專利名稱：射頻功率晶體管的發射極鎮流旁路的制作方法
技術領域：
本發明涉及到功率晶體管，更確切地說是涉及到硅雙極型射頻(RF)功率晶體管。這種晶體管通常用于無線基站放大器的放大級中，但也廣泛地用于其它與RF有關的應用中。
背景技術：
大多數現代RF雙極功率晶體管都含有大量并聯的晶體管區段，以便借助于分配大量電流、減小寄生參量并提供散熱而達到高的功率容量。最普通的布局方式即叉指式布局，是由硅頂面上金屬化條連接的平行的基區和發射區的交替指條組成。
有源雙極晶體管具有正的溫度系數。這就是說，當溫度上升時，靜態收集極電流也上升。由于特定電流時的基極到發射極的電壓Vbe以大約0.002V/℃的速率下降，從而出現了這種情況。若晶體管的偏置電源保持恒定而溫度升高，則Vbe下降而收集極電流上升。收集極電流的這一上升導致功率耗散的進一步增大，它反過來又引起晶體管的結溫更進一步升高。若不施加其它影響，則這種情況將使晶體管因熱而失去控制，其電流將達到使晶體管失效的程度。
有許多從外部來控制這種情況的不同的方法。最普通的方法是這樣一種電路，它探測收集極電流并提供負反饋以便在溫度改變時保持收集極電流恒定。另一種方法是在偏置網絡中采用溫度特性與Vbe相反的溫度敏感元件。第三種方法是采用發射極電阻器來接地。隨著收集極電流的上升，Vbe下降，因而基極電流被降低。
晶體管外部的任何電流本身都增加復雜性并增加電路的成本。成本效益最大的施加溫度補償的方法是發射極接地電阻器。雖然此方法對于補償環境溫度的變化是非常有效的，但很難在物理上將這一電阻器放置在離晶體管足夠近的地方以盡量減小發射極引線電感。
半導體制造廠家已知放置發射極電阻器的最佳地點是將其與有源晶體管一起設置在硅芯片上。用這種方法可將發射極電阻器的串聯電感保持在最小值。在半導體工業中，發射極電阻器常常被稱為發射極鎮流電阻器，或簡稱為鎮流電阻器。通常，較高的功率密度要求較大的發射極鎮流電阻值。
發射極鎮流電阻re對功率增益有不利的影響。較高的功率增益是更為可取的，因為對于同樣大小的功率輸出所要求的輸入功率更小。
通常，雙極晶體管的本征發射極電阻比之發射極鎮流電阻是可以忽略的，以至對于實際的目的可將發射極電阻認為只等于發射極鎮流電阻。利用簡化的晶體管模型，雙極晶體管的功率增益由下式給出Gain(dB)=10logβ[RLre]]]>其中β是收集極電流對基極電流之比，RL是收集極負載電阻，re是發射極電阻。上述模型不包括發射極引線電感之類的較高頻率效應，并且不包括收集極反饋電容對功率增益的可能的不利影響。即使如此，也已經驗證確定，較低的re通常導致較高的增益。具體地說，在上述模型下，每當re降低1/2時，增益就增大3dB。
在電路設計中所用的消除re對增益的影響的普通方法是用電容器來旁路re。若電容器的容抗等于re，則re與電容器并聯的總阻抗被降低1/2。此時，雙極晶體管可更準確地模型如下Gain(dB)=10logβ[RL((re+Xc)/(re·Xc))]]]>如上述結果所示，通過使發射極鎮流電阻器旁路，可克服發射極鎮流電阻器對增益的不利影響。所要求的則是一種使所述類型功率晶體管中的發射極鎮流電阻器旁路的技術。
