Разработка компактной модели кремниевого СВЧ биполярного транзистора с рабочей частотой 5,5 ГГц

1.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»
(НовГУ)
Институт электронных и информационных систем
_______________________________________________________________
Кафедра физики твердого тела и микроэлектроники
РАЗРАБОТКА КОМПАКТНОЙ МОДЕЛИ КРЕМНИЕВОГО
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА С РАБОЧЕЙ
ЧАСТОТОЙ 5,5 ГГЦ
Руководитель
Зва.каф ФТТМ, д.т.н.,проф.
___________ Б.И. Селезнёв
«____» __________ 20__ г.
Студент группы _____
______________ Д.М. Мизёва
«_______»_____________20__ г.

2.

Введение
Компактная модель – это виртуальный аналог реального прибора.
Назначение компактной модели:
- формирование справочных данных о параметрах изготовленного прибора для
потребителя;
- использование указанных данных на этапе схемотехнического проектирования
микроэлектронных устройств, в том числе интегральных схем.
Синтез компактной модели биполярного транзистора может быть выполнен двумя
способами:
- на базе теоретического расчета полной модели вольт - амперные характеристики
(ВАХ) и вольт-фарадные характеристики (ВФХ) путем численного решения системы
фундаментальных уравнений (в диффузионно-дрейфовом и/или гидродинамическом
приближении) с применением одной из программ приборно-технологического
моделирования (например, САПР Sentaurus, TCAD) с последующей экстракцией из нее
параметров компактной модели;
- путем экстракции параметров компактной модели из
экспериментальных данных ВАХ и ВФХ.
Биполярные транзисторы широко применяются в аналоговой электронике в
качестве усилителей дискретных цепей.
Основными их характеризующими параметрами, являются сверхвысокочастотный
(СВЧ) и мощности.
По величине мощности БТ подразделяются на транзисторы малой, средней и
большой мощности.

3.

По величине мощности БТ подразделяются на транзисторы малой, средней и большой
мощности.
Транзисторы малой мощности
используются для работы в низкочастотных
усилителях, в импульсных схемах, в генераторных устройствах, для работы в схемах
усилителей высокой и низкой частоты.
Транзисторы средней мощности применяются в схемах усиления и генерирования
сигналов, в схемах радиовещательных и ТВ приемников, переключательных и усилительных
высокочастотных схемах.
Транзисторы большой мощности используются для работы в схемах преобразователей
постоянного напряжения, высоковольтных стабилизаторах, ключевых схемах.
Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка компактной
(SPICE)-модели кремниевого СВЧ биполярного транзистора с рабочей частотой 5,5 ГГц.
Для ее реализации необходимо выполнить следующие задачи:
- выполнить анализ технологического маршрута изготовления БТ;
- измерение экспериментальных данных для экстракции параметров;
- разработка алгоритма экстракции параметров компактной модели на базе
экспериментальных данных.

4.

1 Принцип работы биполярного транзистора
1.1 Основы работы биполярного транзистора
Принцип работы БТ, основан на взаимодействие двух встречно включенных p–nпереходов, разделенных общей тонкой областью, называемой базой.
Основные процессы, протекающие в биполярном транзисторе, могут быть
описаны математическими выражениями, используемые при расчете параметров SPICE
модели БТ.
Биполярный транзистор образован двумя встречно включенными p–n-переходами,
как показано на рисунке l.
Первый из них образован эмиттерной и базовой областями.
Второй p–n-переход образован базовой и коллекторной областями.
Рисунок 1 – Структура n–p–n биполярного транзистора
На рисунке 2 показана зонная диаграмма биполярного транзистора для основного
режима работы: на эмиттерный переход подано прямое смещение, на коллекторный –
обратное. Здесь положение квазиуровней Ферми в трех областях транзистора
(пунктирные линии) отражает уровень легирования соответствующих областей.

5.

Рисунок 2 – Зонная диаграмма для нормального режима работы БТ
Для обеспечения эффективной работы БТ необходимо, чтобы ширина базы была много
меньше диффузионной длины неосновных носителей, что необходимо для минимизации
числа рекомбинирующих носителей в процессе пересечения ими области базы.
Инжекция неосновных носителей в базу происходит вследствие понижения высоты
потенциального барьера эмиттерного перехода при подаче на него прямого смещения,
поэтому величина коллекторного тока (выходные характеристики транзистора) фактически
управляется током, текущим через эмиттерный переход. Этот ток связан с базовым током,
который часто является более удобным параметром для управления работой биполярного
транзистора.
По сравнению с двумя обедненными областями, связанными с соответствующими
переходами, базовая область остается электрически нейтральной, поэтому основным
механизмом переноса неосновных носителей через нее является диффузия (за исключением
случая присутствия в базе внутреннего электрического поля по причине наличия в ней
градиента концентрации легирующей примеси).
Взаимодействие между двумя переходами транзистора осуществляется благодаря
относительно тонкой базе.

