Physical modelling of advanced SiGe transistors [Elektronische Ressource] / by Vytla, Rajeev Krishna

Haake-Xp

Description

Physical Modelling of Advanced SiGeTransistorsVytla Rajeev KrishnaUniversity of Bremen 2009Physical Modelling of Advanced SiGeTransistorsFrom the Faculty of Physics/Electrical Engineeringat the University of Bremen, Germanyfor the obtainment of the degree ofDoktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)approved thesisbyMSc. Vytla Rajeev Krishnafrom Angara, IndiaSupervisor: Prof. Dr. phil. nat. D. SilberCo-Supervisor: Prof. Dr. M. SchneiderthDate of the oral presentation: October 13 , 2009thSubmitted on: September 7 , 2009"The power of God is with you at all times; through the activities of mind,senses, breathing, and emotions; and is constantly doing all the work usingyou as a mere instrument."— Bhagavad GitaAcknowledgementsThis dissertation would not have been completed without the help of many individuals.Firstly, I would like to thank my supervisor Prof. D. Silber at the University of Bremenfor supervising the thesis. I would like to thank Prof. M. Schneider for agreeing to be mysecond supervisor at the university. At Infineon, I would dedicate special thanks to mypresent supervisor Dr. Klaus Aufinger and Dr. Thomas Meister. This thesis would nothave been possible to complete without their support. Their influence on this work andon me as a person cannot be emphasized enough. Thanks for all the valuable commentsthey gave me, which helped me a lot in conducting my research, and thanks for all theirpatience as they reviewed and corrected my dissertation.

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 19
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

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2009

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PhysicalModellingofAdvanced
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ervisor:Supervisor:Co-Sup

FromtheFacultyofPhysics/ElectricalEngineering
attheUniversityofBremen,Germany

fortheobtainmentofthedegreeof

(Dr.-Ing.)Doktor-Ingenieurthesisedvappro

byMSc.VytlaRajeevKrishna
IndiaAngara,from

Prof.Prof.DDr.r.M.phil.Scnat.hneiderD.Silber

Dateoftheoralpresentation:
n:oSubmitted

thOctobSeptemerb1er37,th,20092009

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Acknowledgements

ThisFirstly,IwdissertationouldlikweotouldtnhankothamvyebsupeenervisorcompletedProf.D.withoutSilbertheaththeelpUofnivmeanrsityyiofBndividuals.remen
forsupervisingthethesis.IwouldliketothankProf.M.Schneiderforagreeingtobemy
presensecondtssupupeervisorrvisoraDtr.theKlausuniveArsityufinger.AtandInfineon,Dr.IThomaswoulddMeister.edicateTsphisecialthesisthankswouldtonmoty
haonvemebaseenappoersonssiblectoannotcompletebeemphasizedwithouttheirenough.suppTort.hanksTheirforialltnfluencehevaonluablethisworkcommenatnds
theypatiencegaveasme,theywhichreviewhelpededandmecalorrectedotinmyconductingdissertation.myIresearcamh,forevanderinthanksdebttforotallhem.theirI
yamoutalsooallmgratefulyforcolleaguesallmyinourcolleaguesgroup:forallDzianistheirhLukelp,ashevicsupphort,,SandabinedBiscussions.oguth,HTerbehankrt
Knapp,JosefBöck,HerbertSchäfer,andRudolfLachner.Theirhelphassolidifiedmy
researcWithouthtwoherk.Isuppwoortuldflikrometmoytlohankvingourftamilyeam,IawossistanuldtnotNbaciyeehereKaraktodaocy.forIohweresosuppmuort.ch
totheymygaveparen.Ntos,wRamaordscanKrishnabeginandtoNdescribalinieKmyumari,deepforesttghesuppratitude.ortIandamgratefulencouragementomyt
friendsBhaskar,Muneet,Preethi,Ravikanth,andNaveenfortheirencouragementand
ort.supp

