Разработка и исследование методов повышения быстродействия интегрированного в КМОП маршрут кремний-германиевого гетеропереходного биполярного N-P-N транзистора Евдокимов Виталий Дмитриевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Технология SiGe ГБТ и приборы на её основе 10

1.1. Технология SiGe 10

1.2. Существующие конструкции SiGe ГБТ 26

1.3. Масштабирование SiGe ГБТ 36

Выводы к главе 1 41

Глава 2. Выбор моделей для анализа характеристик SiGe ГБТ 42

2.1. Обоснование выбора пакета приборно-технологического моделирования 42

2.2. Выбор технологических моделей 44

2.3. Экспериментальное исследование интегральных структур на этапе калибровки моделей технологических операций формирования SiGe ГБТ 56

2.4. Выбор приборных моделей 65

Выводы к главе 2 75

Глава 3. Исследование конструктивных и технологических особенностей SiGe ГБТ, влияющих на его быстродействие 76

3.1. Методы повышения быстродействия SiGe ГБТ 76

3.2. Анализ базовой конструкции SiGe ГБТ 78

3.3. Масштабирование структуры SiGe ГБТ с повышением быстродействия 82

3.4. Исследование влияния профиля германия в активной базе на быстродействие SiGe ГБТ 93

3.5. Исследование положения профиля бора и возможности снижения его диффузии с применением легирующего углерода 96

3.6. Исследование влияния концентрации и профилей областей коллектора SiGe ГБТ на его быстродействие 103

3.7. Разработка конструкции SiGe ГБТ, позволяющих повысить его быстродействие 106

3.8. Исследование влияния толщины буферного эмиттерного слоя на быстродействие SiGe ГБТ 112

Выводы к главе 3 114

Глава 4. Влияние технологических операций формирования SiGe ГБТ на статические и динамические характеристики КМОП структур 115

4.1. Влияние технологических операций биполярного узла

на конструктивно-технологические характеристики КМОП транзисторов 115

4.2. Выбор приборных моделей для среды симуляции комплементарных полевых транзисторов 121

4.3. Статические характеристики КМОП транзисторов 124

4.4. Динамические характеристики КМОП транзисторов 130

Выводы к главе 4 134

Заключение 135

Список используемых источников 138

• Существующие конструкции SiGe ГБТ
• Экспериментальное исследование интегральных структур на этапе калибровки моделей технологических операций формирования SiGe ГБТ
• Анализ базовой конструкции SiGe ГБТ
• Выбор приборных моделей для среды симуляции комплементарных полевых транзисторов

Введение к работе

Актуальность темы исследования. С целью повышения функциональности и быстродействия интегральных схем (ИС) на основе комплементарных МОП (КМОП) транзисторов применяют масштабирование их структур. Для эффективного масштабирования необходимо снижать напряжение питания, поскольку уменьшаются значения пробивных напряжений структур.

Современные КМОП схемы могут использоваться в СВЧ приложениях, однако, ограничения со стороны значений рабочих напряжений и токов не позволяют использовать их в приёмопередающих системах, предъявляющих требования высокой выходной мощности сигнала.

Эта проблема может быть решена с помощью совместного использования относительно бюджетных КМОП схем с более дорогостоящими усилительными приборами на основе материалов A^IIIB^V, обладающими избыточным быстродействием и рассеиваемой мощностью по сравнению с кремниевыми приборами. Помимо немалой стоимости совместное использование технологически несовместимых материалов подразумевает обращение к гибридным сборкам и специальным корпусам, что не соответствует целям миниатюризации и ещё больше удорожает себестоимость изделий.

Альтернативным путём решения задачи использования

высокофункциональных блоков на основе кремниевых КМОП
транзисторов в СВЧ приёмо-передающих системах является их
интеграция с n-p-n кремний-германиевыми гетеропереходными

биполярными транзисторами (SiGe БТ), способными работать при

больших значениях напряжений и токов. Монолитное БиКМОП исполнение не накладывает существенных ограничений на маршруты формирования полевых и гетеробиполярных транзисторов, поэтому признаётся обладающим высокой технологичностью, что в свою очередь не приводит к значительному удорожанию СВЧ схем. Усилительные каскады содержат в своём составе единицы биполярных транзисторов, выполненных на той же подложке и в том же корпусе, что и сотни тысяч МОП транзисторов.

При переходе к технологии с меньшими проектными нормами, в
частности от 180 нм к 90 нм, быстродействие МОП транзисторов
возрастает пропорционально уменьшению длины канала, поэтому
возникает необходимость пропорционального увеличения

быстродействия n-p-n SiGe БТ. Заведомо более высокий

малосигнальный коэффициент усиления позволяет также использовать более быстродействующий SiGe БТ в энергосберегающих системах.

