【正文】 時仍可獲得高的電流增益；小的基區(qū)電阻和小的收集極/基極電容是獲得fmax的必要條件，設(shè)計中由于基區(qū)重?fù)诫s，所以基區(qū)本征電阻很小，基區(qū)接觸電阻占主導(dǎo)地位，Pt－Au或Cr－Pt－Au合金作接觸可改善基區(qū)接觸電阻，很容易獲得極小的基區(qū)電阻，所以fmax得到提高；另外由于基區(qū)電阻小，DBAG HBT的噪聲特性很好。漸變的Ge組分的形式在基區(qū)形成一個漂移場，減小了基區(qū)渡越時間，改善了fT特性；基區(qū)摻雜濃度較低，通過選用大的NE/NB的比值可以提高β；同時，IBM設(shè)計方案也獲得了較好的基區(qū)電阻和寄生效應(yīng)，從而得到較高的fmax和很低的噪聲。在實際的設(shè)計中，我們傾向于均勻Ge組分的高摻雜的Temic設(shè)計。目前主要的制備SiGe HBT的工藝有四種：（1）雙臺面工藝[13，14]（包括非鈍化的雙臺面工藝（NPD）和鈍化的雙臺面工藝（NP））；（2）差分HBT工藝[15～17]；（3）選擇外延工藝和[18～20]；（4）選擇與非選擇外延結(jié)合的工藝[21]。我們先討論NPD－臺面工藝，該工藝非常簡單。在埋層形成之后，生長各層，然后光刻發(fā)射極，接觸用Pt/Au合金（20/300nm）。晶體管電極間的隔離用氣橋來實現(xiàn)。非鈍化的臺面的表面不是很理想的。顯然這種工藝不適用于大規(guī)模生產(chǎn)，但它很適合作實驗研究。差分外延是在淺刻蝕或LOCOS氧化隔離區(qū)域完成后，在n型Si收集區(qū)上生長單晶SiGe，場氧上生長多晶SiGe。多晶硅發(fā)射區(qū)又可以作為自對準(zhǔn)外基區(qū)注入的掩模，如圖6所示。外基區(qū)注入同時滲透到SiGe基區(qū)和Si帽層，導(dǎo)致后面退火過程中的瞬態(tài)增強(qiáng)擴(kuò)散。C。最近的研究表明用該方法所得的fT和fmax大約為90GHz[22]。先生長一層氧化層、一層p+摻雜的多晶硅層、一層氮化物淀積層。SiGe基區(qū)通過選擇外延生長，在裸露的收集區(qū)上生長出SiGe單晶基區(qū)，在懸臂p+多晶硅下生長SiGe多晶，形成一個嫁接基區(qū)，當(dāng)嫁接基區(qū)和選擇SiGe基區(qū)接觸后，生長停止。該過程的特點是，外基區(qū)在外延之前形成，這樣就不需要對SiGe外延層進(jìn)行注入，避免了瞬態(tài)增強(qiáng)擴(kuò)散。選擇Si收集極在場氧的有源區(qū)窗口開過以后生長，在生長SiGe基區(qū)和Si帽層時生長條件變成非選擇性的。首先，收集區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)在同一步外延步驟生長，取消了單獨的收集結(jié)外延步驟。這樣任何雜質(zhì)，例如氧和炭，在生長界面對晶體管的特性影響很小。早期的SiGe HBT是用簡單的臺面工藝制備。后來的研究集中于平面工藝的探索。我們認(rèn)為，相比其他工藝方法而言，雙臺面工藝過程最為簡單、熱耗最低、可行性最大，所以我們采取此工藝來制備SiGe HBT。 和工藝相關(guān)的寄生效應(yīng)  寄生勢壘效應(yīng) 基區(qū)硼的外擴(kuò)散會導(dǎo)致寄生勢壘的產(chǎn)生。從高摻雜的SiGe基區(qū)向Si發(fā)射區(qū)或收集區(qū)擴(kuò)散少量的硼都可能在導(dǎo)帶產(chǎn)生寄生勢壘[24]，嚴(yán)重影響器件特性。集電極寄生勢壘見圖9。 圖9 寄生勢壘和偏置電壓的關(guān)系 圖10 SOI襯底上的SiGe HBT大注入效應(yīng) SiGe HBT中的大電流效應(yīng)為Kirk效應(yīng)。由于集電結(jié)界面的價帶結(jié)構(gòu)的作用，基區(qū)的空穴被阻擋不能進(jìn)入集電區(qū)，空穴積累在集電極基區(qū)的一側(cè)，它導(dǎo)致電子集聚在結(jié)的集電區(qū)的另一側(cè)?；鶇^(qū)存貯了過量電荷，β和fT都下降。 SOI襯底上的SiGe HBTSiGe LPCVD和原片鍵合技術(shù)的結(jié)合使絕緣體上的SiGe HBT技術(shù)成為可能。原片有一層1μm厚的氧化埋層。晶體管的收集極采用選擇外延生長，接下來是生長p＋基區(qū)和nSi發(fā)射帽層的非選擇外延層。用該工藝制備的復(fù)用器、乘法器已經(jīng)可以穩(wěn)定地工作于20Gb/s。
四 SiGe HBT在高頻電路中的應(yīng)用
具有于BiCMOS高度集成的特點使SiGe HBT在模擬和數(shù)字電路應(yīng)用中格外引人矚目。表1[26]表示各高頻電路的特點和技術(shù)要求。當(dāng)輸入信號很小時，它能夠無附加噪聲（低噪聲）的放大，以達(dá)到所要求的信躁比；當(dāng)輸入信號很大時，LNA可以無失真地接受大信號。LNA設(shè)計要求同時滿足高增益、低噪聲、輸入輸出匹配、無條件穩(wěn)定、高線性度和高IP3。單個的參數(shù)不能準(zhǔn)確地對所有的RF電路進(jìn)行優(yōu)化權(quán)衡，DRM系數(shù)的目的就是將增益、功耗、噪聲系數(shù)和失真聯(lián)系起來形成一個參數(shù)以進(jìn)行LNA應(yīng)用的工藝比較。這些參數(shù)表明SiGe HBT器件完全可以滿足RF電路的要求，并能用基于200mm原片的Si CMOS工藝制作，功耗低。其他沒有考慮的特性是1/f噪聲和器件匹配，這些可以進(jìn)一步提高SiGe HBT電路的性能。這是一個典型的LNA，在輸入和輸出回路分別加上了旁路電容，它可以提高電路的線性度。Vsup＝。Vce=2V。Ic=。Gain=。NF=。IIP3=+5dBm。IRL=13dB。ORL=11dB。Isolation=27dB SiGe功率放大器（PA） 在無線通信領(lǐng)域功率放大器一直是GaAs基器件（HEMT、MESFET和HBT）的天下。一類是高效無線功率放大器，通常峰值電壓是供給電壓的2到3倍，這就要求器件具有高的擊穿電壓。全效率（overall efficiency）和功率增加效率（Power－added efficiency）是衡量功率放大器的重要指標(biāo)。目前研制的SiGe PA在效率最大時，640μm2的功率器件可以在900MHz提供大于70％的PAE，在2GHz時其值為63％；這么高的效率能和其他最先進(jìn)的功率放大器相媲美[29，30]。該類功率放大器最主要的指標(biāo)是在滿足相鄰的通道功率比（AdjacentChannelPowerRatio）條件下放大器所能獲得的效率。即該類PA要求最小失真條件下的最大效率。另外，既然SiGe HBT具有小的VCE，SAT（和GaAs相比），PA性能在VC＝。這些結(jié)果表明SiGe可以滿足飽和和線性的手機(jī)功率放大器所需的性能要求[24]。表1給出了VCO的設(shè)計要求。相關(guān)的相位噪聲[31]為 1/4Q2（Δw/w0)2Pnoise/Pcarrier，其中Q是開環(huán)品質(zhì)因數(shù)，Δw是頻率偏移，w0是中心頻率，Pnoise是每個噪聲源的譜密度。電感的Q值的提高、變?nèi)荻O管質(zhì)量的改進(jìn)和SiGe技術(shù)的引進(jìn)使VCO性能得到改善。[32]，調(diào)諧范圍600MHz，在偏離中心頻率1MHz處的相位噪聲僅為－104dBc Hz－1，輸出功率－5dBm，功耗僅為65mW。它們是實現(xiàn)SOC SiGe BiCMOS集成的必要元件。一般說來，電阻是由單晶硅或多晶硅材料制成。通過改變多晶硅淀積技術(shù)可以改變多晶硅晶體結(jié)構(gòu)，因此可以改變電阻的阻值。方塊電阻越低，阻值越容易控制?，F(xiàn)在在SiGe BiCMOS應(yīng)用中發(fā)展了薄膜電阻，容差和寄生電容都得到減小。 電容 半導(dǎo)體工藝中電容主要有三種基本類型：(1）多晶硅柵襯底電容（MOS電容）；(2）多晶硅－電介質(zhì)－多晶硅電容（polypoly電容）；(3）金屬－絕緣體－金屬電容（MIM電容）。三種電容的特性概括于表3[24]。通過比較電壓系數(shù)可知多晶－多晶電容具有最大的線性V－C關(guān)系，但MIM電容的Vcc更接近0。所以要提高M(jìn)OS電容的Q值就必須減小串聯(lián)電阻。表3 不同電容參數(shù)的比較ParameterMOSPOLYMIM單位面積容值(fF/μm2)容差 %151515TCC(ppm/℃)404022Vcc(ppm/V) +6660291840Vcc(ppm/V) 3330399237最大電壓(V)552GHz時的Q值207080電感 電感的三個關(guān)鍵參數(shù)是Q值、電感值和所占面積。圖12畫出了螺旋電感的剖面圖和它的等效模型。為了減小寄生效應(yīng)獲得高的Q值，可以減小串聯(lián)電圖12 電感的剖面圖和它的等效電路 圖13 三種變?nèi)荻O管 菱形點是MOS變?nèi)荻O管,三角形是定制注入的結(jié)型,二極管圓形是未定制的結(jié)型二極管阻、改變有效襯底電阻和減小氧化電容。這種方法可以將Q值提高100％左右[34]。通常用高阻值的襯底和采用接地板的方法可以減小襯底的損耗。減小氧化層電容也可以將Q提高20％左右[24]。把一個FET的偏置從積累變到反型，電容會發(fā)生很大變化，可用作變?nèi)荻O管。MOS變?nèi)荻O管的調(diào)諧范圍大但線性度差。通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的注入可以改善其調(diào)諧范圍?？梢?，調(diào)節(jié)注入的結(jié)型二極管的調(diào)諧范圍明顯高于其他類型的變?nèi)荻O管。串聯(lián)電阻越小，Q越高。