i

Abstract

Manydemandinghighspeedapplicationslikeopticalcommunicationoperatingat40-
of100200Gb/sGHzandor7a7boGveHz.Aautomotivdditionallye,tradarheserequireapplicationstransistorsalsoneedwithacutofftransistorsfrequencywithhighfT
breakdownvoltages,whichareusede.g.forESDprotectionanddriverstages.Fur-
thermore,77GHzautomotiveradarapplicationsrequirevaractorswithsufficientlyhigh
tuningrangetobeintegratedonthesamechip.Suchanintegrationofhighvoltage
transistorsandvaractorswithhightuningrangeintohighfrequencySiGebipolartech-
nologiesischallengingduetotherequirementofashallowcollectorforthehighspeed
mutransistor.ltaneousIninthistegrationwork,ofahnoighvelspeedconcepttransistors,withtwohighepitaxialvoltagelayersistransistors,proposedandfvorthearactorssi-
209withhGHzighctut-offuningrangefrequencyonthheavesamebeenchip.comUbsinginedthiswithchoncept,ighvhigholtagespeedtransistorstransistorsprovidingwith
anthedevelopmenemitter-collectortandobreakdoptimizationwnvofoltageavaof5ractorV.forAavodditionallyltage,conthetrolledsameoconceptscillatora(VlloCweO)d
withhightuningrangeof13GHzandsufficientlylowphasenoisesuitablefor77GHz
automotiveradarapplications.Processanddevicesimulationsleadingtotheoptimum
devicecombination,anddesignconsiderationsrelatedtotheprocessflow,arepresented.
Thisworkalsodescribesextensiveinvestigationsoftheemitter,collector,andbasefor
itimprohasvbingeenthespfoundeedofthatbfutureyusinghighaspeedrelativelytransistors.simpleAsaun-doppartedofseiliconmitterocapiptimization,nsteadof
%).theconThisvenistveionalrifiedp-dopbyedsimsiliconulationcapandtheexpecutoffrimenft.UrequencysingtfThedoubleincreasesepiby15concept,GHzthe(10
collectorthicknessofthehighspeedtransistorcanbereducedindependentfromthe
thecrequiremenollectortsofthictheknesshighandvoltagedopingfortransistor.achievingAhighdetailedspeedsimisulationpresenstedtudyasaconcerningpartof
collectoroptimization.Investigationsshowthatbyusingathincollectorof40nm
andahighcollectordopingof1.5×1018cm−3inthestandardhighspeedtransistor
animprovementincutofffrequencyof45GHzcanbeachieved.Asaresultofbase
to80optimization,nm,aithinthasbeenemitter-basefoundspacerthatofthe30comnm,hbinationighdofopinglateralof2e×mitter1020scmcaling−3dinowthen
theextrinsicmaximbaseumlinkroscillationegion,andfrequencyextendingftheofbtheasehconighstactpeedtowardstransistortheupemittertoi700ncreasesGHz,
maxwhichmeansadoublingofthepresentperformance.

