТ се оптимизира чрез скейлинг
на xjC и xjE, определяне на оптималната концентрация на Ge в SiGe слой,
анализиране на евентуални възможности за повишаване на легирането на
базата и колектора с цел по-добра работа при високи-честоти;
хоризонталната геометрия се оптимизира с цел избягване или
свеждане до минимум на паразитните ефекти (CTC и CTE) – напр. базовите
контакти се извеждат върху окиса; за понижение на rbb’ се контролира
разделянето между емитера и силно легираната външна база, като целта е
намаляване на широчината на “свързващата” област до дебелината на

15. 1 5
диелектричен слой, формиран върху окисните стени на емитера, което при
стандартния двоен поли-Si процес се прави, като се формира окис върху
страничните стени на емитера – т.нар. “спейсър” върху базовия поли-Si след
ецване на емитерния отвор [15]. Впрочем, употребата на спейсъри е
наложителна от гледна точка на повишаване на fT, понеже предотвратява
дифузията “навън” (out-diffusion) на допанта, поради което спейсъри се
използват в редица работи, започвайки с окисен спейсър още от 1989г. [16] и
се стигне до формирани с i-слоеве спейсъри, въведени по време на отлагането
на SiGe слой (дебелина 100Å за iCB и 10Å за iЕB) [17], като въвеждането на 10
Å iЕB повишава fT на транзистора от 38 GHZ на 60 GHz, а tpd се понижава 1,6
пъти – виж табл.1.1.
Табл.1-1
образец WB
[Å]
NB
[cm¯³]
Ge
[%]
iCB
[Å]
i EB
[Å]
Js/Jo fT
[GHz]
τEC
[ps]
2445 300 4.10¹9 24% 100 0 0.18 38 4.2
2448 300 4.10¹9 26% 100 10 0.82 60 2.7
Авторът [17] от Daimler-Benz Research Center доказа, че проектирането
на Е/В преход на SiGe HBT е твърде критично и оказва голямо влияние върху
ВЧ характеристиките на транзистора. За получаването на добри резултати при
стъпален Si / SiGe интерфейс, то PN преходът трябва да бъде стръмен, като
дифузионното размиване на градиента на неосновните токоносители от
порядъка на само няколко десетки ангстрьома повишава значително tpd, което
налага поддържане на легиращия профил с точност 5 Å, поради което е
наложително употреба на i-В/Е слой. Понастоящем 10 ÷ 20 Å В/Е спейсър се
използва при SiGe НВТ, като се избягва ВЕ-дифузията навън, което доведе до
постигане на fT = 101 GHz още през 1993г. [13].
При стандартния двоен поли-Si биполярен процес за формиране на
Si/SiGe НВТ, възникват следните затруднения [168]:
- ецването на базовия поли-Si може да повреди лежащия под него
моно-Si;
- запълването на емитерното задълбаване с втори поли-Si слой
ограничава хоризонталния скейлинг на структурата на транзистора.
Посочените ограничения за двойния поли-Si се избягват при употребата
на единичен поли-Si слой [18, 19], по-късно в [11]. Въвеждайки единичен
поли-Si и двоен дифузионен процес, се използват предимствата на
хоризонталния и вертикален скейлинг. За да се впише посочената НВТ
структура в хомопреходния биполярен процес, Si/SiGe/Si слоевете са
отложени чрез селективна епитаксия от газова фаза при понижено налягане
(LPCVD) след формирането на n+-скрития слой, а колекторната епитаксия и
локалните окисна изолация са формирани по стандартния метод. Дебелините
на слоевете на Si/SiGe/Si структура са съответно 170/650/300 Å с почти
линейно изменение на (NGe) по протежение на SiGe слой с NGe,max) = 20%, като
тази концентрация на германия е избрана така, че SiGe слой да бъде под
критичната дебелина. Базовият и емитерният допант се въвеждат чрез ЙЛ на
поли-Si слой, като времената на базовата и емитерната дифузия са намалени
до минимум с цел получаване на тясна активна база и свеждане до минимум

