半!导!体!学!报
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平面型/IG及其,\":#N$的设计与研制\"
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郭维廉#!梁惠来!张世林!胡留长!毛陆虹!宋瑞良牛萍娟!!王!伟!!商跃辉=!王国全=!冯!震=
#天津大学电子信息工程学院天津!=$$$\"!!天津工业大学信息与通讯工程学院天津!=$$#%$
=中国电子科技集团十三所石家庄!$@$$@#
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摘要鉴于已报道的平面共振遂穿二极管存在的缺点文中提出了一种新的平面/以GU/5454器件结构9
利用硼离子注入产生的非晶化作为/成功设计研制平面型/RC0M代替半绝缘RC0M衬底54器件的电隔离54和由其构成的单双稳转换逻辑单元此种结构可适用于以输出端作为公用端的所有电路9N关键词/54平面型/54离子注入3-<(1*
$$%&&!@%$,中图分类号5)=#=Q!!!!文献标识码0!!!文章编号$!@=NS#\"\"!$$%##N!#%\"N$%
'!引言
共振隧穿二极管是一种具有高频高/54速双稳自锁等特点的量子器件可应用于毫米波振荡器和高速数字电路9众所周知/54通常是采
台面器件结用台面型器件结构进行设计和研制的
构在保持器件良好的性能方面具有积极的作用9但
当进行/台面结构也暴露出是54大规模集成时许多缺点例如在台面结构中由于存在侧向腐蚀
电极面积愈小误/54顶端电极面积就很难控制9
差就愈大故电极面积难以做小纵向台面高度的控制也很难台面高度确定了集电极或控制极/55引出电极的层面位置故影响器件参数工艺重复性变差台面结构存在各层欧姆接触电极的高度差影响内连线的质量和可靠性台面结构/54的侧面裸露虽有钝化层仍然会影响稳定性和可靠性同
台面工艺增加了工艺步骤和工时增加了寄生电容
艺复杂性不利于大规模集成9为了克服以上台面结
构带来的缺点&E:G等人#提出并研制成平面型
在平面型/中所/54954U/548CGCK/54X
有电极接触都位于顶层同一表面上这就需要将
一般为集电极电极通过一个纵向电/54的底端
流通道引到顶层表面上9这个电流通道只能选择截
实际上面积较大的/54来承担9U/54由两个平
行而截面积不同的/小面积的为有源54组成9
大面积的为//54的主体54的底端电极电流通
道9故整个器件分成左右两部分利用浅的硼注入
达到GhR隔离将其分开9左边为/C0M层54有
右边为电流通道9因其截面积大寄生串联电源区阻小做电流通道较合适9整个器件被较深的质子氢注入到+实现器件间的电隔离9硼和氢(RC0M的离子注入使R近似为C0M材料变为非晶RC0M
然后沉积0在顶层形成绝缘体98与5Dg直接接触
压焊点引出电极9由于/543<*材料重掺杂顶层
仍具有一定的导电在注硼过程中不能彻底非晶化
能力故需要在离子注入前将重掺杂的顶层腐蚀掉才可避免注入后顶层材料侧向导电影响器件性能9据文献所研制的U并有一#/54工艺步骤简单定的/但也发现当以大截面的/54器件性能54部分用作纵向电流通道时由于4<+和隔离层设计为不掺杂的本征层其串联电阻值JMMC;:KX较大这会导致LU变大9结果表明只有当此接触面积较大时-a@或%BLU值才下降到一个较#
因此U低的稳定值9/54虽然工艺步骤有所简化
但以较大的电流通道截面积作为代价这就是
为了克服文献U/54存在的主要问题9#在
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本文作者采用GU/54结构上存在的问题RC0M
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衬底并以GRC0M衬底作为/54集电极引出端舍弃了纵向电流通道9在设计U双稳/54构成单N
h
转换逻辑单元时巧妙地以G3-<(1*RC0M衬底作为3-以两个并行排列<(1*的输出端L7FO
的U并通过压/54分别作为负载器件和驱动器件
构成一个U焊工艺与一G3-+2*5相结合/54
批准号@#S=!$#$!$S,g#S$#\"超高速专用集成电路重点实验室基金资助项目
A通信作者9*BCD87EG7EG>S@%!cCE779;7B9;GZZ$$%N$SN#?收到!$$%N$@N!=定稿!!
$$%中国电子学会\"!