發明概要一般說來，本發明提供了一種用于使功率晶體管的發射極鎮流電阻器旁路從而提高晶體管增益的設備和方法。在叉指型功率晶體管中，旁路發射極鎮流電阻器要求對每一個分立的鎮流電阻器用一個電容器與之并聯旁路。因此，旁路是在硅芯片上完成的。更確切地說，根據本發明的一個實施例，RF功率晶體管包括一個硅管心、一個制作在硅管心上的發射極鎮流電阻器、以及一個制作在硅管心上且與發射極鎮流電阻器并聯連接的旁路電容器。根據本發明的另一實施例，RF功率晶體管包括一個硅管心以及一個制作在硅管心上的帶有多個平行的電極指條的叉指式電極。擴散區形成在電極指條的下方。電阻器制作在硅管心上且在第一節點處與電極指條串聯連接。包括連接焊點區的金屬化區制作在硅管心上且在第二節點處用金屬線路連接于電阻器。導電層處于金屬化區下方且在第一節點處連接于電極指條。隔離層將金屬化區同導電層分隔開。根據本發明的又一實施例，提供了一種提高RF晶體管的增益的方法，這種晶體管制作在硅芯片上且帶有一個制作在硅芯片上的發射極鎮流電阻器，其中在硅芯片上制作了一個電容器且與鎮流電阻器并聯連接。
附圖簡述結合附圖從下面的描述中將進一步理解本發明。在這些附圖中
圖1是雙極功率晶體管中常規發射極鎮流電阻器的剖面圖；圖2是包括MOS旁路電容器結構的發射極鎮流電阻器的剖面圖；圖3是圖2的MOS電容器結構的等效電路圖；圖4是集成于典型RF功率晶體管結構中的多晶硅/氧化物/金屬MOS電容器結構的剖面圖；圖5是根據本發明一個實施例的RF功率晶體管中旁路電容器布局的詳細平面圖；以及圖6是圖5的MOS電容器結構的等效電路圖。
優選實施例的詳細描述為了對功率晶體管的發射極鎮流電阻器作容性旁路，需要有一種方法來實現電容量足夠大的電容器。由于MOS電容器的線性極好、具有高的擊穿電壓和低的溫度系數且各晶體管的電容量能夠以良好的一致性加以制造，故在雙極工藝中被最普遍地采用。反向偏置的PN結只要一直保持在反向偏置情況，也可采用。但大的電容量要求高的摻雜水平，這會導致得到的結構具有無法接受的擊穿電壓。
參照圖1，發射極鎮流電阻器的制作方法(如在常規雙極功率晶體管中那樣)如下在N型襯底11中提供一個P型擴散區13，其一端用金屬引線15連接到一個發射極指條對，并在另一端用金屬引線17連接到發射極連接焊點(未示出)。制作在同一金屬化層上的金屬引線15和金屬引線17用部分氧化層(分別為19和21)與襯底11隔離。
參照圖2的雙極工藝中的最簡單方法，為了額外提供MOS電容器，在工藝中加入了一個額外的掩蔽步驟以便在擴散區13之上確定一個生長薄層二氧化硅23的區域。然后將金屬化層25置于薄的氧化層上，從而得到電容量大而擊穿電壓高的電容器。
但如圖3所示，在擴散區13和襯底區11(晶體管
收集極)之間出現由結的耗盡電容造成的很大的寄生電容。換言之，擴散區13變成寄生電容器的一個平板，而襯底11變成另一個平板。此電容占據著位于擴散區與襯底之間交界面處的PN結的耗盡區。這一寄生電容由于會提高收集極一發射極電容并降低采用此晶體管的放大器的帶寬，因而是不利的。
降低這一寄生電容的一個方法是采用多晶硅/氧化物/金屬電容器。參照圖4，其中N型襯底11、形成P+鎮流電阻器的P型擴散區13、以及氧化區域19和21都與圖1的常規安排相同。同時示出的是RF晶體管的一個有源發射極區27。與圖2的MOS電容器相反，一層高摻雜的多晶硅29被用來形成電容器的下電極，且通過可制成為數μm厚的氧化區21將其與襯底隔離。結果，對襯底的電容被大為降低。在多晶硅層29之上生長了一個薄的氧化層37并在電容器的二平板(多晶硅層29和發射極焊點金屬化31)之間形成一個介電層。金屬化33將一對發射極指條連接到鎮流電阻器13，并將鎮流電阻器13連接到多晶硅層29。
得到的圖4的多晶硅-金屬電容器40是一個性質與圖2的電容器相似的MOS電容器。為了將圖4所示的電容器加入到典型的高頻晶體管工藝中，只需要包括一個或二個附加的掩蔽步驟的標準的硅工藝步驟。多晶硅層29應當重摻雜以便盡量減小電容器電極中的耗盡效應。亦即，若多晶硅沒有被重摻雜，則多晶硅在某些偏壓下可能載流子耗盡，造成與氧化物電容串聯的電容。這一耗盡導致總電容降低，而且電容值依賴于電壓，線性很差。