6.

1.2 Режимы включения
Типовой режим работы биполярного транзистора использует включение эмиттерного
перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном. Это так называемый
нормальный активный режим работы, который используется в устройствах, предназначенных
для усиления сигналов.
Приведенная на рисунке 3 эквивалентная схема является симметричной, поэтому
транзистор должен функционировать и при инверсии напряжений на p–n-переходах, коллектор
должен выполнять функции эмиттера, а эмиттер – коллектора.
Однако в отличие от эквивалентной схемы для оптимизации работы в реальном БТ
эмиттер имеет более высокую степень легирования, база – промежуточную, а коллектор –
наиболее низкую. Эта асимметрия приводит к тому, что параметры транзистора в инверсном
активном режиме значительно уступают таковым в нормальном активном режиме работы.
Поэтому инверсный режим работы практически не используется в усилительных схемах.
Наряду с отмеченными режимами работы, БТ может работать еще в двух режимах.
Один из них, называемый режимом насыщения, реализуется при подаче на оба перехода
прямого смещения. Это приводит к одновременной инжекции носителей обоими переходами,
что обеспечивает малое сопротивление транзистора.
Следующий режим – режим отсечки, он предполагает подачу на оба перехода обратного
напряжения.
Два последних из отмеченных режимов работы транзистора используются в цифровых
схемах для реализации состояний логического нуля и логической единицы соответственно.

7.

2 Описание технологического маршрута изготовления малошумящих биполярных
транзисторов
1. Хим. обработка и отмывка.
Пластины обрабатываются в перекисно-аммиачном растворе и отмываются
деионизованной водой. Операция проводится перед всеми термическими операциями,
ионным легированием и напылением металлов.
2. Окисление.
Окисление производится в сухом кислороде и парах воды при температуре 1000
0С
20
минут
в
кислороде,
40
минут
в
парах
воды,
20 минут в кислороде;
Толщина окисного слоя 0.6 мкм для малошумящих биполярных
n-p-n транзисторов малой и средней мощности ;
Толщина окисного слоя 0.4 мкм для биполярного n-p-n транзистора большой
мощности .
3. 1-я фотолитография.
Вскрываются окна к области коллектора, в ней остаются закрытыми
«островками» двуокиси кремния области, в которых будет сформирована «активная»
база, а впоследствии в этих областях будет сформирована область эмиттера. После
совмещения, экспонирования и проявления производится ионно-химическое травление
двуокиси
кремния
до
толщины
0,07-0,1 мкм.
Режим травления: ускоряющее напряжение 3 кВ, ток 200 мА, время 30-40 мин.

8.

Дотравливание «островков» с доведением их
ширины до 2-3 мкм для малошумящих биполярных n-pn транзисторов малой и средней мощности и до 5,5-6,5
мкм для биполярного n-p-n транзистора большой
мощности производится химически.
4. Формирование «пассивной» базы путём
ионного легирования и отжига.
Для
малошумящих
биполярных
n-p-n
транзисторов малой и средней мощности :
Энергия ионов BF2+ 50 кэВ, доза 800 мкКл;
Глубина залегания слоя 0,35-0,45 мкм.
Для биполярного n-p-n транзистора большой
мощности производится химически :
Энергия ионов BF2+ 100 кэВ, доза 800 мкКл;
Глубина залегания слоя 0,5-0,65 мкм.
5. 2-я фотолитография.
Удаляются
«островки» двуокиси кремния,
маскирующие область будущей «активной» базы.
Травление производится химически.

9.

6. Ионное легирование «активной» базы.
Для
малошумящих
биполярных
n-p-n
транзисторов малой и средней мощности :
Энергия ионов В+ 50 кэВ, доза 3 мкКл;
Глубина залегания слоя 0,2-0,22 мкм.
Для биполярного n-p-n транзистора большой
мощности производится химически :
Энергия ионов BF2+ 100 кэВ, доза 4 мкКл;
Глубина залегания слоя 0,29-0,32 мкм.
7. Нанесение пиролитической плёнки двуокиси
кремния SiO2 и нитрида кремния Si3N4.
SiO2: Температура процесса 680 0С.
Способ нанесения - испарение тетраэтоксисилана
в вакууме.
Si3N4: Температура процесса 850 0С
Способ нанесения – химическое осаждение из
газовой фазы (реакция смеси моносилана с аргоном и
амиаком при температуре, в вакууме).
Толщина и состав плёнки:
Для
малошумящих
биполярных
n-p-n
транзисторов малой и средней мощности : SiO2-0,1 мкм,
Si3N4-0,1
мкм,
SiO2-0,2 мкм;
Для биполярного n-p-n транзистора большой
мощности : SiO2-0,4 мкм.

