CMOS auf hochohmigem Silizium für integrierte Mikrowellenschaltungen (MMIC)

Abstract

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Integrationsmöglichkeit von Silizium Millimeter-Wellen-IC-Hochfrequenztechnologie (SIMMWIC) und CMOS-Technik. SIMMWIC ist eine auf der Silizium-Halbleitertechnik basierende Technologie zur Herstellung aktiver (z.B. Hetero-Bipolar-Transistoren, Schottky-Dioden) und passiver (z.B. Wellenleiterstrukturen) auf einem Silizium-Substrat. Diese Schaltungen können bis zu Frequenzen von rund 100 GHz eingesetzt werden und erlauben aufgrund ihrer hohen Betriebsfrequenz und damit verbunden kleiner Wellenlänge eine Integration kompletter Schaltungen auf kleinstem Raum. Der Wunsch nach Integration dieser Technologie mit der etablierten CMOS-Technologie basiert auf dem Streben nach geringen Fertigungskosten und einer damit verbundenen weiten Marktdurchdringung von Hoch- und Höchstfrequenzschaltungen. Ausgangspunkt war die Übertragung eines Aluminium-Gate-CMOS-Prozesses auf hochohmiges (5000 Ohm cm) zonen-gereinigtes (float zone, FZ) Silizium und die vergleichende Charakterisierung von Bauelementen und Schaltungen beider Technologien. Damit konnte die prinzipielle Darstellbarkeit von MOS-Transistoren auf FZ-Silizium gezeigt werden. An einer der drei untersuchten Prozeßvarianten konnten zudem ausgeprägte Kurzkanaleffekte auch an lang-kanaligen Bauelementen beobachtet werden. Verbunden mit diesen Kurzkanaleffekten konnte die Ausbildung leitender Oberflächenkanäle beobachtet werden, die auch bei verschwindend geringen Oxidladungsdichten auf p-leitendem hochohmigem Silizium auftreten. Zur Charaktersisierung verschiedener Technologieparameter mußte auf spezielle Meßmethoden wie Spreading Resistance-Messungen bei hochohimgem Silizium und Tieftemperatur-Kapazitäts-Spannungs-Messungen zurückgegriffen werden. Abschließend konnten verschiedene Aspekte der Integration von CMOS- und SIMMWIC-Technologie-Schritten bearbeitet werden, die eine grundsätzliche Integrationsfähigkeit bestätigen.

Focus of this thesis is the exploration of a principal feasibility of integrating silicon millimeter wave integrated circuit technology (SIMMWIC) and CMOS technology. SIMMWIC is based on silicon semiconductor process technology. It can be used to obtain active (e.g. hetero bipolar transistors, Schottky diodes) and passive (e.g. waveguiding structures) on the same silicon substrate. These circuits can be used up to frequencies of around 100 GHz. Due to its high operating frequency and thus small wavelength an integration of complete circuits on small circuit areas is possible. The desire to integrate this technology with the established CMOS technology is induced by the drive towards reduced production costs. Only with reduced costs a wider market penetration of high frequency technology into wider application areas seems possible. Basis of this work was the transfer of an aluminum gate CMOS process onto highly resistive (5000 Ohm cm) float zone (FZ) silicon. A comparative assessment of devices and circuits on both technologies was carried out. Thus it could be shown that a principal feasibility for MOS on p-doped FZ silicon exists. Three different process variants were examined and one displayed clear effects of short channel behavior even with long channel MOS devices. Furthermore a strong inducement of surface conducting channels was observed. These channels even exist at extremely small positive oxide charge concentrations. To characterize the devices and the accompanying effects specific measurement methods had to be applied and extended in their use. These methods comprised among others spreading resistance measurements of high resistive silicon and capacitance voltage measurements at low temperatures. Finally several apects of an integration process of CMOS and SIMMWIC were explored. The results obtained comfirmed the principal feasibility of monolithic integration.