ii

Kurzfassung

beiViele40a-100nsprucGb/shsvolleundHo77chGHzfrequenzanAwebstandsradarndungen,zurwieUnfallvoptiscerhheüNactunghricimhtenüStraßenbeverkrtragungehr
beerfordernnötigenTdieseransistorenAnwemitndungenGauchrenzfrequenzenTransistorenfTvomitnh200ohenGHzDurcoderhbrucmhehr.sspannZusätzlicungen,h
diez.B.fürESD-SchutzundTreiberschaltungenverwendetwerden.Außerdemerfordern
77GHzRadaranwendungenVaraktorenmitausreichendgroßemKapazitätsverhältnis,
dieaufdemgleichenChipintegriertwerdenmüssen.SolcheineIntegrationvonTransi-
storenhältnisinmitHhocoherDurchhfrequenz-SiGe-BipbruchsspannolartecungundhnologienvonVisteinearaktorengroßemithohemHerausforderungKapazitätsvwegener-
kederNotitstransistor.wendigkIeitndeinerieserAsehrrbeitdünnenwirdKeinneuesollektorepitaxiescKonzepthicmithtfzwüreidenHEpitaxiescochgeschichhtenwindig-für
diehohergleicDurchhzeitigebrucInhsspanntegrationungderundHocderhVgescharaktorenwindigkmitgroßemeitstransistoren,AdbstimmerTrungsbansistorenereichaufmit
demselbenChipvorgeschlagen.MitdiesemKonzeptwerdenHochgeschwindigkeitstran-
einesistorenEmitter-Kmit209oGHzllektorGDurchbrenzfrequenzruchmitsspann"Houngchvonspann5Vaungs"-Tufweisen.ransistorenZusätzlickohmebrlaubtiniert,diedas
gleicheKonzeptdieEntwicklungundOptimierungeinesVaraktorsmithohemKapaz-
itätsverhältnis,derzurHerstellungeinesspannungsgesteuertenOszillatorsmit13GHz
AbstimmbereichundausreichendgeringemPhasenrauschenfür77GHzAutomobil-
zurradaranowptimalenendungenBauelemenverwtkendetombwinationurde.fDieührten,Prozess-werdenunddargestellt.Bauelementsimulationen,die
beDiesereicheArbeit(Emitter,beschreibtBasiswundeiterhinKoaucllektor),humumfangreicdieheGescUnhtersucwindigkheitungenzallerukünftigerBauelemenGener-t-
ationenvonHochgeschwindigkeitstransistorenweiterzuerhöhen.AlsTeilderOpti-
ummierung15GHzdes(E10%)mitterserhöhwurdetwerdendurchkSimann,ulationindemmangefunden,dieScdasshichtdie,iTndieransitfrequenzanschließendfT
derArsen-Emitterdiffundiertwird,zunächstundotiertabscheidet,anstatt,wiebeim
herkömmlichenProzess,p-dotiert.DiesesErgebniswirddurchdasExperimentüber-
prüftundbestätigt.DurchVerwendungdesDoppel-Epitaxie-KonzepteskanndieDicke
dermitKhohenollektorscDurchhicbhtrucdhessspannHochungengeschwindigkreduziertweeitstransistorsrden.EineaunabhängigusführlicvheomSimTuransistorlations-
großerstudieBhinsicauelemenhtlichdtgescerhwindigkoptimaleneitKwirdvollektordotierungorgestellt.Untundersuc-dichkeungenfürdzeigen,asdassErzielendurcvohn

iii

iii

iv

Verwendungeines40nmdünnenKollektorsundeinerhohenKollektordotierungvon
1.5×1018cm−3eineVerbesserungderGrenzfrequenzfTum45GHzimVergleichzum
heutigenTransistorerzieltwerdenkann.AlsErgebnisderOptimierungdesBasiswider-
standeswurdenvierMaßnahmenidentifiziert,durchderenKombinationdiemaximale
Oszillationsfrequenzfmaxbisauf700GHzerhöhtwerdenkann.Diesistzunächsteine
VerkleinerungderEmitterweitebisauf80nmundeineReduzierungderEmitter-Basis-
Spacerauf30nm.AusserdemistdazudieBor-DotierungimBasisanschlussgebietauf
2×1020cm−3zuerhöhen.SchließlichmussdiesilizierteBasisanschlusselektrodein
RichtungzumEmitterhinausgedehntwerden.Diese700GHzentsprecheneinerVer-
dopplungdesheutigenWertes.

tsentCon

Acknowledgements

Abstract

Kurzfassung

FiguresofList

ListblesaTof

1Introduction
1.1Motivation...................................
1.2Outline.....................................

i

ii

iii

ivx

xix

115

2SiliconGermaniumBipolarTechnology6
2.1Introduction..................................6
2.2PseudomorphicGrowthofSiliconGermanium...............7
2.3PrincipleofSiGeHBTs............................10
2.4Figures-of-Merit...............................13
2.4.1UnityCurrentGainCutoffFrequency................13
2.4.2MaximumOscillationFrequency...................15
2.4.3BreakdownVoltages.........................16
2.5Infineon’sSiGeBipolarTechnology.....................17
2.5.1ProcessConcept...........................18
2.5.2FabricationProcess..........................18
2.5.3ElectricalCharacteristics.......................24

v

viCONTENTS3DeviceSimulation27
3.1Introduction..................................27
3.2SemiconductorEquationsforHBT’s.....................33
3.3PhysicalModelSelection...........................36
3.3.1PhysicalModels............................37
3.3.2MobilityModels............................38
3.3.3RecombinationandCarrierLifetimes................39
4IntegrationofHighSpeedTransistors,HighVoltageTransistors,and
VaractorsontheSameChip42
4.1IntroductionofDoubleEpitaxyConcept..................42
4.2DeviceStructureandFa