圖5示出了旁路電容器40的典型布局的簡化細節，此處所示的只有4個連接于一個焊點41的發射極(33，34，36和38)。一個實際晶體管可以包含幾百個連接于一個焊點的發射極。線IV-IV表示圖4所示的剖面。比之常規布局，此布局已增加了制作MOS電容器40的多晶硅上金屬區29。電容器40通常有高達1fF/μm2的電容值。
圖5中多晶硅上金屬電容器40的寬度依賴于所需的電容。例如，若對于一個1560個發射極指條布局要求50pF以便在2GHz時獲得1.6Q的阻抗，則如果在多晶硅頂部使用300的二氧化硅，圖5所示的多晶硅上金屬電容器的寬度只需37μm。增大了的布局尺寸應與40-60μm的典型發射極指條尺度及高達100×100μm的典型連接焊點的尺寸來進行比較。
圖6示出了布局的等效電路，其中一個RF功率晶體管50連接到一個被一個旁路電容器40′旁路的鎮流電阻器13′。
本技術領域的普通熟練人員將會理解，本發明可用其它的特定形式來體現而不超越其構思與主要特點。因而此處公開的實施例無論從哪方面來看都是示例性的而非限制性的。本發明的范圍由所附權利要求而不是由前面的描述來闡明，而且符合其等效意義和范圍的所有改變都被認為包括在其中。
權利要求
1.一種RF功率晶體管，它包含一個硅管心；一個制作在硅管心上的帶有多個平行的電極指條的叉指式電極；制作在上述電極指條下方的擴散區；一個制作在硅管心上且在第一節點處與上述電極指條串聯連接的電阻器；一個制作在硅管心上的包括一個連接焊點區的金屬化區；一個連接于上述金屬化區且在第二節點處連接于上述電阻器的金屬通路；一個位于上述金屬化區下方且在上述第一節點處連接于上述電極指條的導電層；以及一個將上述金屬化區與上述導電層分隔開的隔離層。
2.權利要求1的設備，其中所述的導電層是摻雜的多晶硅。
3.權利要求2的設備，其中所述的隔離層是一個氧化物層。
4.一種RF功率晶體管，它包含一個硅管心；一個制作在上述硅管心上的發射極鎮流電阻器；以及一個制作在上述硅管心上且與上述發射極鎮流電阻器并聯連接的旁路電容器。
5.權利要求4的設備，其中所述的發射極鎮流電阻器是一個擴散電阻器。
6.權利要求5的設備，其中所述的電容器是一個多晶硅上金屬的電容器。
7.一種提高RF晶體管的增益的方法，此RF晶體管制作在硅芯片上，且帶有一個制作在硅芯片上的發射極鎮流電阻器，包含下列步驟在硅芯片上制作一個電容器；以及將電容器與鎮流電阻器并聯連接。
8.一種提高RF晶體管的增益的方法，此RF晶體管制作在硅芯片上，且帶有多個制作在硅芯片上的發射極鎮流電阻器，包含下列步驟在硅芯片上制作一個電容器；以及將電容器與每個鎮流電阻器單獨地并聯連接。
全文摘要
提供了一種設備和方法來對功率晶體管的發射極鎮流電阻器進行旁路,從而提高晶體管的增益。在一個叉指型的功率晶體管中,對發射極鎮流電阻器的旁路要求用一個并聯電容器對每一個分立的鎮流電阻器進行旁路。因此,在硅芯片上完成旁路。更確切地說,根據本發明的一個實施例,RF功率晶體管包括一個硅芯片、一個制作在硅芯片上的發射極鎮流電阻器(13)以及一個制作在硅芯片上且與發射極鎮流電阻器(13)并聯連接的旁路電容器(40)。此電阻器可以是一個擴散電阻器,而電容器可以是一個多晶硅上金屬電容器。根據本發明的另一實施例,提供了一種提高RF晶體管增益的方法,此RF晶體管制作在硅芯片上且帶有一個制作在硅芯片上的發射極鎮流電阻器,其中一個電容器制作在硅芯片上且與鎮流電阻器并聯連接。
文檔編號H01L21/02GK1181843SQ9619330
公開日1998年5月13日 申請日期1996年2月16日 優先權日1995年2月24日
發明者T·約翰森, L·萊頓 申請人:艾利森電話股份有限公司