一種用于射頻和微波測試系統(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試級別的應(yīng)用。DHBTs 集成了3層互聯(lián)金屬，包括2級電阻和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, 測試儀器，GaAsSb

I.簡介
一種用于射頻和微波測試儀器的高性能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成為一種對于測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)所帶來的問題需要認(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襯底上通過分子束外延方法生長異質(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源單元通過電極孔淀積金屬實(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