Integration von LDMOS-Transistoren für Hochfrequenzanwendungen in eine 0.13µm-SiGe:C-BiCMOS-Technologie

Integration of LDMOS-transistors for high frequency applications in a 0.13µm-SiGe:C-BiCMOS-technology

  • Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entwicklung von MOS-Transistoren mit lateral erweitertem Drainanschluss (LDMOS) und deren Integration in eine 0.13µm SiGe:C-BiCMOS-Technologie. In dieser Technologie stehen neben SiGe-Heterobipolartransistoren (HBT) auch komplementäre MOS Feldeffekttransistoren (MOSFET) für Betriebsspannungen von 1.2V und 3.3V sowie passive Bauelemente, wie z.B. integrierte Kondensatoren, Widerstände und Spulen, zur Verfügung. Die 0.13µm-BiCMOS-Technologie verbindet so die Vorteile eines skalierten CMOS-Prozesses, z.B. für Digitalschaltungen mit hohen Rechenleistungen, mit den sehr guten Hochfrequenzeigenschaften der SiGe-HBTs. Damit ermöglicht sie neuartige Anwendungen im Millimeterwellenbereich, wie z.B. in optischen Netzwerken mit Übertragungsraten über 100 Gb/s oder in drahtlosen Kommunikationssystemen. Die zusätzliche Integration von Hochvolt-MOSFETs, mit der sich diese Arbeit befasst, ermöglicht eine erweiterte Funktionalität der mittels der BiCMOS-Technologie herstellbaren Schaltkreise. In der RegelDie vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entwicklung von MOS-Transistoren mit lateral erweitertem Drainanschluss (LDMOS) und deren Integration in eine 0.13µm SiGe:C-BiCMOS-Technologie. In dieser Technologie stehen neben SiGe-Heterobipolartransistoren (HBT) auch komplementäre MOS Feldeffekttransistoren (MOSFET) für Betriebsspannungen von 1.2V und 3.3V sowie passive Bauelemente, wie z.B. integrierte Kondensatoren, Widerstände und Spulen, zur Verfügung. Die 0.13µm-BiCMOS-Technologie verbindet so die Vorteile eines skalierten CMOS-Prozesses, z.B. für Digitalschaltungen mit hohen Rechenleistungen, mit den sehr guten Hochfrequenzeigenschaften der SiGe-HBTs. Damit ermöglicht sie neuartige Anwendungen im Millimeterwellenbereich, wie z.B. in optischen Netzwerken mit Übertragungsraten über 100 Gb/s oder in drahtlosen Kommunikationssystemen. Die zusätzliche Integration von Hochvolt-MOSFETs, mit der sich diese Arbeit befasst, ermöglicht eine erweiterte Funktionalität der mittels der BiCMOS-Technologie herstellbaren Schaltkreise. In der Regel verlangt die Herstellung von Hochvolttransistoren in etablierten BiCMOS- oder CMOS-Umgebungen meist zusätzlichen Prozessaufwand zu den Standardabläufen. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Integrationskonzepten die diesen technologischen Mehraufwand minimieren. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein Integrationskonzept entwickelt, welches die Herstellung komplementärer LDMOS-Transistoren erlaubt, d.h. LDMOS-Transistoren mit n-Kanal (NLDMOS) als auch p-Kanal (PLDMOS), und einen zusätzlichen Maskenschritt pro Transistortyp im Vergleich zum Basisprozess erfordert. Dabei wird speziell die Driftregion des NLDMOS-Transistors und insbesondere der Einfluss eines innerhalb der n-dotierten Driftregion realisierten p-dotierten Gebietes untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein neuartiges Prinzip zur Realisierung von Hochvolttransistoren ohne zusätzlichen Prozessaufwand vorgestellt. Dabei wird die schwach dotierte Driftregion durch eine spezielle Kombination von Implantationen des Basis-CMOS-Prozesses hergestellt. Das vorgestellte Konzept wird so optimiert, dass es auch die Realisierung von komplementären Hochvolttransistoren erlaubt. Trotz des minimalen bzw. keines technologischen Mehraufwandes bei der Realisierung der komplementären Transistoren erzielen die Bauelemente Spitzenwerte in den Grenzfrequenzen bei den entsprechenden maximalen Betriebs- und Durchbruchspannungen für Si-basierte LDMOS-Transistoren.show moreshow less
  • This thesis deals with the development of drain extended MOS-transistors (LDMOS) and their integration in a 0.13µm-SiGe:C-BiCMOS-technology. This technology offers SiGe-hetero bipolar transistors (HBT) and two types of complementary MOS transistors with an operating voltage of 1.2V and 3.3V as well as passive components as capacitors, inductors and resistances. For this reason the 0.13µm-BiCMOS-technology combines the advantages of a highly scaled CMOS-process with the excellent high frequency properties of the SiGe-HBTs. This enables novel mm-wave applications for instance in optical networks or for wireless communication systems. The additional integration of high voltage transistors in such a technology platform improves the functionality of the integrated circuits which were realized in this BiCMOS-technology. Usually the realization of high voltage devices requires additional process steps to the standard CMOS or BiCMOS flow. An essential goal of this work was the development of integration concepts which require less or even noThis thesis deals with the development of drain extended MOS-transistors (LDMOS) and their integration in a 0.13µm-SiGe:C-BiCMOS-technology. This technology offers SiGe-hetero bipolar transistors (HBT) and two types of complementary MOS transistors with an operating voltage of 1.2V and 3.3V as well as passive components as capacitors, inductors and resistances. For this reason the 0.13µm-BiCMOS-technology combines the advantages of a highly scaled CMOS-process with the excellent high frequency properties of the SiGe-HBTs. This enables novel mm-wave applications for instance in optical networks or for wireless communication systems. The additional integration of high voltage transistors in such a technology platform improves the functionality of the integrated circuits which were realized in this BiCMOS-technology. Usually the realization of high voltage devices requires additional process steps to the standard CMOS or BiCMOS flow. An essential goal of this work was the development of integration concepts which require less or even no additional process effort. The first part of the thesis describes an integration concept for complementary LDMOS-devices which requires only one additional mask step to the standard process. In particular the influence of a p-doped region located in the low doped n-drift region is investigated. The second part deals with an integration concept which requires even no additional process steps. This kind of LDMOS-devices uses the combination of standard CMOS implantations to form the low doped drift region. The optimization of this integration concept enables also the realization of complementary high voltage devices. Despite to the fact that the developed integration methods require less or even no additional process effort they offer cut-off frequencies at highest operating and breakdown voltages compared to state of the art silicon LDMOS devices.show moreshow less

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Metadaten
Author: Andreas Mai
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-20740
Referee / Advisor:Dr. rer. nat. habil. Holger Rücker
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2010
Date of final exam:2010/10/21
Release Date:2011/01/14
Tag:LDMOS-Transistoren; SiGe-BICMOS
High-voltage; Radio frequency; Si-LDMOS; SiGe-BiCMOS
GND Keyword:CMOS-Schaltung; Digitale integrierte Schaltung
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften