Fundamental challenges and potential solutions for THz SiGeC heterojunction bipolar transistors
Final Report Abstract
Die fachliche Gesamteinschätzung zu diesem Projekt kann ohne Frage erst im Zusammenhang mit den Ergebnissen des Projektpartners vorgenommen werden. Wegen des versetzten Projektendes wird an dieser Stelle eine separate Stellungnahme zum IHP-Teil abgegeben. Das Projekt hat ermöglicht, die Leistungsfortschritte, die für den SiGe-HBT im DOTSEVEN-Projekt erreicht wurden, aufzugreifen und das Wissen über die Vorhersagekraft der Device-Simulation von Höchstgeschwindigkeits-SiGe-HBTs zu erweitern. Des Weiteren konnten nützliche Empfehlungen für die Gestaltung der vertikalen Dotierungsprofile und der Ge-Komposition gegeben sowie Erkenntnisse über den Anteil der parasitären Widerstands- und Kapazitätskomponenten gewonnen werden. Diese Untersuchungen trugen nach mehreren Jahren der Stagnation dazu bei, den fT-Rekord für SiGe-HBTs deutlich zu verbessern. Außerdem lieferten zwei komplette Präparationszyklen wertvolle Informationen über Reproduzierbarkeit, Ausbeute und Schwächen der technologischen Prozesse und elektrischen Eigenschaften von SiGe-HBTs auf dem höchsten Leistungsniveau. Die im Projekt durchgeführten Untersuchungen brachten keine Anhaltspunkte dafür ans Licht, dass unüberwindbare Hürden den Weg zu einem SiGe-HBT mit Grenzfrequenzen von 1 THz und darüber versperren könnten. Es sind jedoch aufgrund der Budget-Reduktion im IHP-Teil keine speziellen Versuche unternommen worden, um den DOTSEVEN-Stand zu übertreffen und den Abstand zum THz SiGe-HBT zu verkleinern. Der erfolgversprechendste Weg dorthin sind vermutlich gemeinschaftliche Projektanstrengungen wie in den EU-Projekten DOTFIVE oder DOTSEVEN, die auf noch weiter lateral- und vertikal skalierte Transistoren abzielen und für deren Herstellung verbesserte Konzepte und moderne Verfahrensschritte benötigt werden. Wie dieses DFG-Projekt zeigt, können auf Teilgebieten, auch in Ergänzung zu umfangreicheren Vorhaben, mitentscheidende Voraussetzungen für die Realisierung schnellerer HBTs geschaffen werden. Dazu zählen Themen wie die weitere Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit in hochdotierten Si/SiGe-Schichten z.B. durch Millisekunden-Hochtemperaturbehandlungen oder durch geringere Temperatur- Zeitbelastungen während der Metallisierung (Stichwort Niedrig-Temperatur-Silizid). Diese Prozessneuerungen ermöglichen steilere Dotierungs- und Ge-Profile, woraus sich wiederum erweiterte Optimierungsspielräume ergeben. Auch die Epitaxie bleibt ein wichtiges Gebiet, das über das Geschwindigkeitspotenzial von SiGe-HBTs mitentscheidet und mindestens zeitweise entkoppelt von anderen Prozessmodifikationen untersucht werden kann. Die Homogenität der (SiGe-)Schichten und die Facettenbildung in kleiner werdenden Strukturen gewinnen an Bedeutung. Bei den am IHP verfolgten HBT-Konzepten spielen sowohl selektive als auch nicht-selektive Epitaxie-Prozesse eine wichtige Rolle. Der Optimierung der Abscheidebedingungen in Bezug auf die gewünschten Schichteigenschaften kommt dabei eine nicht zu unterschätzende Rolle zu. Betrachten wir Anwendungen des SiGe-HBTs aus kommerzieller Sicht, dann stellt sich gegenwärtig die Aufgabe, das in DOTFIVE und DOTSEVEN demonstrierte Hochgeschwindigkeitspotenzial der SiGe-HBTs auszunutzen, um in ausgewählten Bereichen Vorteile gegenüber der CMOS-Konkurrenz erhalten oder ausbauen zu können. Es steht dabei die Integration des SiGe-HBTs mit CMOS nicht in Frage, wobei Bemühungen zu erkennen sind, auch den Integrationsgrad in BiCMOS-Plattformen zu erhöhen. Dieser Zielstellung ist das EU-Projekt Taranto gewidmet. In diesem Projekt versuchen ST Microelectronics und Infineon neue BiCMOS-Plattformen mit einem SiGe-HBT von 600 GHz zu entwickeln. Für das IHP besteht in diesem Projekt die Aufgabe, SiGe-HBTs mit 700 GHz fmax in einem BiCMOS-Ablauf zu demonstrieren. Schaltungsdurchläufe sind mit dieser Technologie am IHP nicht vorgesehen. Die Zeitspanne, die vergehen wird, bis Technologien in diesem Leistungsniveau allgemein verfügbar sind, ist mit 5 Jahren abzuschätzen. Es wäre sicher zu begrüßen, wenn bis dahin auf der Basis der in diesem Projekt getesteten Varianten auch auf Schaltungs- bzw. Systemebene grundlegende Fragen angegangen werden könnten.
Publications
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"Experimental and theoretical study of fT for SiGe HBTs with a scaled vertical doping profile", Proc. IEEE BCTM, Boston, pp. 117-120, 2015
J. Korn, H. Ruecker, B. Heinemann, A. Pawlak, G. Wedel, M. Schroter
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"SiGe HBT modeling for mm-wave circuit design", Proc. IEEE BCTM, Boston, 149-156, 2015
A. Pawlak, S. Lehmann, P. Sakalas, M. Schroter
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“Single transistor based methods for determining the base resistance in SiGe HBTs: Review and evaluation across different technologies“, IEEE Trans. Electron Dev., Vol. 63, No. 12, pp. 4591-4602, 2016
A. Pawlak, J. Krause, H. Wittkopf, M. Schroter
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“Why is there no internal collector resistance in HICUM?”, IEEE BCTM, New Brunswick (NJ), p. 142-145, Sep. 2016 [Best Paper Award]
M. Schroter, S. Lehmann, A. Pawlak
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"Modeling of SiGe HBTs with (fT, fmax) of (340, 560) GHz based on physics-based scalable model parameter extraction", Top. Meeting on Silicon Monol. Integr. Circ. in RF Syst. (SIRF), pp. 100-104, Phoenix 2017
A. Pawlak, M. Schröter
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““Evaluation of the impact of the external collector resistance on results from parameter scaling for heterojunction bipolar transistors”, IEEE BCTM, Miami (FL), pp. 86-89, 2017
A. Pawlak and M. Schröter
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"SiGe HBT technology for sub-mm-wave electronics: State-of-the-art and future prospects", SiRF, Anaheim, pp. 60-63, Jan. 2018
M. Schröter and A. Pawlak
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“Methods for determining the collector series resistance in SiGe HBTs: A review and evaluation across different technologies”, IEEE Trans. Electron Dev., Vol. 65, No. 9, pp. 3588-3599, 2018
A. Pawlak, J. Krause, M. Schröter