В условиях термодефицита, налагаемого КМОП маршрутом,
эффект масштабирования в отношении быстродействия SiGe БТ

оказывается недостаточным. Поэтому возникает необходимость

выработки методов повышения быстродействия интегрированного в
КМОП маршрут кремний-германиевого гетеропереходного

биполярного n-p-n транзистора.

Метод приборно-технологического моделирования

рассматривается и используется в данной работе как основное средство исследования и разработки конструкции и технологии создания быстродействующего интегрированного в КМОП маршрут кремний-германиевого гетеропереходного биполярного n-p-n транзистора.

Целью диссертационной работы является разработка и

исследование методов повышения быстродействия интегрированного в
КМОП маршрут кремний-германиевого гетеропереходного

биполярного n-p-n транзистора.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:

1. Исследование n-p-n SiGe БТ как объекта приборно-технологического моделирования с целью выявления присущих его структуре эффектов;

2. Калибровка приборно-технологических моделей среды численного моделирования на примере структуры n-p-n SiGe БТ в составе БиКМОП ИС с проектными нормами 180 нм;

3. Исследование влияния вертикального и горизонтального масштабирования структуры SiGe БТ на его быстродействие;

4. Выработка конструктивных и технологических решений, позволяющих повысить быстродействие SiGe БТ при переходе к БиКМОП технологии с суб-100 нм проектными нормами.

Научная новизна:

5. Предложена методика приборно-технологического моделирования наноразмерной структуры n-p-n SiGe гетеропереходного биполярного транзистора в САПР TCAD Sentaurus, учитывающая конструктивно-технологические особенности БиКМОП технологии;

6. С использованием разработанного маршрута приборно-технологического моделирования:

обнаружен эффект повышения быстродействия n-p-n SiGe гетеропереходного биполярного транзистора при увеличении степени легирования его активной базовой области углеродом с концентрацией до (1–2)10²¹ см^-3, обусловленный уменьшением эффективной толщины базы;

установлена зависимость значений максимальной и граничной частот n-p-n SiGe гетеропереходного биполярного транзистора от уровня легирования глубоко залегающего коллекторного слоя, что вызвано уменьшением объёмного сопротивления тела коллектора за счёт обратной диффузии фосфора; показано, что положительный эффект достигается при увеличении дозы легирования фосфором вплоть до значения 210¹⁵ см^-2;

определена корреляция быстродействия n-p-n SiGe гетеропереходного биполярного транзистора с толщиной буферного эмиттерного слоя; показано, что зависимость верхней граничной частоты имеет максимум, обусловленный влиянием подвижности электронов и сопротивления эмиттерной области.

Практическая значимость работы определяется следующими

результатами:

7. Предложенные конструктивно-технологические решения по увеличению быстродействия кремний-германиевого гетеропереходного n-p-n биполярного транзистора позволили повысить значения граничной и максимальной частот прибора до 216 ц при значении пробивных напряжений коллектор-база и коллектор-эмиттер не ниже минимального значения пробивного напряжения КМОП транзисторов, изготовленных по технологии с минимальными проектными нормами 90 нм;

8. Кремний-германиевый гетеропереходный n-p-n биполярный транзистор интегрирован в КМОП технологический маршрут с проектными нормами 90 нм с изменениями приборных характеристик КМОП транзисторов не более 2% по сравнению с технологическим маршрутом без опции SiGe БТ;

9. Разработанный подход к моделированию n-p-n SiGe БТ использован при выполнении НИР:

— «Исследование и разработка конструктивно-технологических
решений создания СВЧ кремний-германиевого

гетеропереходного биполярного транзистора для интеграции в КМОП маршрут», договор №14.125.13.6917-МК. Руководитель Балашов А. .

«Исследование перспективных типов сверхвысокочастотных приборов, разработка технологических принципов их изготовления (монолитная интегральная схема приёмника на основе кремния-германия для диапазона частот 57-64 ц)». Шифр 2013-24-14-426-0005-001. Руководитель Дмитриев В.А.

«Исследование и разработка технологий элементной базы высокотемпературной микро- и наноэлектроники», соглашение №14.581.21.0007 от 2014 г. Руководитель Чаплыгин Ю.А.

4. Результаты работы использованы в федеральном государственном
автономном образовательном учреждении высшего образования
«Национальный исследовательский университет «Московский

институт электронной техники» при модернизации учебных
дисциплин «Моделирование технологических процессов»,

«Моделирование маршрутов» по профилю подготовки бакалавров
«Интегральная электроника и наноэлектроника» по направлению
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», учебной дисциплины
«Моделирование технологических процессов и наноразмерных
структур» по программе подготовки магистров «Проектирование и
технология устройств интегральной наноэлектроники» по

направлению 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника».