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半!导!体!学!报第!\"卷
G3-+2*5混合集成式的3-<(1*9经测量U/54构成的3-<(1*具有典型/543-<(1*的逻辑
功能9
(!平面型/
IG的设计与研制(\\'!,:$材料结构设计
U/54的3<*材料结构设计如图#所示
基本上和台面/54相同
不同处就是采用了Gh
衬底代替原半绝缘+(
衬底9主阱中采用子阱结构是为了降低起始电压L59采用发射极子阱包括集电
极
结构是为了与主阱构成二维二维共振隧穿改善负阻7KL特性提高电流峰谷比U6&/9
Gh
NRC0M
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$$GB&CXGh
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M@GB*BDOO:KMFWY:88
DNRC0M$9@GB+XC;:KDN080M#9\"GB M@GB&788:;O7KMFWY:88 DNRC0M @GB +XC;:KGh NRC0M #]#$#\" ;B^=# $GB&788:;O7KGh NRC0M =]#$#>;B ^= #$$$GB +FWN;788:;O7K Gh NRC0MMFWMOKCO: 图#!U/543<*材料结构设计 2DH9#!4:MDH G7T3<*BCO:KDC8MOKF;OFK:T7KU/54(\\(!4/IG的器件结构 设计研制的U/54器件结构如图!所示9 用来掩蔽硼离子注入的发射极金属采用0FR:)D 由于采用Gh RC0M做衬底将它作为所有/54的共同 图!!U/54的器件结构 2DH 9!!4:VD;:MOKF;OFK:7TU/54集电极避免了纵向电流通道而且注硼终止到G h RC0M衬底即可9背面减薄后溅射0FR:)D作为集电极电极在发射极0FR:)D上再淀积一层0FR:N )D 剥离后制成压焊点9(\\*!4/IG器件版图设计 分别设计了发射极面积为@#B]%#B%# B]%# B两种光刻版图如图=所示9图=!U/54光刻版图 2DH 9=!3CMe7TU/54(\\+!4/IG制造工艺 U/54制造工艺除了台面刻蚀被硼离子注入 所代替外其他工艺基本上与台面结构/54相同 具体工艺为衬底清洗5发射极光刻5溅射发射极金属5发射极金属剥离5硼离子注入5内连线压焊点光刻5溅射内连线压点5内连线金属剥离5背面减薄5用'!+-Sh'!-!轻漂减薄后的背面5除蜡后清洗5溅射背电极5快速合金5压焊和封装9另 外Gh RC0M衬底经过减薄和背面处理后溅射0FN R:)D作为U /54公用集电极电极9硼注入的条件注入能量为#=$e:6注入剂量为S]#$#= ;B^!快速合金条件为S=$oSBDG在)!气氛中进行9 !4 /IG器件特性测量*9'!电绝缘性能测量 为了检测经硼离子注入后RC0M非晶化的电隔 离绝缘性能设计了注入前后的对比测量9图S给出测量结果9图SC 是注入前将一个探针与发射极的0FR:)D电极接触 另一个探针与待注硼区接触在\\,S>#$型特性图示仪显示7KL特性9 从图可见当电压加到S6时电流很快上升图SW是注入后将一个探针与发射极电极接触另一个探针与注过硼已非晶化RC0M区域相接触的7KL特性9从图S可见当电压已加到!$6时还没发现明显的泄漏电流从显示的标度估计电流应小于## 09对U/54*第#!期郭维廉等54及其3-<(1*的设计与研制!平面型/ \"!*& 一般工作电流小于@以上电绝缘性能是6的情况很充分的9此外作者在U/54研制过程中并没有 而此电进行注入前将重掺杂;CX层腐蚀掉的工艺 绝缘性能测量证明不需要腐蚀掉重掺杂;注CX层 入后也可获得很好的绝缘性能9 图S!U/54电绝缘性能测量!+!6LDV!$0LDV*# 2DQS!3:CMFK:B:GO7T:8:;OKD;C8DGMF8COD7G7GU/54!