鍺異質(zhì)介面雙極性電晶體的尺寸與溫度效應(yīng)之研究

1、鍺異質(zhì)介面雙極性電晶體的尺寸與溫度效應(yīng)之研究Study of size and temperature effect on SiGe HBTIC 編號(hào)：SiG-92D-03t指導(dǎo)教授：林佑昇 國(guó)立暨南國(guó)際大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系助理教授電 話傳真E-mail：.tw設(shè) 計(jì) 者：陳科后 國(guó)立暨南國(guó)際大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系碩士班研究生電 話傳真E-mail：.tw一、 中文摘要本篇報(bào)告主要研究TSMC 0.35um SiGe HBT的主動(dòng)元件

2、。包括尺寸與溫度效應(yīng)的研究。Abstract： The goal of this testkey is the study of TSMC 0.35um active device. Including the research of size and temperature effect.Keyword：SiGe, size effect and temperature effect.二、 計(jì)劃緣由與目的矽基(Silicon-Based)技術(shù)在電子元件微小化過(guò)程中，進(jìn)到奈米尺寸後由於受到製程能力、元件物理的限制，無(wú)不思考不同方法，以突破效能無(wú)法提昇的困境；其中矽鍺(Silicon Germa

3、nium, SiGe)技術(shù)利用矽鍺/矽(SiGe/Si)異質(zhì)介面、晶格不匹配，以及易與主流技術(shù)互補(bǔ)式金屬氧化層半導(dǎo)體(CMOS)製程相容的特點(diǎn)。在高頻特性下，比矽晶具有較佳的低雜訊及低功率損耗優(yōu)點(diǎn)；相較於砷化鎵(GaAs)，具有較優(yōu)的高集積度、高電子傳導(dǎo)頻率，及製造良率較高的優(yōu)勢(shì)。利用SiGe磊晶薄膜形成基極層，以大幅提昇雙載子(Bipolar)電晶體高頻特性；另一方面隨著無(wú)線通訊蓬勃發(fā)展，其相關(guān)射頻積體電路(RF ICs)需求日益殷切，找尋低成本、高效益、高集積度的製程技術(shù)來(lái)配合ICs設(shè)計(jì)更是急迫；具有優(yōu)異高頻特性，以及易與CMOS整合成雙載子互補(bǔ)式金屬氧化層半導(dǎo)體(BiCMOS)的SiGe

4、 HBT技術(shù)，無(wú)疑將是最佳選擇，而且預(yù)估可涵蓋到更高頻的MMICs，以及高速類比/數(shù)位混合式ICs上，前景十分看好。許多重要的應(yīng)用電路中，元件的特性在高頻和低頻時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的行為有著明顯的不同；因?yàn)樵诟哳l時(shí)往往會(huì)有很多在低頻的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)的電感、電容等等寄生效應(yīng)，它直接或間接的影響了元件的效能；故在高頻的研究中需要更多的考量。電晶體的散射係數(shù)(S參數(shù))己經(jīng)廣泛的被使用於主動(dòng)高頻電路設(shè)計(jì)。但是，對(duì)於S參數(shù)的行為仍有一些不能完全暸解的地方。例如，在許多文獻(xiàn)中，常?？梢园l(fā)現(xiàn)S參數(shù)在高頻時(shí)會(huì)有”anomalous dip”的發(fā)生；這種現(xiàn)象也叫作”扭結(jié)現(xiàn)象”(kink phenomenon)，尤以S22最

5、為明顯。更奇怪的是，扭結(jié)現(xiàn)象通常出現(xiàn)在大尺寸的元件上，尺寸較小的元件幾乎看不到此現(xiàn)象的發(fā)生。我將以可接受的觀念來(lái)解釋、分析這種看似不規(guī)則且不合理的扭結(jié)現(xiàn)象。藉著觀察在高頻和不同的偏壓、不同的元件尺寸之下，來(lái)研究不同尺寸HBT元件參數(shù)對(duì)扭結(jié)現(xiàn)象的影響。另外，我們將研究HBT在不同溫度下對(duì)S11、S22的影響。三、 研究方法與成果3.1設(shè)計(jì)說(shuō)明與方法 此testkey共放了十一顆電晶體與一個(gè)空Pad，電晶體編號(hào)計(jì)有：ln02、ln102、ln122、ln153c2、lw02、lw102、lw122、lw153c2、ln155c2、hn153c2與dn153c2。其相對(duì)於佈局圖的配置如下所示： 每一

6、個(gè)電晶體的偏壓與溫度設(shè)定共計(jì)有兩種方式：- 固定偏壓(Vce=1.0v)，變Ib與溫度；- 固定偏壓(Vce=1.5V)，變Ib與溫度；因時(shí)間限制，僅對(duì)幾顆電晶體施加量測(cè)。3.2佈局本次下線的testkey測(cè)試，以一般量測(cè)主動(dòng)元件的方法量測(cè)。電路佈局(如最後一頁(yè)所示)的兩邊是輸出端的GSG pad，右上方的一個(gè)Pad是用來(lái)做校準(zhǔn)用。整個(gè)晶片面積有1.2751.25 mm2。3.3測(cè)試使用國(guó)家毫微米高頻量測(cè)實(shí)驗(yàn)室提供的G-S-G probe on wafer 量測(cè)，儀器有高頻量測(cè)機(jī)臺(tái)HP85122A：Network Analyzer(HP 8510C)、DC Source/Monitor(HP

7、4142B)、S-Parameter Test Set(HP 8514B)、探針平臺(tái)(探針間距為150um, GSG)。另外，也要特別感謝國(guó)家毫微米高頻量測(cè)實(shí)驗(yàn)室(NDL)與國(guó)家晶片系統(tǒng)設(shè)計(jì)中心(CIC)協(xié)助與量測(cè)才能順利完成。四、結(jié)論與討論量測(cè)結(jié)果如”六、圖表”所示。由結(jié)果知，為了要有S11扭結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)必須要有下面三個(gè)條件：small emitter sizesmall Vcesmall Ib 而溫度愈高則扭結(jié)現(xiàn)象愈明顯。其完整晶片照相圖如下：五、參考文獻(xiàn)1S. S. Lu, C. C. Meng, T. W. Chen and H. C. Chen, “The Origin of the

8、 Kink Phenomenon of Transistor Scattering Parameter S22,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no. 2, pp. 333-340, Feb. 2001.2H. Y. Tu, Y. S. Lin, P. Y. Chen, and S. S. Lu, “An Analysis of the anomalous dip in Scattering Parameter S22 ofInGaP/GaAs Heterojunction Bipolar Transisto

9、rs (HBTs),” IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 49, no. 10, pp.1831-1833, Oct. 2002.3S. S. Lu, C. C. Meng, T. W. Chen and H. C. Chen, “A Novel Interpretation of Transistor S-Parameters by Poles and Zeros for RF IC Circuit Design,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no. 2, pp.

10、 406-409, Feb. 2001.4S. Bousnina, P. Mandeville, A. B. Kouki, R. Surridge, F. M. Ghannouchi, “A new analytical and broadband method for determining the HBT small-signal model parameters,” Microwave Symposium Digest., 2000 IEEE MTT-S International, Vol. 3 , 11-16 June 2000.六、圖表 lw0225oCIb = 20, 30 an

11、d 40uAVce = 1.0VS11S22 lw0225oCIb = 30 and 60uAVce = 1.5VS11S22 lw0275oCIb = 20, 30 and 40uAVce = 1.0VS11S22 lw0275oCIb = 30 and 60uAVce = 1.5VS11S22 lw02-25, 25 and 75 oCIb = 30() and 60()uAVce= 1.5V S11()S22()S11()S22() ln02-25, 25 and 75 oCIb = 30() and 60()uAVce = 1.5VS11()S22()S11()S22() lw153c

12、2-25, 25 and 75 oCIb = 30() and 60()uAVce = 1.5VS11()S11()S11()S22()S11()S22() ln153c2-25, 25 and 75 oCIb = 30() and 60()uAVce = 1.5VS11()S22()S11()S22()* Chip Features CAD Tools * CKT name: 矽鍺異質(zhì)介面雙極性電晶體的尺寸與溫度效應(yīng)之研究 ADSTechnology: SiGe 0.35um HBT (使用製程) OPUSPackage: N/A (包裝種類)Chip Size: 1.275 x 1.25 mm2 (晶片面積；mm2)Transistor/Gate Count: 11顆HBT / N/A (電晶體/邏輯閘數(shù))Power Dissipation: N/A (功率消耗；mW)Max. Frequency: N/A(最高工作頻率，MHz)Testing Results : function work partial