16. 2 0

17. 1 6
на дебелината на необходимия деформиран SiGe слой, което позволява по-
висока концентрация на Ge в слоя.
Структурата на транзистора е показана на фиг.1.8, а профилът на
дълбочините на областите – на фиг.1.9; xjE = 200 Å, xjC = 500 ÷ 600 Å
Фиг.1.8)Структурата на транзистора
Фиг.1.9) профильт на дълбочините на областите
Един от основните проблеми за получаване на идеални характеристики
на Si/SiGe хетероструктури, е качеството на епи-слоевете и употребата на
малък температурен обхват след SiGe-епи-отлагане[168]. King и др. [20] и
Gibbons и др. [21] използваха нискотемпературна CVD технология -(Limited
Reactio Processing – LRP), която се базира на бързи изменения на
температурата на подложката за постигане на резки концентрационни
профили на легирането и германия. В по ранен вариант епитаксиалното
нарастване на колекторния, базовия и емитерния слой се извършва
последователно в един реактор, без изваждане на пластината между
отлагането на отделните слоеве. Впоследствие структурата на транзистора се
формира чрез меза-ецване. Ориентировъчните дебелини на колектора, базата
и емитера в [21] са съответно 2 μm (легиране с As)/ 200 Å ((Ge + B), Ns=7.1018
cm-3)/ 4100 Å (As, 4.1017 cm-3)/ 4100 Å ЙЛ базов контакт на външната база и
емитерен контакт. Омичните метални контакти са Ti (2000 Å)/ Al÷1% Si (1
μm).
В [22] и [23] са изготвени биполярни транзистори с Si и SiGe база с
плавен профил и поли-Si емитер, използвайки нискотемпературно епи-

18. 1 7
отлагане на слоевете. Най-изпитаният метод за отлагане на базов слой на
НВТ в дискретно изпълнение и ИС на негова база е UHV/CVD, адаптиран
първоначално основно за BiCMOS приложения. За постигане на пределно
висока чистота на слоевете са експериментирани различни технологични
варианти, като най-изследван е методът UHV/MBE, при който се постига
вакуум 10-11 torr, обаче слоевете (свръхчисти и бездефектни) се отлагат в
продължение на много часове. За намаляване на сложността на
технологичното оборудване и най-вече за избягване на скъпия процес на
отлагане, се използва химическият UHV метод. Въпреки че вакуумът е по-лош
(10-9 torr), остатъчният газ е водород, а О2 и Н2О пари имат парциално
налягане 10-11 torr. Слоевете при UHV/CVD се отлагат при to = 400÷500oC със
скорост 4 ÷ 40 Å /min. Това осигурява прецизен контрол на размерите, напр.
от порядъка на 1 ÷ 2 атомни слоя. Равномерността на отлагането от пластина
към пластина е 1%, а от процес към процес – 5%. Критичен преглед на
посочените технологични методи е направен в [24].
Фиг.1.10)триъгълен, трапецовиден профили на Ge в базата на SiGe НВТ
табл.1-2
параметьр трепецовиден Прес-метнат триьгьлен Si
колекторPN
ниськNпр Среден
Ниськ
Ниськ
Среден
Ниськ
преход
Nпр
Nпр
Nпр
Nпр
Nпр
Среден
Nпр
RB (Ω) 12.0 7.4 5.6 7.8 5.8 5.9 5.2
BUCEO (V) 3.5 3.3 3.6 3.5 3.7 4.0 4.0
VA (V) 25 30 47 70 83 56 40
β 77 67 72 88 48 21 20
Β*vA (V) 1925 2010 3384 6160 3684 1176 800
fT (GHZ) 41 43 41 46 43 31 30
fmax.(GHZ) 40 33 42 46 43 31 30
Rbb (Ω) 207 286 268 211 188 265 248
RE (Ω) 20.8 22.7 26.5 31.1 30 20.1 21.0
Min.τECL 21.1 25.3 23.6 21.7 19.9 28.7 28.9
Впоследствие беше установено, че за да се получат много добри
характеристики на транзистора при ниско и средно съдържание на Ge, се

19. 1 8
налага употребата на нарастващ по сложен закон Ge разпределение в базата
на НВТ (триъгълен, трапецовиден, Пресметнат) [13]. Посочените профили
(без Прес-метнатия) са показани на фиг.1.10, а стойностите на получените
параметри – в табл.1.2. SIMS профил на SiGe НВТ с трапецовиден профил на
Ge е показан на фиг.1.11а, а напречното сечение на транзистора със
самосъвместен, а епи-база на фиг.1.11б.
Фиг.1.11а) SIMS профил на SiGe транзистор с трапецовиден профил на Ge
Фиг. 1.11б). Напречно сечение на транзистор сьс самосъвместена епи-база
За да се интегрира успешно UHV/CVD отлагането в Si технология, то
трябва да отговаря на следните изисквания:
- да бъде гъвкав процес, вкл. да консумира малък температурен обхват;
- да бъде възпроизводим процес;
- да осигурява равномерни слоеве и еднакви параметри на получените
прибори;
- да осигурява строг контрол на допанта и нарастването на SiGe слой;
- да обработва добре Si пластини с картина;
- оборудването да бъде търговски налично.
Както вече беше посочено, технологията на НВТ с SiGe епи-база
направи много бърз преход от етап на разработка до широкомащабно
производство. Технологичните нововъведения и адаптирането на
технологичните подобрения към Si технология дадоха възможност да се
отлагат качествени слоеве за телекомуникационни IСs, работещи още през
1995 г. при честота 5 GHz.
Един въпрос, който трябва да се реши при проектирането на SiGe НВТ,