10.

8. Отжиг «активной» базы.
Для малошумящих биполярных n-p-n транзисторов малой и
средней мощности :
Фотонный отжиг, температура 1020 0С, время 10 сек;
Для биполярного n-p-n транзистора большой мощности :
Термический отжиг, температура 1000 0С, время 10 мин.
9. 3-я фотолитография.
Вскрываются эмиттерные окна.
Эмиттерная полоска (окно) должна вписаться в «островок»
шириной 2-2,5 мкм. Ширина «окна» 0,8-1,0 мкм для малошумящих
биполярных n-p-n транзисторов малой и средней мощности и 1,6 для
биполярного n-p-n транзистора большой мощности. Травление
производится ионно-химическим способом 20-30 мин.
10. Третье ионное легирование («эмиттер»).
Для малошумящих биполярных n-p-n транзисторов малой и средней
мощности :
Энергия ионов мышьяка 50 кэВ, доза 800 мкКл;
Глубина залегания эмиттера 0,1-0,14 мкм;
Подробно профили залегания «эмиттера» и «базы» изображены на
рисунках 20, 22.
Для биполярного n-p-n транзистора большой мощности :
Энергия ионов мышьяка 100 кэВ, доза 1000 мкКл;
Глубина залегания эмиттера 0,17-0,25 мкм.

11.

11. Отжиг эмиттера.
Фотонный, Т=950 0С. Время 15-30 сек. Для
малошумящих биполярных n-p-n транзисторов малой и
средней мощности ;
Термический Т=950 0С. Время 10-25 мин. Для
биполярного n-p-n транзистора большой мощности.
12. 4-я фотолитография.
Вскрываются контактные окна к базе;
Травление ведётся так же, как и при 1-ой
фотолитографии.
13. Напыление системы металлизации титан-платиназолото.
Для малошумящих биполярных n-p-n транзисторов малой и
средней мощности :
Напыление производится в одном процессе на установке
электронно-лучевого напыления «EvoVac».
Толщина слоя титана 0,13 мкм;
Толщина слоя платины 0,15 мкм;
Толщина слоя золота 0,35 мкм.
Для биполярного n-p-n транзистора большой мощности :
Напыление
производится
методом
магнетронного
распыления и термического испарения;
Титан напыляется магнетронным способом. Толщина 0,13
мкм;
Платина напыляется магнетронным способом. Толщина 0,2
мкм;
Золото напыляется термически. Толщина 0,7 мкм.

12.

14. 5-я фотолитография.
Формируется контактная металлизация к
областям базы и эмиттера;
Травление
металлизации
производится
ионами аргона;
Время травления 40-50 мин.
15.
Сошлифовка
обратной
стороны
пластины.
Пластины шлифуются до толщины (160-180)
мкм;
Перед сошлифовкой пластины защищаются
фоторезистом.
16. Напыление Au толщиной (0,05-0,1) мкм
на обратную сторону пластины.
Вжигание
металлического
слоя
осуществляется при T = 300 oC и 360 oC, в течение
120 и 30 минут, соответственно;
Производится для улучшения контактного
сопротивления;

13.

Рисунок – Готовая транзисторная структура
малошумящих биполярных n-p-n транзисторов
малой и средней мощности,
Э – эмиттерная контактная площадка;
Б – базовая контактная площадка
Рисунок – Готовая транзисторная структура
биполярного n-p-n транзистора большой
мощности,
Э – эмиттерная контактная площадка;
Б – базовая контактная площадка

14.

Список использованных источников
1
Дворников
О.
Проектирование
и
моделирование
/
О.Дворников,
Ю.Шульгевич // Современная электроника. – М.: СТА–Пресс, 2009. – C. 48–
53.
2 Абрамов И.И. Моделирование элементов интегральных схем: курс лекций. –
Мн.: БГУ, 1999. – 92 с.
3 Compact Modeling Principles, Techniques and Applications. Ed. Gildenblat. –
Hardcover, 2010. – 527 p.
4 Steven M. Sandler SPICE Circuit Handbook / Steven M. Sandler, Charles
Hymowitz. – McGraw-Hill, 2006. – 311 p.
5 Nonlinear Transistor Model Parameter Extraction Techniques // Ed. Matthias
Rudolph. – Cambridge University Press, 2012. – 352 p.
6 Петров М.Н. Моделирование компонентов и элементов интегральных схем:
учебное пособие / М.Н.Петров, Г.В.Гудков. – СПб. – М.: Лань,
с.
2011. – 464