+!6LDV!$0LDV*H# *\\(!4/IG快速合金前后的$/0特性比较 为了检测快速合金工艺对器件参数的影响分 别测试了@B]@BU/54合金前后的7KL特性## 如图@和表#所示9可以明显地看和相应的参数 出合金前由于器件串联电阻JM过大致使起始电 峰值电压LU都很大并且出现了表观正阻现压L5 象即L6%LU故U经过合金工艺66/$#J)$$9后减小了串联电阻JM不仅减小了L5和LU而且表观正阻现象也消失呈现出正常的负阻型7KL特性曲 合金后7线96&/略有降低也属正常9U和U 图@!U合金前合金后/54合金前后7KL特性!C+#6LDV$Q@B0LDVW+$Q!6LDV$Q!B0LDV** 2DQ@!7KL;ECKC;O:KDMOD;M7TU/54W:T7K:CGLCTO:KC887DGC<:T7K:C887DG+#6LDV$Q@B0LDV!*HcHcH W0TO:KC887DG+$Q!6LDV$Q!B0LDV*cH 表#!U合金前后参数变化/54D*a@B]@B## 5CW8:#!&ECG:M7TXCKCB:O:KM7GU/54W:T7K:CGLCTO:KHC887DGD*a@B]@BcH## UCKCB:O:K<:T7K:C887DGcH0TO:KC887DGcH 台面/直流参数的比较*\\*!4/IG和,/IGIG为了评价U作者利用/54器件的质量和性能 相同的3<通过常规的台面工艺研制*材料结构出台面型/在表!中将两种发射极面543/549积的USB]SB和@B]@B/54和3/54####的直流参数进行了比较9从表!可见除了3/54的U其他参数值上的6&/比U/54大一些以外 LU6 L67U76 6B0B0 U6&/U66/J)$ SXL5 !6e0;B S9#=9S!9#$9@@=9>!#9#\"%=>\"9#>9S!9@ $9S>$9\"#9!%$9S=9#@$9%>%^!@@9>@9$S$9! \"!)# 半!导!体!学!报第!\"卷 差异均在正常范围之内9至于U/54的U6&/略小于3/有可能是制作U电极54的原因/54时 由电极间微弱漏电非共振隧穿金属剥离不够彻底 电流成分引起的9这不属于结构上的问题故可以肯定U/54在器件结构选择上是成功的9 表!!U/54和3/54直流参数的比较 5CW8:!!&7BCKDM7G7T4&XCKCB:O:KMW:OY::GXU/54CGL3/54 UCKCB:O:KL56 LU6 U/54SB]SB## $9!$9@%$9\"$9>%$9!%=9=$9>^!==9=@9=> 3/54SB]SB## $9!$9S%$9%\"$9\"!$9#\"S9!S$9%?^=>!S9@ U/54@B]@B## $9!$9S>$9\"#9!%$9S=9#@$9%?^!@@9>@9$S 3/54@B]@B## $9! $9S$9%S#9@$9=>=9?@$9%=^!#S%9$ 图%!U/54GN3-+2*5混合集成3-<(1*示意图 2DQ%!+;E:BCOD;TDFK:7T3-<(1*T7KBHH L66 7B0U76B0U6&/U66/J)$ !Se0;BX +/IG和,\"!Q$I构成的混合!由4 集成式,\":#N$( h C0M衬底和两个并列!!前面已经提到利用GR h 以G的U/54分别作驱动和负载器件RC0M衬 关底做输出端可以方便巧妙地构成一个3-<(1*9将一于对其驱动器件的调控可以采用两种方式# 3-+2*5管芯通过压焊与驱动U/54相并联! 将一硅双极管管芯通过压焊与驱动U现/54并联9 方式将一3-在采用#+2*5按照图%与驱动 负载和驱动UU/54并联9/54利用了相同面积 由于存在加电压方向不同D*a%B]%B的器件9## 产生7即当负载UKL特性的不对称特性/54顶端接正电压L;其7见图\"而驱SQ@B0C8e时Ua 见图动U/54顶端接地或低电压时7!Q@B0Ua 则其输出高低电平转换阈值电流7\"WOE为 SQ@B0^!Q@B0a!Q$B09此7OE可由与驱动U/54并联的G3-+2*5在LRa#Q@6时所产生的74a!