20. 1 9
е какъв профил трябва да има хетеропрехода: рязък или плавен.
При рязък хетеропреход пикът на проводимата зона има като резултат
ускорено транспортиране на електроните посредством термоемисия и
тунелиране от n към p-тип областта, а прекъсването на валентната зона
подтиска инжекцията на дупките от p-тип към n-тип областта, поради което
hFE на НВТ нараства значително в сравнение с усилването по ток на Si
биполярен транзистор. В резултат NA може да се повиши за поддържане на
приемливо високо усилване по ток при понижено съпротивление на базата.
В сравнение с термойонната емисия, тунелирането при пикът на
проводимата зона намалява Е/В поляризация, необходима за осигуряване на
даден колекторен ток. Това намаляване от своя страна осъществява по-висок
енергетичен бариер за дупките в обема и обеднената област на емитера, което
подобрява ефективността на инжекция на емитера. Тунелирането през пикът
основно повишава коефициента на неидеалност “n”.
а)При ниско ниво на ижекция, върхът на пикът е сравнително тесен и
повечето електрони тунелират по-ниско от номиналния пик. При нарастване
на поляризацията, върхът на пикът става все по-широк и повечето електрони
вече тунелират при по-високи енергетични нива в сравнение с по-малката
поляризация. По този начин, височината на енергетичния бариер нараства с
поляризацията в права посока, като се получава коефициент на идеалност
“n” > 1.
б) Ефективността на инжекцията на токоносителите може да се
подобри, като тънка, съседна на хетеропрехода област, се направи с плавно
изменение на концентрацията – технологчно подобрение, използвано широко
при GaAs НВТ. Обикновено това разстояние на плавно изменящ се
концентрационен градиент (gradN, от порядъка на 100 ÷ 300 Å), сравнимо с
Дебаевата дължина, е достатъчно за отстраняване или поне намаляване на
прекъсването и по този начин прави механизмите на термойонна емисия и
тунелирането по-малко важни.
Основните типове структури на SiGe НВТ са представени на
фиг.1.12.
Както беше посочено, едно от основните приложения на RF SiGe HBTs
в интегрално изпълнение са свръхбързите ECL IСs. За целта е необходимо да
се сведат до минимум паразитните ефекти, в т.ч. и колекторната
времеконстанта rbb’.Ccb. Общото съпротивление на базата и колекторният
капацитет са компоненти на fmax. За подобряване на честотните свойства е
необходима самосъвместена структура, като самосъвместяването Е/В
намалява съпротивлението на базата чрез минимизиране на разстоянието
между високоомната вътрешна база и нискоомната външна база, а
самосъвместеният колекторен пиедестал намалява Ccb.
(MSST) структурата (фиг.1.13) гарантира цялостно или взаимно
самосъвместяване на активните области на транзистора.

21. SiGe HBT
транзистори
САМОСЪВМЕСТИМА
СТРУКТУРА
С вьншна база
преди епитаксия
Фиг.1.12 Основните типове структури на SiGe НВТ
НЕСАМОСЪВМЕСТИМА
СТРУКТУРА
С вьншна база
след епитаксия
С прост емитерен прозорец
Транзистор с епи-емитерен
прозорец SEEW
Транзистор сьс селективна
епи-база вьрху вьншната база
и емитерния отвор- SEBT
или транзистор сьс супер
самосьвместена селективно
нарасната SiGe база-SSSB
Меза подобен самосьвместен
транзистор, изолиран с
плитки канавки -MSST

22. 2 1
LTE-епитаксиално нарасната база при ниска температура.
EXT-base- Вьншна база.
N+sub.collector-N+скрит колекторен слой.
P substrate- P тип подлошка.
HIPOX- окис нараснат при високо налагане.
Фиг.1.13 MSST структура
Тя се характеризира с минимални паразитни ефекти, понеже външната
база е самосъвместена спрямо емитера и колектора. Тъй като епи-базата се
отлага върху силициева пластина без предварително дефинирана картина,
този тип структура гарантира висок рандман на транзисторите.
{SSSB (или SEBT Фиг.1.14)} структурата (фиг. 1.11б) се отличава със
селективно нарасната епи-вътрешна база в предварително формиран емитерен
отвор. Вътрешната база се отлага чрез МВЕ с газов източник или UHV/CVD.
Дебелината на епи-базата варира в диапазона 300 ÷ 500 Å, като се получават
транзистори с fTmax=50÷120 GHz. В [15] e докладвано за самосъвместена
транзисторна структура с двоен поли-Si и SiGe база и високо усилване по ток.
Фиг.14
При SEEW структурата самосъвместяване се постига чрез употреба на
селективно епи-латерално върху тънка емитерна възглавница и последващо
окисление за едновременно формиране на емитерния прозорец и крайната
дебелина на външната база. Фирмата IBM [27] съобщи за транзистор с fT > 50
GHz при използване на този тип структура с (NGe) = 11%. Използвана е
нискотемпературна селективна епитаксия и in situ легиране с бор. Особено
внимание трябва да се обърне на ориентацията на емитерната картина спрямо
кристалографското направление (100) с цел осигуряване на равномерно
латерално, оптимизация на степента на латералното и последващото
окисление с цел получаване на непрекъснат окисен слой, включително и по
ъглите на емитера.