На защиту выносятся:

10. Методика приборно-технологического моделирования СВЧ кремний-германиевого гетеропереходного n-p-n биполярного транзистора в среде приборно-технологического моделирования;

11. Методика масштабирования SiGe БТ, позволяющая повысить быстродействие прибора для его интегрального исполнения с КМОП приборами, изготовленными по технологическому маршруту с проектными нормами 90 нм;

12. Полученные с помощью приборно-технологического моделирования зависимости граничной и максимальной частот кремний-германиевого гетеропереходного биполярного транзистора от конструктивно-технологических параметров прибора;

13. Модифицированная с целью повышения быстродействия конструкция SiGe БТ, учитывающая особенности КМОП технологического маршрута с проектными нормами 90 нм.

Апробация результатов. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, и ее научные положения докладывались на российских и международных конференциях, совещаниях и семинарах.

Основные публикации по теме диссертации. Всего по тематике

исследования автором опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи, 3 из которых входят в список ВАК, 5 тезисов докладов, 1 патент на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Рукопись диссертации состоит из введения, четырёх глав, заключения, одного приложения, списка использованных источников из 111 наименований. Общий объём рукописи – 148 страниц.

Существующие конструкции SiGe ГБТ

Важнейшим преимуществом новых технологий на основе SiGe ГБТ является то, что они предназначены не просто для замены приборов на основе AIIIBV соединений в некоторых приложениях, а обеспечивают возможность интеграции аналоговых, радиочастотных и цифровых схем на одном кремниевом кристалле на существующих технологических площадках без значительного удорожания технологических процессов (а зачастую даже без технического перевооружения действующего производства), что в конечном итоге даёт большие экономические выгоды при разработке, освоении и производстве новых потребительских схем и обеспечивает высокий процент выхода годных изделий.

В настоящее время БиКМОП технологии доминируют на рынке SiGe приборов вследствие более широких потенциальных возможностей, предоставляемых совмещением на одном кристалле высокочастотных биполярных и полевых комплементарных транзисторов. Так, например, подобное сочетание интегральных приборов в монолитном исполнении требуется для создания активных фазированных антенных решёток (АФАР), где на основе SiGe ГБТ проектируется блок малошумящих усилителей (МШУ), усилители-аттенюаторы, смесители частот; блоком на основе комплементарных МОП транзисторов осуществляется цифровое управление фазой [17].

Ряд работ посвящён подходам к разработке ВЧ/СВЧ устройств [18–20] на основе SiGe БиКМОП, сложность которых возрастает от года к году. Увеличивающееся быстродействие и пропускная способность систем телекоммуникации предъявляют требования повышенного быстродействия к модуляторам и усилителям радиодиапазона [21–31], коаксиальных линий связи [32], повышению чувствительности и разрешения радаров и устройств построения изображения [33–35]. Отдельного упоминания достойны устройства оптической связи, в которых быстродействующие элементы управления зеркалами, модуляторы, сериализаторы/десериализаторы и усилители выполняются на основе кремний-германиевых гетеропереходных биполярных транзисторов [36–45].

Общей тенденцией развития современных технологий микроэлектроники является улучшение всех параметров приборов и уменьшение размеров элементов с целью повышения эксплуатационных характеристик изделий и эффективности использования площади кристалла, что сопровождается ростом количества формируемых слоёв и ценой производства схем. Чтобы сделать процесс изготовления ИС дешевле, необходимо выделять конкретные технологии для конкретных задач. Например, для чисто аналоговых схем нет смысла уменьшать все размеры только с целью увеличить эффективность использования площади кристалла, т.к. её большую часть занимают пассивные элементы и контактные площадки. Для таких случаев биполярная технология может иметь преимущества перед БиКМОП технологией.

При низкой цене и высокой зрелости технологий на основе кремния, они могут доминировать на любом рынке применений, для которого являются технически реализуемыми. Одним из таких рынков являются изделия, работающие в экстремальных условиях эксплуатации. К ним относятся системы космического применения, военная электроника, автомобильная техника и другие устройства, работающие в условиях низких температур (вплоть до криогенных), в области высоких температур и в условиях радиационного облучения. До настоящего времени существует мнение, что более узкая ширина запрещенной зоны в SiGe базе делает приборы на его основе не пригодными для экстремальной электроники.