五 結(jié) 語 自20世紀(jì)80年代末前第一個功能SiGe HBT問世以來，SiGe技術(shù)發(fā)展迅速。而今，IBM已研制出350GHz的SiGe HBT管，正在研制工作在150GHz以上的用于通信系統(tǒng)的電路芯片。隨著SiGe HBT BiCOMS工藝的發(fā)展，隨著光纖通信和全球無線通信市場對高速器件的需求不斷增長，原先僅為化合物半導(dǎo)體才能勝任的領(lǐng)域SiGe器件也可實現(xiàn)，且其成本卻要低的多。SOI等襯底技術(shù)的引入，SiGe HBT和其他無源器件的發(fā)展給現(xiàn)有的Si基工藝帶來了新的發(fā)展，將完全有能力實現(xiàn)工作在100GHz以上的超高速電路。SiGe HBTs and the Application in RF Circuits
Yao Fei, Cheng Buwen
(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100083, CHN)Abstract The silicon germanium(SiGe) heterojunction bipolar transistor(HBT) is the first practical bandgapengineered device to be realized in bination of SiGe HBT39。 HBT。 RF。PA。02. Digest. International , 2002: 771 7745 Jain S C,Germaniumsilicon strained layers and heterostructures，Advances in Electronics and Electron Physics Series (Suppl. 24) ed P W Hawkes (Boston: Academic)，19946 Ansley W E, Cressler J D and Richey D M,Base profile optimization for minimum noise figure in advanced UHV/CVD SiGe HBTs，IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 1994, : 653607 Hawkins R J,Limitations of Nielsen39。onig U and Gruhle A ,High frequency SiGe heterostructure devices, Proc. IEEE/Cornell Conf. On Advanced Concepts in High Speed Semiconductor Devices and Circuits (Cat. No 97CH36078) 1997: 1423,10 Sch168。onig U , Enhanced SiGe heterojunction bipolar transistors with 160 GHz fmax, Int. Electron Device Meeting Tech. Digest 1995: 743611 Arndt J, Dietrich H, Sch168。s for mobile munication systems using SiGe bipolar technologyMicrowave Theory and Techniques, IEEE Transactions on , May 1998 Volume: 46 Issue: 5 , pp. 661 66818 Sato F，Hashimoto T，Tatsumi T and Tashiro T， Sub20 ps ECL circuits with highperformance super selfaligned selectively grown SiGe base (SSSB) bipolar transistors Electron Devices, IEEE Transactions on , Volume: 42 Issue: 3 , Mar 1995, pp. 483 48819 Meister ，Schafer H， Franosch M， Molzer W，Aufinger K， Scheler U， Walz C， Stolz H，Boguth S and Bock J， SiGe base bipolar technology with 74 GHz fmax and 11 ps gate delayElectron Devices Meeting, 1995., International, 1013: 739 74220 Washio K，Ohue E，Oda, K，Tanabe M，Shimamoto H，Onai T and Kondo M，A selectiveepitaxialgrowth SiGebase HBT with SMI electrodes featuring ECLgate delay Electron Devices, IEEE Transactions on , Jul 1999,Volume: 46 Issue: 7 , 141621 Schiz ，Lamb ， Cristiano F， Bonar J