23. 2 2
Двойно дифузиран НВТ с плавна SiGe база .
Тази структура беше накратко описана. Характерно за нея е единичен
поли-Si, селективна епитаксия на базов сандвич Si/SiGe/Si, отложен при
to = 700÷750oC, локално ЙЛ на поли- Si с базов и емитерен допант.
Дебелината на селективния SiGe слой се избира така, че NGemax (т.е.
пикът на концентрацията на Ge) да се разположи в колекторната страна на
С/В преход, за да се предотврати формирането на паразитен бариер, когато
допантът се разпространи зад хетероинтерфейса. Дебелината на “покриващия”
(cap) Si слой се избира така, че емитерният преход да се разположи близо до
точката, в която концентрацията на Ge спада до нула.
Чрез подбор на подходящи времена и темпераура за формиране на
базата и емитера, е получен рязък Si/SiGe преход (10 Å) в областта С/В; xjE =
200 Å, WB= 500 ÷ 600 Å. Графиката на Gummel показва идеален базов ток,
вкл. при ниски стойности на JB, което е указание за ниска повърхностна
утечка и области на пространствения заряд ОПЗ с ниски нива на дефектност и
замърсявания. Транзисторът има hFE = 100 ÷ 200 и пинчово съпротивление
RBp = 40 kΩ⁄□. Транзистори с емитери 0,5 x 14,2 μm и NC = 1,7.1016 cm-3
(NGemax = 16%) имат BUCBO = 12,5 ÷13V, BUCEO = 4,2 ÷ 4,5V, fT = 40 GHz, а тези
с NC=1,7.1017cm-3 имат BUCEO 3V, fT=50 GHz. Времето на преминаване
τf=2,5÷3,0 ps.
Въз основа на гореизложеното може да се стигне до заключението, че
включването на спомагателно поле (Ge) в базата намалява τb и повишава fT [9],
а почти идеалният JB потвърждава, че при прибори с SiGe база не се получава
забележимо нарастване на електрически активните дефекти в обеднените
области на PN прехода (ако възникнат дислокации на несъвпадение, те ще се
разположат в близост до интерфейсите Si/SiGe, които се намират в ОПЗ на
хетеропеходите).
1.4. Честотни свойства и усилване по ток на SiGe HBT
От средата на 80-те години до средата на 90-те години tpd на ECL
вентила беше намалено около 5 пъти. За целта бяха разработени и внедрени в
редовно производство следните технологии:
• самосъвместена биполярна технология SABT с двоен поли-Si;
• технология на дълбоки изолиращи канавки TIT;
• технология за формиране на плитки PN преходи SJFT.
През 1992г., използвайки SiGe HBT, беше постигнато tpd=20 ps. За много
високо-скоростните приложения (VHF), напр. при комуникационните системи
с оптични линии са необходими още по-високоскоростни транзистори.
Подобренията в честотните характеристики се постигат посредством:
- вертикален скейлинг – директно подобрява fT;
- хоризонтален скейлинг – понижава CTC (Ccb) и rbb’.
Основни характеристики
• По-висока транзитна честота fT:
• По-висока максимална честота на генериране fmax:
• Значително намалени времена за преминаване през базата, емитера и
колектора – τb, τe, τc - (fT Ç)

24. 2 3
• Много малко базово ac съпротивление rbb (fmax Ç) – за SiGe HBT с
емитерна площ 0.5 x 2.5μm2 е по-малко от 80Ω
(1.5)

