一種用于射頻和微波測(cè)試系統(tǒng)的GaAsSb雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管集成電路DHBT技術(shù)

Abstract— 一種用于射頻和微波測(cè)試系統(tǒng)的高性能GaAsSb基區(qū)，InP集電區(qū) DHBT IC 工藝被成功研發(fā)。這種GaAsSb工藝使得在工作電流為JC = 1.5 mA/µm²時(shí)fT 和 fmax分別達(dá)到了 185 GHz and 220 GHz，JC = 1.3 mA/µm²時(shí)開態(tài)擊穿電壓為BVcbx = 9 V 。典型  = 50。最大工作條件下 (Tj = 125 ºC, JC = 2.0 mA/µm²) 達(dá)到MTTF> 1 × 106 小時(shí)的壽命使之適用于測(cè)試級(jí)別的應(yīng)用。DHBTs 集成了3層互聯(lián)金屬，包括2級(jí)電阻和MIM電容。在3”生產(chǎn)線上這種IC 技術(shù)已被用于制造Agilent Technologies instrumentation 產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞—DHBT, 磷化銦, 晶體管, 測(cè)試儀器，GaAsSb

I. 簡(jiǎn)介
一種用于射頻和微波測(cè)試儀器的高性能GaAsSb基區(qū)，InP集電區(qū)雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管集成電路（DHBT IC）工藝被成功研發(fā)。其特有的高射頻功率和單位面積增益，出色的增益和開啟電壓一致性，大的跨導(dǎo)，低的1/f 和相位噪聲使得HBT IC成為一種對(duì)于測(cè)試儀器極具吸引力的先進(jìn)技術(shù)。

InP 技術(shù)拓展了原有InGaP/GaAs 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管集成電路HBT IC技術(shù) [1][2]， 在不犧牲可靠性和可制造性的基礎(chǔ)上使得測(cè)試儀器的性能達(dá)到67GHz和54Gb/秒。 與GaAs相比InP具有非常優(yōu)異的材料特性，例如更高的飽和及峰值電子速率，更高的熱導(dǎo)率，更低的表面復(fù)合速率，以及更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。然而，在傳統(tǒng)的GaInAs 基區(qū)/InP 集電區(qū)雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管DHBT中存在集電結(jié)異質(zhì)界面導(dǎo)帶不連續(xù)。解決這種 I 型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的問(wèn)題需要認(rèn)真設(shè)計(jì)能帶梯度以消除低偏置下集電區(qū)電子的阻塞。 與之相比，選擇GaAsSb作為基區(qū)，InP 作為集電區(qū)能夠形成沒(méi)有阻塞效應(yīng)的

 II 型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持窄的基區(qū)帶隙所具有的低開啟電壓和低功耗特性[3]. 結(jié)合其在復(fù)雜電路中良好的熱學(xué)特性，以GaAsSb/InP為 基區(qū)/集電區(qū)的高速、高擊穿電壓異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT非常適用于測(cè)試儀器產(chǎn)品。

II.    制備工藝
制備工藝采用1 µm 臨界尺寸G-線分步光刻。在半絕緣InP襯底上通過(guò)分子束外延方法生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 HBTs各外延層，形成 1 × 3 µm² 最小尺寸發(fā)射極和自對(duì)準(zhǔn)蒸發(fā)基極金屬電極。 采用選擇性和非選擇性濕法腐蝕工藝，以及非選擇性Cl2/Ar-基電感應(yīng)耦合等離子體(ICP) 干法刻蝕工藝制備發(fā)射極臺(tái)面，基區(qū)歐姆接觸電極，基區(qū)/集電區(qū)臺(tái)面，次集電區(qū)隔離臺(tái)面。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）Si3N4 作為鈍化介質(zhì)。晶體管集成了22歐姆/sq Ta2N 電阻， 250 歐姆/sq WSiN 電阻和PECVD淀積Si3N4 的0.58 fF/µm² 金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM 電容。聚苯丙環(huán)丁烯（BCB）用來(lái)實(shí)現(xiàn)器件表面平坦化，發(fā)射極、基極、集電極歐姆接觸電極以及其他無(wú)源單元通過(guò)電極孔淀積金屬實(shí)現(xiàn)金屬互聯(lián)。金屬互聯(lián)采用3層TiPtAu：前兩層為6 µm 電極接觸孔，第三層為8 µm電極接觸孔(Fig. 1)。襯底被減薄到90 µm.。通過(guò)刻蝕背面通孔和電鍍金實(shí)現(xiàn)背面接地(Fig. 2)。背面通孔通過(guò)掩膜版和HBr-基ICP刻蝕實(shí)現(xiàn)[4] 。
  文獻(xiàn)[5] [12]介紹了一些其它InP 雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管集成電路DHBT IC技術(shù)，它們都采用GaInAs 作為基區(qū)。 GaAsSb-基區(qū)雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管DHBT在高速射頻分立器件[13][14]和集成電路 [15][16] 方面均不斷地有相關(guān)的研究結(jié)果予以報(bào)導(dǎo)。本項(xiàng)工作首次報(bào)導(dǎo)了在生產(chǎn)環(huán)境下制備的具有高擊穿電壓，200 GHz工作，以GaAsSb為基區(qū)的 InP雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管集成電路 DHBT IC工藝。