见图\"来提供9即当3-Q$B0;+管的 而LRLR%#Q@6时3-<(1*输出L7FO为高电平 图\"是驱动UQ@6时L7L/54$#FO变为低电平9 与G随电压变3-+相并联总电流7/54h74L4+化的特性9从图\"可见当LRa#从下数第Q@6时四条曲线峰值总电流恰好大于S这说明Q@B09 驱动ULRa#Q@6时/54和3-+管总合电流刚 好大于负载U故发生L7/54的7SQ@B0UFO高低 所发生的跳变过程可通过图>显示出来电平变换9 纵坐标是L7横坐标为3-+管栅压的可变部分FO 实际的栅压为LRaL$h&LR9LRL$a#Q#6&故&图中不同的曲LRa$QS6相当于LRa#Q@69线对应不同的正电压L;L;8e98e的选取应依据 从图\"和可知负载UU/54的7CW/54U值9 和驱动U/54的LU分别为LX$Q%%6和LX8aLa 按照L;选取L;从!LUQ!到#QS69$QS698e88e从# 图>可得对应于不同L;如表=8e的输出高低电平所示9输出高低电平之差达到$Q@6以上9 图\"!U负载U驱动U标度/543-<(1*的特性曲线!C/54的7KL特性+$Q!6LDV$Q@B0LDVW/54的7KL特性* 同驱动UC;3-+管7KL特性+$Q@6LDV$Q@B0LDVMO:$Q@6L/54h3-+管总7KL特性+$Q#6LDV**X#B0LDVMO:$Q@6X 2DQ\"!&ECKC;O:KDMOD;M7TU/543-<(1*!C7KL;FKV:M7T87CLU/54+$Q!6LDV$Q@B0LDVW7KL*H ;FKV:M7TLKDV:KU/54M;C8:MCB:O7C;7KL;FKV:M7T3-+2*5+$Q@6LDV$Q@B0LDVMO:$Q@6*X L7KL;FKV:M7TLKDV:KU/54h3-++$Q#6LDV#B0LDVMO:$9@6*X 第#!期郭维廉等#54及其3-<(1*的设计与研制!平面型/ \"!)! 图>!U/543-<(1*的L7FO N&LR特性2DH Q>!L7FON&LR;ECKC;O:KDMOD;M7TU/543-<(1*表=!U/543-<(1*的输出高电平与低电平 5CW8:=!'DHE8:V:8L'CGL87Y8:V:8L17TU/543-<(1* L;8e)6L')6 L1)6#9S$9?!$9=!#9=$9>%$9!%#9! $9>$ $9!! 图?!U/543-<(1*的逻辑功能!+#@# M)LDV!下部曲线#LDG脉冲!*#$Q!6)LDV%上部曲线#L7FO脉冲!*##6)LDV2DHQ?!17HD;TFG;OD7G7G3-<(1*7TU/54!+#@#M)LDV!87Y:K;FKV:#LDGXF8M:!*#$Q!6)LDV%CW7V:;FKV:#L7FO X F8M:!*##6)LDV!!U /543-<(1*的逻辑功能可从图?显示出来9该图为L;8e加恒定电压# QS6!3-+管LR端加输入LDG脉冲\"下部曲线$时!输出端L7FO的脉冲\" 上部曲线$!在&-+%#$$型\"#$$3'J $示波器上显示出的波形9从图可明显地看出当输入脉冲LDG由低 变高!使3-+管74增加到74h7X L$7U1时!输出电压L7FO由L'变到L1的情况!即LDG脉冲与L7FO 脉冲呈倒相关系9故3-<(1*的逻辑功能得到证 实'= (9 !结论 本文利用GhRC0M衬底材料!通过注硼技术设计和研制出工艺和结构简单的U/54器件9经测试证实其性能与3/54相当9还利用并行U/54结 构和以Gh RC0M衬底作输出端!与G3-+2*5混合 集成!构成了U/54的3-<(1*9通过测试证实它具有3-<(1*逻辑功能9 这种结构可以推广应用到多种以输出端L7FO作为共用端的电路! 