= + + τ + τ + τ
( )
1
f 1
T C C
eb cb b e c
m
g
−



= T
(1.6)
max 8 C r
cb bb
f f
π
В[168] беше посочено, че включването на спомагателно поле (Ge в
базата) повишава fT. Зависимостта fT = f (NGe) e показана на фиг.1.15. От
фиг.1.15 се вижда следното:
Фиг.1.15 Зависимост fT=f(IC) при BJT и SiGe HBT с различна концентрация на
колектора NC
a) Увеличаването на (NGe) води до повишаване на fT
б) fT на НВТ с SiGe база е определено по-високо от това на класическия
биполярен Si транзистор в областта на средните токове, като при по-силно
легиран (NC=1,7.1017 cm-3) колектор тази разлика става силно изразена при
средни и високи нива на IC.
Обяснението на този ефект е в контролираната деформация на базата
[171]. При възникване на дислокации на несъответствие с висока плътност
(т.е. преминаване над критичната дебелина), деформацията на SiGe слой се
освобождава (релаксира), което води до загуба на почти 0,5ΔEg;
спомагателното поле намалява, съответно τb нараства.
При високи стойности на IC, концентрацията на електроните превишава
легирането в обеднената област и квазинеутралната база се разширява (ефеkт
на Kirk) и когато тя премине зад края на SiGe слой, се формира потенциален
бариер, който затормозява транспортирането на токоносителите, намалява се
hFE и се увеличава tf.
От фиг.1.15 се вижда, че при IC > 9mA, fT на НВТ с SiGe база e по-ниско
от това на Si транзистор, т.е.SiGe транзистор има предимство в скорост пред
Si транзистор само в определен диапазон на колекторния ток (по-точно на JC),
а именно в областта на преход малки÷средни и средни IC, поради което той
намира приложение при ненаситени цифрови ИС и малосигнални аналогови

25. 2 4
ИС. Рязкото намаляване на fT при високи стойности на JC може да се
компенсира в известна степен посредством:
а) Разширяване на SiGe по-навътре в колектора (но SiGe слой може да
премине от стабилен в псевдостабилен);
б) Повишаване легирането на колектора (виж пунктирната крива на
фиг.1.15), което определено подбрява честотните свойства на транзистора за
сметка на по-ниски пробивни напрежения BUCBO и BUCEO и повишени
стойности на CTC.
На фиг.1.16 е показана зависимостта fT = f (UCEO) за транзистори с Si и
SiGe база. Вижда се, че с увеличаване на UCE транзитната честота намалява
(по-широки ОПЗ).
Фиг.1.16 fT =f(UCEO) за транзистори с Si и SiGe база
Теоретично е доказано [22], че горната граница на произведението
fT.ВUCEO е константа, зависеща от полупроводникия материал. За Si
стойността на това произведение е, както следва:
fT.ВUCEO = 200 V. GHz
При подходящо избрани продължителност и температура на процесите
след епи-отлагането на SiGe слой (т.е. прилагане на малък температурен
обхват), при SiGe НВТ не се наблюдава деградация на характеристиките
поради образуване на дислокации на несъответствие или релаксация на
деформираната SiGe база.
Понеже въвеждането на Ge в базата на такива транзистори не влияе
върху тяхната краткосрочна или дългосрочна надеждност, това означава, че
контролираната деформация на базовия слой може да се използва за
подобряване на скоростта на транзисторите[171].
Още в началото÷средата на 90-те години възможностите за по-
нататъшно подобряване на честотните характеристики на транзисторите
посредством мащабиране силно намаляха поради следните причини:
- по-нататъшното вертикално мащабиране стана проблематично, понеже
високото fT има като съпътствуващ ефект високо rbb’ вследствие тънката
вътрешна база, което налага компромис между fT и rbb’;
- хоризонталното мащабиране също силно се затрудни поради

26. 2 5
намаляване на hFE вследствие ефекта на стесняване на емитера (narrow emitter
effect), по-известен като (запушване) на емитера (emitter plug effect) при
субмикронен (типично < 0,5 μm) емитер [29].
Този проблем беше елегантно решен [30] посредством комбинация от
бързо легиране от газова фаза RVD (Rapid Vapor-phase Doping), което води до
високо fT и ниско съпротивление на базата rbb’, а намаляването на усилването
по ток се потиска посредством легиран на място с фосфор поли-Si IDP (In situ
phosphorous doped поли-Si), като с IDP технологията може дори да се намали
rе на прибори с тесни емитери.
Високите параметри са резултат от приложение на технологията на
формиране на плитки преходи SJFT. RVD-методът за формиране на база е
метод на дифузия от газова фаза (800oC, 15 min), като борният профил
формира стъпален PN преход, без каналиране, (т.е. липсват йонно
индуцираните дефекти на ЙЛ), така че този метод е подходящ за образуване
на тънка, с висока концентрация на легиращия примес стъпално (steep) база.
При IDP метода, емитерът се формира чрез дифузия от легиран in situ с
фосфор слой от аморфен силиций, който се отлага при ниска температура
(520oC) от Si2H6 и PH3. IDP методът е подходящ за намаляване на термичните
напрежения и rе. Фософорните атоми може да се йонизират дори чрез
нискотемпературен отгрев LTA при to = 650oC.
Описаната в [30] структура на RVD÷IDP Si транзистор (накратко IDP
транзистор) е с хомотаксиална базова структура, но силициевата база лесно
може да се замени с SiGe база с преимуществата от въвеждането на
спомагателно поле. Нейните предимства са три, но много важни[171]:
- база със стъпален профил на легиращия примес;
- емитер, формиран със силно легиран поли-Si;
- силно намалена активна колекторна област чрез пиедестална
колекторна имплантация за потискане на Kirk-ефекта и много тънък (0,4 μm)
епитаксиален слой. Независимо от силното легиране на колектора и много
малката му дебелина, се постига ВUCEO = 2,4V, което е достатъчно за повечето
приложения.
В табл.1.3 са посочени DC и АС параметри на IDP транзистора,
сравнени с тези на конвенционален Si СВЧ транзистор с имплантиран с арсен
поли-Si емитер.
Вижда се над 5 пъти по-високото усилване по ток, над 2,5 пъти по-
високото fT, 3 пъти по-ниското rе на IDP÷RVD транзистора, но и малко по-
високите стойности на CTC и CTЕ.
На фиг.1.17 е показана зависимостта fT = f(JC) за IDP и конвенционален
транзистор. Разликата в fTmax е очевидна, като тук за разлика от фиг.1.15
превъзходството на IDP транзистора е в сила и при високи стойности на IC.

