互補雙極工藝技術的重大突破
VIP10是美國國家半導體公司（NS）互補雙極工藝技術的一項重大突破�；パa雙極晶體管無論采用 NPN 還是PNP設計,均較其他晶體管更能為新一代的高性能、高速度放大器提供所需的功能,例如高帶寬、低功耗、低電壓、較大的輸出振幅、高輸出電流以及低失真率等。
由于VIP10采用先進的工藝技術結構,具有很多優(yōu)點。活性區(qū)是采用Bonded Water技術制成的絕緣硅片(SOI),四周有蝕刻溝道,并以填料填滿溝道,成為絕緣邊。VIP10 晶體管的集電極均已完全加以電介質(zhì)隔離(DI),而且集電極和基底或井之間并無反向偏壓接面。上一代的工藝技術均采用接面絕緣 (JI)的方法,集電極與基底之間的電容(Cjs)基本上是接面電容。
對于采用接面絕緣方法的工藝技術來說,其電容量將更大一些,尤其是某一類晶體管,因為采用接面電容,會跟隨不同電壓而改變。NS的VIP1、VIP2及VIP3等工藝技術與大部分雙極工藝技術一樣均采用p型基底。為了將PNP晶體管的集電極與基底隔離,便需采用n型埋層隔離擴散接面。這種n 型擴散接面必須比p型基底更高度摻雜。高摻雜度的接面令PNP晶體管的Cjs電容遠較NPN晶體管為高。若采用VIP10工藝技術,不管電壓高低,最少晶體管的Cjs電容量低至只有5fF,而且NPN和PNP晶體管的Cjs電容均相同。
另一要解決的寄生電容問題是集電極基極接面的電容(Cjc)。根據(jù)密勒效應,集電極基極接面的電容會因應電壓增益級的輸入而增加,因此在高速的芯片設計之中 Cjc具有關鍵作用。以高速的晶體管來說,其輕微摻雜的內(nèi)部基極接面與高度摻雜的外部基極擴散接面連接。這個外部的基極區(qū)在基極周邊形成一個較大的接面電容。VIP10的四周邊界均以電介質(zhì)加以隔離,一舉解決這個問題。方法是利用淺溝蝕刻并以填料填充,而并非采用傳統(tǒng)的 LOCOS氧化法,因為采用氧化法可能會產(chǎn)生缺陷,令電流大量漏失,而且大大降低模擬電路的成品率。
發(fā)射極及基極的接面各有自己的多晶硅層。重要的發(fā)射極及基極區(qū)會自動對位。Poly1是外部基極區(qū)。Poly1區(qū)設有一個洞孔,作為發(fā)射極的窗口及內(nèi)部基極。發(fā)射極區(qū)與外部基極區(qū)之間有一層氮化物將兩者分隔,而發(fā)射極則與Poly2 連接,使基極拾波區(qū)非常接近發(fā)射極,有助減低外部基極電阻(Rbb)。這兩層多晶硅層均含水楊酸,可進一步減低與發(fā)射極、基極及集電極串列一起的寄生電阻。
最少晶體管的芯片面積小至只有300mm2,大小只有舊型號的1/8。這是上述功能特色的另一優(yōu)點。雙層多晶硅層結構可將發(fā)射極至基極之間的拾波空間減少,較傳統(tǒng)的單一多晶硅層方式優(yōu)勝�；鶚O的周邊采用淺溝加以隔離,使集電極拾波區(qū)可以非常接近基極,而不會減低崩潰或增加電容。最后,圍在晶體管四周的隔離淺溝可大幅縮小絕緣所需的空間。圖1所示為VIP10 晶體管的橫切面。
對于雙極性晶體管來說,最常見而又最有價值的交流電數(shù)值是過渡頻率(Ft)。若Vce=5V,VIP10 NPN及PNP的過渡頻率分別為 9GHz及8GHz。對于互補硅片工藝來說,這是極為先進的技術。Ft越低,發(fā)射極基極接面擴散電容也越低,NS利用這種特性,所以設計帶寬高達1GHz的線性集成電路或帶寬為100MHz左右的極低功耗線性集成電路,因為即使供電電流極低,所用的內(nèi)置式放大器也因其擴散及寄生電容較低,而令相移也較低。
若以較低電壓操作,VIP10晶體管的Ft只有輕微的下降,由于 VIP10芯片具有這些低電壓交流特性,因此即使供電電壓低至2.7 V,仍可發(fā)揮卓越的性能,輸出振幅接近供電電壓。
