创新SiGe HBT拓扑提高电热行为外文翻译资料

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创新SiGe HBT拓扑提高电热行为

Rosario Drsquo;Esposito, Seacute;bastien Freacute;gonegrave;se, Anjan Chakravorty, Member, IEEE,

Pascal Chevalier, Member, IEEE, Didier Ceacute;li, and Thomas Zimmer

摘要——本论文研究锗硅异质结双极晶体管的替代拓扑结构，以改善其安全运作特性。分析比较了各种结构的电、热性能，并详细讨论了各种结构的优缺点。所研究的测试结构在发射手指布局和后端金属堆方面是不同的。可以观察到，具有不均匀手指长度的多指型晶体管结构，以及更宽的被深沟槽包围的区域和更高的金属堆，也可以改善热性能。因此，在可以不降低射频性能的前提下，延长多指晶体管的安全工作区域。

关键字——线后端(BEOL)，深沟槽，发射极布局，多指晶体管，安全工作区(SOA)，锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBTs)，热电阻。

一.绪论

目前最先进的锗硅异质结双极管（SiGe HBTs）对毫米波很有吸引力，在亚太赫兹有良好的性能^[1]-[2],与其他高功率应用技术相比，SiGe技术仍是首选的技术，特别是其良好的性能和较低的成本，使其成为大规模生产市场的良好选择^[3]-[5]。由于计算机辅助设计技术（TCAD）、紧凑建模技术和表征活动技术对此技术的支撑，使得该技术的进一步发展成为可能^[1][6][7]。

对于这种技术，多指晶体管结构通常是首选，因为在各种优点中，与具有相同发射极面积的单个HBT相比，多指晶体管具有更好的电流处理能力和更好的热损耗。因此，它们是在高频率上提供高功率的首选。然而，在这样的装置中，在静态^[8]-[9]和动态^[10]操作中，不同手指之间会产生热耦合效应，导致结构内部的热分布不平衡，中央手指达到最高温度^[11]。由于这些元件具有正的电热反馈，温度越高的手指会驱动更多的电流，从而产生电热回路，从而(连同冲击电离效应)降低性能，最终导致不稳定和设备故障。在共发射极结构中，当基极-发射极电压V_BE^{[12] -[14]}激励时，集电极电流的反激特性限制了不稳定性。

使用镇流电阻^[15]是提高多指HBTs热稳定性的方法之一，但这种方案会导致晶体管的输出功率和功率添加效率下降。为了更好的热稳定性、避免热点的形成，提出了替代技术 ^[16]-[17]，本质上倡导增加中央发射器的手指之间的间距或减少中央手指的长度来减少相互热耦合, 在区域产生较低的热量。

利用线后端(BEOL)金属化的原理在最近的一些制作^[18]-[21]中得到了应用，表明最新技术对SiGe HBTs的热行为具有重要的影响。在这些工作中，通过TCAD模拟或分析建模的方法分析了BEOL对HBTs热性能的影响。在优化这些BEOL堆栈方面，文献中可获得的信息有限。例如，在^[22]中，提出了一些创新的测试结构来研究伪金属层产生的应变对晶体管基带间隙的影响。金属堆放置在晶体管有源部分的上方,其结果是集电极电流的增加以及更高的传输频率(f_T)。这种改进的电学性能是由基地能带结构的变化引起的,而热学性能没有得到明显的改善,可能由于伪金属层不通过连接的发射极,当设备在高功率消耗的^[23]下运行时达到高温。

本文分别研究了两种改进电热性能的方法，并对一定数量的测试结构进行了电和热特性表征。我们基本上提出了一些专用的测试结构，其中晶体管在水平面上修改，作用于布局或在垂直平面上，添加伪金属层。

本文分为几个部分，在第二部分，我们介绍了创新的测试结构；第三部分比较了不同晶体管的电特性；第四部分比较了

图1所示。由CBEBC配置的五指晶体管组成的VM8测试结构的3-D 图像，金属的颜色是:绿色为基极，蓝色为集电极，紫色为发射极。

它们的热特性；最后在第五部分对频率值进行了评估。

二.测试结构的描述

我们设计并实现了ST微电子BiCMOS 55-nm技术中七种不同的测试结构。每个结构由一个五指的SiGe HBT组成，其触点具有CBEBC安排。多指晶体管连接在一个共同的发射极结构中，基极和集电极可以从接地装置接入，这些基极和集电极是通过接地信号的接地结构实现，以避免振荡。

如前所述,采用两种不同的方法来观察可能提高晶体管的热行为:（1）改变发射器的结构布局,本质上修改晶体管在水平面以下金属-1接触(称为HL晶体管)；（2）添加金属栈在垂直平面上(称为VM晶体管)。在前一组中，我们修改了晶体管的有源部分，而后一组只意味着金属化的改变，使有源晶体管不变。

图1所示为VM8测试结构的三维再现图:可以注意到，五个发射器与接地层进行电连接，从金属-1到金属-3都是属于紫色的金属堆；该电连接采用三层金属层，以便于为发射极提供与地面的可靠连接(根据B55设计手册中规定的可靠性规则); 从图中可以得知，这些电连接以一种积极的方式参与了热耗散。

红色的金属堆表示作为热扩散器的附加层(从测试结构VM8的金属-4到金属-8)，以提供更好的热性能。考虑到在图1中，直到金属-6的堆栈可以代表测试结构VM6，而如果我们忽略所有红色金属层，它就可以表示测试结构VM3。