III. HBT 直流和射頻特性

典型HBT 共發(fā)射極直流特性 (集電極電流—集電極偏置，基極電流間隔30 µA)顯示出這些器件具有良好的電流-電壓特性 (Fig. 3)。在工作電流密度為1.5 mA/µm²下，HBT 器件實(shí)現(xiàn)了fT = 185 GHz，fmax = 220 GHz 以及峰值 fT > 200 GHz。 在比InGaP/GaAs HBT 大的多的電流密度范圍內(nèi)截至頻率保持在很高的水平(Fig. 4).
共基極模式開態(tài)擊穿壓(BVcbx)發(fā)生在集電極—基極電壓為9 V，集電極電流為JC = 1.3 mA/µm²時(shí)。共發(fā)射極模式開態(tài)擊穿(BVceo) 發(fā)生在集電極—發(fā)射極電壓接近7V時(shí)。
IV. 可生產(chǎn)性

工藝的設(shè)計(jì)考慮到性能、可靠性和可生產(chǎn)性之間的平衡。從成品率 損失Pareto 圖 Fig. 5 中可以看出發(fā)射區(qū)/基區(qū)短路是影響成品率的主要原因，基區(qū)電極柱損失是影響遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)/基區(qū)短路的第二個(gè)原因。影響成品率的其它失效模式的影響相對(duì)較小，都在測(cè)試不確定范圍內(nèi)。由500個(gè)晶體管組成的典型電路所達(dá)到的成品率已能夠滿足小規(guī)模儀器的應(yīng)用應(yīng)用。
一種新的工藝技術(shù)對(duì)于Agilent復(fù)雜且規(guī)模較小的生產(chǎn)其晶片成品率大都如此。造成晶片成品率損失的原因主要有程序錯(cuò)誤、晶片破裂、工藝和/或儀器問(wèn)題。我們的經(jīng)驗(yàn)顯示GaAsSb/InP雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管DHBTs并不存在異于其它化合物半導(dǎo)體的特有失效機(jī)制和更低的可生產(chǎn)性。

 
所有晶片工藝環(huán)節(jié)都由具有自動(dòng)處理晶片功能的設(shè)備完成，以最大限度的減小人為因素造成的片與片、批與批之間的差異。具體的工藝步驟需要不斷調(diào)整輸入?yún)?shù)（例如，每一次要根據(jù)測(cè)試得到的目標(biāo)層厚度進(jìn)行離線計(jì)算），數(shù)據(jù)被不斷收集以使統(tǒng)計(jì)工藝控制軟件進(jìn)行編程來(lái)指導(dǎo)操作者操作。

V. 可靠性
可靠性通過(guò)對(duì)分立的自對(duì)準(zhǔn)1 × 3 µm² HBTs進(jìn)行高溫壽命測(cè)試(HTOL)來(lái)確定，電流增益(漂移是主要的可靠性失效模式。利用測(cè)試得到的激活能Ea, 其值大約為1.02 eV, 外推得到Tj = 125 °C.溫度下MTTFs 壽命超過(guò)106 小時(shí)。電流增益(漂移和基區(qū)集電區(qū)電流泄漏（位列第二的主要可靠性失效模式）示于圖。以電流增益漂移作為失效標(biāo)準(zhǔn)同樣示于圖，這一標(biāo)準(zhǔn)保證了值始終保持在以上。圖的下半部顯示雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)（例如，InP集電區(qū)）可在VCE = 4.5 V 下保持高可靠性工作，這一電壓值比InP襯底單異質(zhì)結(jié)雙極晶體管高出 2 3 V。

VI. 電路性能
A. 2 60 GHz 一比二靜態(tài)分頻器
靜態(tài)分頻器性能和芯片照片示于圖7。雙極晶體管HBT 用作靜電放電保護(hù)。 其輸入靈敏度窗口非常寬，單端正弦波輸入狀態(tài)下一比二除法功能可在2GHz到60GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。輸入和輸出可采用差分和單端方式。90 mA時(shí)偏置電壓為-3.4V。典型輸出功率從低頻時(shí)的. 0 dBm 到高頻60GHz時(shí)的  3 dBm 。
B. 差分限幅放大器
由50個(gè)晶體管組成的差分限幅放大器照片示于圖8a。限幅放大器采用兩級(jí)Cherry-Hooper，一級(jí)cascode和一對(duì)有幾級(jí)發(fā)射極跟隨器緩沖的差分輸出結(jié)構(gòu)，低頻小信號(hào)差分增益大于32dB, 單端(S-E)輸入電壓窗口為± 700 mV 最大單端(S-E)輸出幅度500 mVpp 。 放大器從+1 V 到  4.1 V電源消耗0.59 W功率。偏置端采用 雙極晶體管HBT 進(jìn)行靜電放電保護(hù)。輸入輸出均有差分失調(diào)/直流監(jiān)測(cè)以及common-mode pull-up 能力.
圖8b 顯示了典型的在片增益特性，低頻S-E 增益26.8±0.5 dB ， 3 dB 帶寬46.8±0.4 GHz.。達(dá)到65 GHz時(shí)群

延時(shí)變化小于5 ps。典型 43 Gb/s 眼圖輸出信號(hào)如圖8c 所示，其幅度為0.50 Vpp S E, 10%-90% 上升時(shí)間為9.2 ps, 總 RMS抖動(dòng)378 fs。 295 fs RMS 抖動(dòng)1 Vpp 差分PRBS 231-1 NRZ輸入信號(hào)由以同樣技術(shù)制作的半速retimer 提供。

C. 線性相位檢測(cè)器
這一電路在文獻(xiàn)[18]中單獨(dú)有詳細(xì)介紹。它使用了超過(guò)200個(gè)最小尺寸的晶體管，并以HBT作為靜電放電保護(hù)，3級(jí)互聯(lián)，高值和低值電阻，電容，背面通孔。對(duì)于這樣的復(fù)雜電路其在線成品率是合乎預(yù)期的。