[发明专利]双极性晶体管中的增益恢复

说明书

技术领域

本发明涉及双极性晶体管，且更具体地，涉及用于恢复由于例如热载流子效应而丢失或劣化的增益的方法和结构。

背景技术

双极性晶体管是具有彼此紧靠的两个p-n结的电子器件。典型的双极性晶体管具有三个器件区：发射极、集电极和布置在所述发射极和所述集电极之间的基极。理想地，两个p-n结、即发射极-基极和集电极-基极结隔开了特定距离。通过改变在一个p-n结附近的偏压来调制该一个p-n结中的电流被称为“双极性晶体管动作”。

如果发射极和集电极是掺杂的n型，且基极是掺杂的p型，则该器件是“npn”晶体管。或者，如果使用相反掺杂配置，则该器件是“pnp”晶体管。由于在npn晶体管的基极区中的少数载流子（即电子）的迁移性，用npn晶体管可以获得更高频率的操作和更高的速度性能。因此，本发明人相信npn晶体管包括用于构造集成电路的许多双极性晶体管。在图1(a)和1(b)中，除了各个基极偏压电路、开关P0、N0、集电极负载电路和发射极负载电路以外，示出了现有技术的npn和pnp双极性晶体管Q0、Q1。

随着器件（双极性晶体管）工作寿命而带来的性能损耗（wear-out）已经成为所有半导体器件的主要问题。一种损耗机制是由于双极性器件中的基极-发射极结的反向偏压而导致的已知的热载流子效应。在一些电路应用中，要求以高电压（诸如V_BE=1.5伏特或更高）长时间反向偏压基极-发射极结，这将严重地劣化关键器件性能参数，特别是电流增益(hfe“aka”β)。电流增益β是集电极电流I_c除以基极电流I_b的比率。以高电压长时间反向偏压基极-发射极结显著地缩短了双极性晶体管的工作寿命。

对于双极性晶体管中的基极-发射极结的热载流子效应和反向偏压的讨论，见例如：Sun等人的HOT-ELECTRON-INDUCED DEGRADATION AND POST-STRESS RECOVERY OF BIPOLAR TRANSISTOR GAIN AND NOISE CHARACTERISTICS，IEEE Transections on Electron Devices，第39卷，第9号，1992年9月，第2178-2180页；Huang等人的TEMPERATURE DEPENDENCE AND POST-STRESS RECOVERY OF HOT ELECTRON DEGRADATION EFFECTS IN BIPOLAR TRANSISTORS，IEEE 1991Bipolar Circuits and Technology,5/91,170-173页。

传统地，双极性器件制造商和设计者受限于最大允许基极-发射极反向电压(V_BE)，以便确保晶体管工作寿命的可靠性。但是，因为在具有更苛刻的性能需求和进一步缩小的器件尺寸的先进的半导体技术中反向电压极限继续减小，因此电路设计者使用从先前技术开发的标准电路库（例如，更大的技术节点）变得很有问题。

例如，消费者可能希望半导体铸造厂使用例如IBM的BiCMOS6WL技术来支持具有3.0V的反向偏压（V_BE）的晶体管电路（器件），该BiCMOS6WL技术提供大约(±10%)1.75V的反向电压偏压极限。使用传统的可靠性指导和模型，这种设计明显地影响在晶体管寿命期间的可靠性，因此是有问题的。满足这种晶体管设计的可靠性需求是极富挑战性的。因此，很重要的是，例如半导体铸造厂或其他半导体制造商具有减轻该基极-发射极结反向偏压极限的解决方案。

Guarin等人的美国专利号7,238,565B2，2007年7月3日授权的题为“METHODOLOGY FOR RECOVERY OF HOT CARRIER INDUCED DEGRADATION IN BIPOLAR DEVICES”公开了使用热退火来恢复由基极-集电极结中的热载流子效应导致的劣化。也在该专利中公开了正向偏压双极性晶体管用于劣化恢复的方法。在'565B2专利中公开的若干实施例之一中，向双极性晶体管提供大约峰值fT电流的高正向电流，同时该双极性晶体管工作在雪崩条件之下（小于1伏特的V_CB）。高正向电流有助于将双极性晶体管的温度增加到大约200℃或更高。更具体地，适当地增加基极-集电极结和基极-发射极结的温度有助于显著地恢复该劣化。美国专利号7,238,565B2在此通过引用整体并于此。