表1影响材料热性能的因素电阻的最主要特性:二氧化硅、硅和铜

为了更全面地研究BEOL的影响，还实现了另一种名为VM1的结构，其中放置在发射器接触点上方的金属堆的金属-2和金属-3已被移除，因此发射极仅使用金属-1与地面电连接。基极和集电极连接分别用图1中的绿色和蓝色表示，它

们在金属-8级连接到传输线(图中未显示)，而发射极连接到保护环，然后再连接到接地层(部分可见)。这些测试结构背后的原理是，BEOL金属化位于发射极触点上，可以允许热通量的替代路径。事实上，如表1所示，铜在晶体管结构中具有最高的热导率，它的存在有助于垂直传输热量，从而降低了热阻。

测试结构HL1、HL2和HL3的目标是使用不同的策略使发射手指的温度分布更加均匀。事实上，由于热源之间的热耦合和深沟隔离(DTI)^[11]、[16]的存在，多指HBTs存在热失衡。在测试结构HL1中（其手指布局如图2(b)所示），三个中心手指被设计得比两个侧手指短。这样一来，虽然结构中心的散热比侧面的散热小，但发射体的长度却不是均匀分布的，从而保证了与VM结构相同的总发射面积(A_E)。这意味着一个扩大的DTI封闭区(12.75times;6.81mu;m²)与VM结构(12.75times;5.63mu;m²)。

在测试结构HL2和HL3(参考图2 (c)和(d)),图一和手指-5的长度,保持相同的(5mu;m²),但手指2-4的长度是减少到3.91mu;m²,功耗就越低,因此较低的温度结构的中心。出于这个原因,总Ais略低于其他结构(3.9mu;m²到 4.5mu;m²),但DTI封闭区域是一样的VM的测试结构。在HL3的情况下，这种减少已经通过发射极分割^[12]、[24]实现。

图2所示。测试结构的手指布局，Dt显示为橙色，而绘制的五个发射极窗口显示为蓝色。(a) VM测试结构的DTI封闭区域为71.78mu;m²，A_E = 4.5mu;m²。 (b) HL1测试结构的DTI封闭区域为86.83mu;m²，A_E = 4.5mu;m²。(c) HL2测试结构的DTI封闭区域为71.78mu;m²，A_E =3.91mu;m²。 (d) HL3测试结构的DTI封闭区域71.78mu;m²，A_E = 3.91mu;m²。

三.直流电特性

利用Keysight K5270B直流分析仪对其结构进行了直流特性表征，测量是在装有热卡盘的探头上进行的。图3为不同V_BE值VM测试在卡盘温度T=320K下测量的输出曲线，在x轴上绘制的V_CE值考虑装置寄生电阻上的压降，从而显示有效输出晶体管的特性。很明显，经过一定的功率损耗(P_diss)后，由于每个测试结构的热阻不同，晶体管开始表现不同。事实上,一旦达到相对较高的(P_diss)值(在该地区的情节突出显示虚线圆,总(P_diss)值的估计范围在50到190兆瓦), 就达到不同的结温值（T_j）,根据组件的热阻。一旦结温值足高，它就开始更强烈地影响晶体管的电特性。当由一个基本电压驱动时(如在我们的测量设置)，晶体管的集电极电流表现为正的电热反馈，因此当更强烈的自热效应出现时，其值会增加。如果晶体管的热阻很高，集电极电流的变化会更明显，应该注意的

是V_BE=0.875v；如果基极-发射极电压进一步增加，则会发生其他效应，如雪崩增殖、碰撞电离和占主导地位的自热效应，以及观察到的集成电路变化不同测试结构之间的距离减小。结果我们得到了集电极电流在高功耗区的显示，从结构VM1传递到结构VM8，会导致（在偏压点V_BE=0.875v时）集电极电流下降约12%，V_CE=1.42v。该集电极电流可归因于较低的热阻，晶体管VM8与VM1的比较，同样的偏置点，从VM1切换到VM8，观察到基极电流减少51%，导致直流电流增益约为34%。从VM6传递到VM8时，注意到集电极电流没有明显的变化。

图3所示，比较晶体管虚拟机的输出特性。V_BE从0.825扫到0.9 V。附图显示了在V_BE = 0.875 V的中等V_CE范围内，机械应力的影响。

图4所示，试验结构用集电极电流密度J_C，使用VM3作为参考，V_BE从0.825扫到0.9 V。

另一方面,我们可以清楚在图3的附图中看到,输出曲线的低V_CE地区(功耗很低),测试结构VM8的I_C略高于VM1(可以观察到在V_BE = 0.9 V和V_CE=0.6 V 时增长4.5%)。这是由于伪金属层的机械应变效应导致HBT的能带结构的变化,如^[22]所述。

关于HL的测试结构，我们将考虑两个不同A_E值的晶体管;因此，在图4中，我们将测量到的电流密度Jas作为V_CE的函数来进行比较(也添加了参考结构VM3的结果)。从图中可以看出，对于最高的P_diss(V_CE= 1.42 V, V_BE= 0.875 V)所对应的偏置点，从结构VM3到结构HL1的J_C减少了18%。在高功率密度中，结构HL2、HL3减少的J_C更低，因此,他们似乎倾向于从电热的角度来看,根据这一事实,由于他们减少A_E 值，他们应该有一个更高的热阻，这方面将进一步在第四部分讨论。

如图5所示，在策划和测量、分析输出电导(g_out)。我们可以推

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