27. 2 6
Табл.1-3
Параметър Стойност
IDP+RVD
транзистор
Конвенционален
транзистор
Емитерна площ AE [μm²] 0.4*1.1 0.3*1
Усилване по ток β 600 120
U(BR)CEO [V] 2.4 3.7
Напрежение на ърли UA [V] 10 18
Капацитет E÷B CTE [fF] 2.7 2.2
Капацитет C÷B CTC [fF] 2.4 1.6
Емитерно съпротивление re [Ω] 15 45
Базово съпротивление rbb’ [Ω] 380 380
Съпротивление на интерфейса E÷B
RS [KΩ/□]
35.7 16.2
fT [GHZ] 63 25
Фиг.1.17 fT = f(JC) за IDP и конвенционален транзистор
Времето на задръжка tpd на ECL вентил, съставен от IDP транзистори с
SE = 0,3 x 1,1μm, е рекордно ниско (tpd = 15 ps при ICS = 1,2 mA), докато tpd на
конвенционалния транзистор е tpd = 32 ps. При по-високи стойности на тока
на превключване, tpd зависи основно от fT, rbb’ , CTC – виж фиг.1.18а) и 1.18б).
Фиг.1.18а), б)
От фиг. 1.18а) се вижда, че вертикалният скейлинг при IDP транзистора

28. 2 7
засяга всички активни области – двукратно понижение на xjE и WB, но
основният скейлинг е в активната колекторна област – 8-кратно намаление на
дебелината на колектора.
От фиг. 1.18б) се вижда, че основната компонента, която влияе върху
различието на tpd (IDP) спрямо конвенционалния транзистор, е
fT – посредством членовете 1/ fT и rbb’/fT (CTC е с 1,5 пъти по-висока стойност.
По-високото fT от своя страна се дължи на намаляване на WB и дебелината на
колектора.
Доста високите стойности на hFE (600) са удобни за подобряване
характеристиките на транзистора чрез по-нататъшно оптимизиране на базовия
профил[171].
Посочените технологични процеси, въведени в SJFT, са перспективни за
UHS MOS VLSI IСs.
1.5. Транзистори с поли-Si емитери
В началото÷средата на 80-те години силно нарасна употребата на
поли-Si като материал за емитерни контакти с високи характеристики [31, 32].
Структурите с поли-Si показаха много ниски стойности на базовия ток на
насищане IВsat (IВsat= ICsat/ hFE), което направи възможно почти 10-кратно
повишаване на усилването по ток [33]. Понижението на IВsat се дължи основно
на намаления ток на инжекция на дупки в емитера, което пък се приписва на
понижено свиване на забранената зона ΔEg в емитера, по-малка подвижност
на дупките в поли-Si и нарастване на енергетичния бариер ϕВ за дупките на
интерфейса поли/моно Si. Според [34] ϕВ нараства поради повишената
концентрация на емитерното легиране, а според [33] – от наличието на тънък
(5 ÷ 20 Å) окисен слой на интерфейса поли/моно Si. Пак по същото време в
редица публикации беше посочено, че наличието на няколко десетки Å окис
на интерфейса поли/моно Si значително повишава hFE поради тунелен ефект,
който се обяснява с понижението на ефективната скорост на рекомбинация
ERV (Effective recombination velocity) на емитерния PN преход. В проведеното
от английските фирми LSI Logic Ltd и STC Technology Ltd [35] на
хомопреходни транзистори беше установено, че при много плитки
(xjE < 1000 Å) емитери се получава силно понижение на ERV при 10 < dox < 16
Å. При dox > 16 Å значителна част от рекомбинацията електрон/дупка протича
при интерфейсния окис, така че дебелината на този окис трябва да се
поддържа в тесни граници и с много малка абсолютна стойност, поради което
при транзистори с малки размери и малки дълбочини на PN преходите е
трудно да се постигне възпроизводимост на такъв окисен слой.
Влиянието на йонното легиране при хомопреходни транзистори с
поли-Si ЙЛ с арсена емитер [35] с цел обяснение на понижението на IВsat е
изследвано, както следва:
- влияние на емитерната доза DE;
- влияние на енергията Е на ЙЛ.
а) При DE < 5.1015 cm-2 е установено стръмно нарастване на rе; при
DE > 1.1016 cm-2 се получават стабилно ниски стойности на rе, което е
указание, че интерфейсният окис не играе забележима роля, а при