例如/54)'2*53-<(1*'S(!R:G:KD;逻辑门'@( 等9 当电路较复杂和器件数目较多时!可以采用倒装焊技术实现 /54与G3-+2*5管芯的混合集成9 可以认为这种U/54结构具有广阔的发展前景9参考文献 '#(!&E:G&1!3COE:YM/'!3CE7G:c1,!:OC89):YM:8TNCN8DHG:LX8CGCKK:M7GCGONOFGG:8DGHL D7L:MT7KB7G78DOED;;DKN;FDOM9(****8:;OK7G4:VD;:1:OO!#??\"!#>\"#$$#S>? '!(!3C:JCYCb!0e:c7MED5!3DJFOCGD592FG;OD7GMCGLCXX 8D;CNOD7GM7TB7G7MOCW8:NWDMOCW8:OKCGMDOD7G87H D;:8:B:GOM\"3-N<(1**M$ECVDGHBF8ODX8:NDGX FOO:KBDGC8M9(***5KCGM*8:;NOK7G4:VD;:M !#??S!S#\"!$##S>'=(!&E:Gb,!3:CJCYCb!fCBCB7O739(GUNWCM:LEDHENX :KNT7KBCG;:B7G7MOCW8:NWDMOCW8:OKCGMDOD7G87H D;:8:B:GOM\"3-<(1**M$FMDGHDGO:HKCO:LBF8ODX8:NDGX FOK:M7GCGONOFGNG:8DGHL :VD;:9(****8:;OK7G4:VD;:1:OO!#??%!#\"\"=$##!\"'S(!UC;EC&! :NVD;:M9(***5KCGM61+(+c MO!!$$$!>\"@$#@@>'@(!3CJFBL:KU!bF8eCKGD+! 7TOE:(***! #??>!>%\"S$#%%S.U\"!)\" 半!导!体!学!报第!\"卷 G08>2;2 #!=#### 1`'RF7g:D8DCGDCGFD8CDECGED8DGF1DF;ECGC71FE7GH'H+H3H #A!!= g++7GFD8DCGDFUDGFCGCG:DECGF:EFDH/H)HZHgHf==CgCGF7FCGGL2:GE:GHRIH` #/>\"55=5=1>$&58?>785&B0$?58O8?811&?8?08?8P8?Q1&@?$?08?8!=$$$\"!C\"?806O699WF*WF!/>\"55=5785&B0$?5808:C5BBA8?>0$?58O8?811&?8?08?8H5=$1>\"8?>P8?Q1&@?$?08?8!=$$#%$C\"?806699WF**WF=W\"1#=$\"J1@10&>\"78@$?$A$1C\"?80O=1>$&58?>@W1>\"85=5&5A5&5&0$?58/\"??0Y\"A08@$$@#C\"?809*U 8C;:LYDOEGRC0MCMMFWMOKCO:CGLCB7KE7FMRC0M7WOCDG:LW7K7GD7GDB8CGOCOD7GDM:B87:LCMOE::8:;OKD;C8DGMFNXXc %53>1A0#G$!@=NS#\"\"!$$%##N!#%\"N$% K7:;OMF7KO:LWE:27FGLCOD7G7TOE:.8OKCN'DE+::L0+(&b:CW7KCO7K)79@#S=!$#$!$S,g#S$#\"UZXXcOHXc1c A&7KK:M7GLDGFOE7K9*BCD87EG7EG>S@%!cCE779;7B9;GXHCZZ :;:DV:L#?0KD8!$$%K:VDM:LBCGFM;KDOK:;:DV:L!=3C$$%$$%&EDG:M:(GMODOFO:7T*8:;OK7GD;M!/\"!XXc! 因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容1;3>626P;4A;2;5/IG;2<#38,\":#N$\"7