29. 2 8
DE > 2.1016 cm-2 се превишава твърдата разтворимост на арсена в силиция. За
изследване на влиянието на DE върху hFE и Ърли напрежението UA, е по-
удачно да се работи с произведението hFE.UA, понеже hFE е обратно
пропорционално на интегралния заряд на базата QВ, а UA е право
пропорцинално на QВ, което предполага, че hFE.UA не би трябвало почти да не
зависи от легиращия профил на базата. Установено е, че максимумът на
произведението съответствува на минимума (0,4 pA/cm²) на IВsat.
Числото на Gummel Gue на емитера се определя по израза:
( )[ ( )]
= (1.7)
exp( )
KT
e E
L
tgh W D
N L
Gu
g
P
E
P
P
D
e Δ
където: ND е легиращата концентрация на емитера на NPN транзистора,
WE – дълбочина (по-скоро дебелина) на емитера,
ΔEg – изменението на широчината на забранената зона на емитера.
При ниски легиращи концентрации (ND < 1018 cm-3), Gue има стойност:
e D E Gu = N W (1.8)
При ND ≈ 1018 cm-3, ефектът на свиване на широчината на забранената
зона започва да намалява, а при ND > 1018 cm-3, Lp става сравнимо с WE и Gue
започва да намалява.
Произведението hFE.UA представлява мярка за свойствата на емитера на
транзистора:
BC
g
e P
J r N dx
BC
A
B
C
FE A C
KT
eGu D e E
C
J
h U
( )( . ) . [exp( .Δ )]
= = (1.9)
Легирането на базата влияе слабо върху произведението hFE.UA
(посредством отношението Dp/ΔEg).
Уравнение (1.9) позволява да се пресметне hFE.UA при различни
стойности на WE и ND. Зависимостта hFE.UA=f(ND) .
Максимумът на hFE.UA зависи от емитерната концентрация и е много по-
силно изразен при дълбочина на емитера 0,3 μm.
Енергията Е на ЙЛ при WE = 0,28 μm не оказва забележимо влияние
върху характеристиките на транзистора; I/V характеристика на Е/В преход ще
стане силно изразена функция на Е, когато дебелината на поли-Si стане
достатъчно тънка, така че да позволи имплантът да достигне и премине в
базата на транзистора. Формираният при ЙЛ аморфизиран слой в поли-Si
ускорява дифузията на арсена и влияе върху протичащата в емитера
ре-кристализация. Тези условия налагат да се определя максималната
стойност на енергията на ЙЛ в зависимост от дебелината на поли-Si:
- при WpolySi > 1000 Å, I/V характеристиката ще зависи от WE
(посредством отношението Dp/ΔEg);
- при WpolySi < 1000 Å и Е = 140 keV, голяма част от арсена ще премине
през поли-Si и ще аморфизира интерфейса поли/моно Si. Ясно е, че в този
случай дифузията навън на примеса ще бъде не контролируема и ще зависи от
дебелината на поли-Si слой. Понеже WpolySi < Dp, то JB става също силна

30. 2 9
функция на WpolySi. Всичко това води до нестабилни I/V характеристики и
оттам – нестабилна работа на транзистора.
Заключението е, че посредством избор на DE, при която се получава
минимална стойност на IВsat, се постига максимална стойност на
произведението hFE.UA. Максимизирането на ефективния заряд на емитера QЕ
посредством коректно избрана емитерна доза DE позволява да се повиши QВ,
което означава по-ниско rbb’ и пинч-съпротивление на базата, т.е. по-нисък
коефициент на шума NF и евентуална употреба на по-широка активна база,
което пък означава по-слабо влияние на изменението на технологичните
условия върху стойностите на hFE и UA[169].
В [16] авторите от Fairchild Research Center, разработвайки субмикронна
BiCMOS технология с поли-Si на едно ниво, са използвали дебел остенен
(walled) ЙЛ с арсен емитер и ЙЛ Si база на NPN транзисторите,
среднотемпературен отгрев, окисни спейсъри с дебелина 0,2 μm, поли-Si
скрити контакти към активните области, като контактните области са
обогатени след формиране на емитера; WE = 700 Å, WB = 2000 Å.
Контактните отвори са силицидизирани с PtSi или TiSi2. Метализацията е
многонивова, както следва: отложен при ниска to (450oC) бариерен слой
Ti ÷ W (1000 Å) / CVD W (4500 Å) / Al ÷ 1,5% Si (4500 Å) / антиотражателно
покритие ARC от Ti ÷ W (500 Å). Бариерният слой освен защитните си
функции осигурява и добра адхезия към диелектрика. Параметри на NPN
транзистора при WE x LE = 1,4 x 2,6 μm: hFE = 75 ÷ 80, базово пинч-
съпротивление RBp= 13 kΩ⁄□, ВUCEO = 8V.
Графиката на Гумел показва добри стойности на коефициента на
идеалност “n” до UВE = 0,9V. Установена е обаче аномално силна зависимост
на hFE от широчината на емитера на транзисторите със силицидизирани
контакти (фиг.1.19), като силното понижение на hFE се обяснява с нарастване
на базовия ток, причинено от рекомбинация на интерфейса силицид/Si във
външната база по периметъра на емитерния окисен спейсър.
Широчина на емитьр wE (μm)
усилване по схема Общ
емитьр hFE
Фиг.1.19
Употребата на слабо легирана външна база LDEB води до двукратно
повишаване на hFE; повишаването 2 пъти на дебелината на окисния спейсър
също се отразява много положително. (LDEB) ограничава разпространението

31. 3 0
на обеднената област на прехода Е/В под спейсъра и по този начин намалява
рекомбинационната компонента на базовия ток.
Използваната метализация (без W-ARC) е характерна за биполярни
цифрови ИС с диоди на Шотки и xjС и xjE от порядъка на десети от микрона.
Явно, за много тънки слоеве тя се е оказала неудачна и други съобщения в
литературата за подобна екзотична метализация липсват.
Интерес представляват изследванията на транзистор с IDP емитер [30],
който беше разгледан във връзка с решаване на затрудненията по намаляване
на hFE при емитери със субмикронна широчина. От табл.1.3, се виждат много
високите, дори нереално високи стойности на hFE и много голямата разлика в
fT между IDP транзистора и конвенционалния транзистор КТр със слабо
легиран поли-Si емитер и йонно легирана база.
Графиката на Гумел показва следните три предимства на IDP
транзистора:
1) При висока поляризация (UВE > 1V), емитерното съпротивление rе е
с 30% по-високо от това на конвенционалния транзистор;
2) При междинни поляризации ( < 0,7V < UВE < 1V ), базовият ток на
IDP транзистора намалява линейно, а този на КТр се задържа с опашка (kink),
така че hFE на IDP транзистора е 5 пъти по-високо от това на КТр, като
повишаването на hFE се дължи на голямото число на Гумел за емитера.
При IDP транзистора намаляването на температурата на отлагане to
отл на
in situ-легирания поли-Si емитер води до силно нарастване на hFE – фиг.1.20,
като при to
отл =510oC, при която IDP-слоят е аморфен, са отбелязани най-
голяма подвижност на токоносителите и най-високо време на живот.
Същевременно се наблюдава понижение на rе, което не може да се обясни със
сегрегационния модел.
Широчина на емитер w(μm) Нормализиран hFE
Фиг.1.20
3) При много ниска поляризация (UВE < 0,7V), конвенционалният
транзистор показва неидеални ВАХ, като “излишният” базов ток се дължи на
ефекта на периметърно обедняване на емитерните отвори. При широчина на
емитера WE < 0,5 μm, hFE на конвенционалния транзистор намалява вследствие
ефекта на запушване на емитера (т.нар. Emitter plug effect) от разредения

32. 3 1
Фиг.1.21
поли-Si. В същото време hFE на транзисторите с IDP емитер нараства с
увеличаване на WE – виж фиг.1.21. Това повишаване на hFE е причинено от
друг тип “plug-ефект” – при тесни IDP-емитери, емитерните отвори се
запълват със силно легиран поли-Si и нарастването на Gue води до
повишаване на усилването по ток.
Повишаването на hFE с намаляване на WE до 0,5 μm се дължи на
изменение на дебелината на емитерния поли-Si електрод – при ецване на
контактните отвори, той също се ецва.
Ниското rе, много високото hFE, идеалните ВАХ показват, че с
(IDP + RVD)-технологията може да се изготвят транзистори с емитери със
субмикронна широчина за ULS IСs.
На фиг.1.22 е показан SIMS-примесен профил на IDP-транзистор с RVD
база.
Фиг.1.22
Вижда се стръмният концентрационен градиент на емитерния примес
(фосфор), докато концентрационният профил на бора съвсем не е от “box”-
тип. Това налага оптимизация на примесния профил на базата посредством
RVD, условия за което има предвид много високото усилване по ток.