Последние исследования показывают [46], что технология SiGe ГБТ обладает большим потенциалом, чтобы одновременно удовлетворить всем условиям экстремальных применений, с незначительными изменениями или вообще без каких-либо изменений процесса изготовления приборов, обеспечивая при этом неоспоримые преимущества в стоимости готовых изделий [47]. Возможность проектирования ширины запрещенной зоны оказывает положительное влияние на низкотемпературные характеристики биполярных транзисторов [48]. Так SiGe ГБТ очень хорошо работают фактически в криогенных условиях (до температур сжижения гелия – 4,2 К) – эксплуатационный режим, традиционно закрытый для кремниевых биполярных транзисторов, следовательно, приборы, изготовленные по технологии SiGe, имеют хорошие перспективы в криогенной электронике. В работе [49] сообщается о возможности создания SiGe ГБТ, работоспособных в диапазоне температур до 300 C за счёт оптимизации зонной диаграммы биполярного транзистора, а также схемотехнических и топологических решений. Одновременно с этим SiGe ГБТ показали хорошую радиационную стойкость. Наблюдаемая деградация коэффициента усиления по току SiGe ГБТ и малосигнальных параметров для гамма-лучей [50], нейтронов [51, 52] и протонов [53] является намного меньшей, чем для традиционных кремниевых биполярных транзисторов (даже для их радиационно-стойких вариантов). Результаты сравнения стойкости к ионизирующему излучению SiGe гетеропереходных биполярных и Si биполярных транзисторов с эпитаксиальной базой, изготовленных по одной технологии, позволяют сделать вывод, что присущая SiGe технологии радиационная стойкость является следствием специфической структуры прибора. С точки зрения радиационной стойкости, структура SiGe ГБТ имеет несколько присущих ей преимуществ: - спейсер эмиттер/база очень тонкий и состоит из композиции оксид/нитрид, - уровень легирования пассивной базы под спейсером эмиттер/база очень высок, что практически ограничивает любые радиационные повреждения этой области, - область активного прибора тонкая ( 200 нм) и, следовательно, общий объем, подверженный повреждению ионизирующими частицами, минимален, - глубокая и мелкая щелевая изоляция, широко используемые в технологии SiGe ИС, минимизируют облучение окисла, которое может внести вклад в увеличение токов утечки р-п переходов.

Следовательно, SiGe ГБТ и ИС на их основе обладают большим потенциалом для их использования в криогенных, высокотемпературных и радиационно-стойких применениях, что позволяет создавать SiGe СВЧ ИС.

Сплав германия с кремнием образует непрерывный ряд твердых растворов Sib xGex (рис. 1.1, [54]), свойства которых однозначно определяются мольной долей германия (х). Наиболее важной является зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора от мольной доли германия. Фактически можно говорить о создании непрерывного ряда новых полупроводниковых материалов. Использование твердых растворов Si!_xGex позволяет разрабатывать новые электронные приборы, применимые практически во всех областях микроэлектроники.

Экспериментальное исследование интегральных структур на этапе калибровки моделей технологических операций формирования SiGe ГБТ

Таким образом, выбор приборных и технологических моделей является ответственным и значимым этапом маршрута ПТМ. Обоснованность выбора программного пакета будет существенно выше, если уже на первом этапе провести детальный анализ существенных особенностей моделируемого объекта и определить его специфические характеристики, которые необходимо учитывать при моделировании. Такой анализ должен опираться на два основных источника информации – фундаментальные законы, определяющие поведение объекта и экспериментальные данные по характеристикам данного объекта или объектов аналогичного вида. Таким образом, необходимо обладать достаточно полными сведениями о предполагаемом объекте моделирования или проводить этап предварительного исследования до начала использования программных средств.

После того, как все специфические характеристики выявлены, необходимо проанализировать возможности программной среды для их моделирования и выявить возможные ограничения, если таковые имеются. По каждому случаю расхождения между возможностями программного продукта и требованиями, предъявляемыми к нему, необходимо выработать обоснованное решение, можно ли пренебречь данным эффектом без существенной потери точности, можно ли аппроксимировать требуемую характеристику на основе имеющихся возможностей программного продукта, или необходимо ввести в программу дополнительную модель. Современные программные продукты обычно предоставляют пользователю специальные возможности для ввода дополнительных моделей и зависимостей.

Основными критериями, которыми можно пользоваться при обосновании выбора того или иного программного продукта, являются: — Наличие всех моделей, необходимых для симуляции существенных свойств объекта моделирования, учитывающих его родовые особенности, — Возможность редактировать модели с учётом выявленных особенностей объекта моделирования, — Возможность использования требуемой размерности согласно условиям задачи с учётом симметрии объекта моделирования, — Наличие большого набора специализированных программ, объединенных общим интерфейсом, — Возможность объединения разнородных программ в процессе моделирования через общие массивы численных переменных, — Наличие программ и алгоритмов эффективного перестроения и адаптации сетки в процессе моделирования, — Наличие разработанного интерфейса, позволяющего пользователю расширять набор доступных моделей и/или параметров, — Эффективные программы визуализации результатов численного моделирования, включая построение графиков зависимостей, сечений и др.

Однако, зачастую наибольшую важность может иметь доступность того или иного программного пакета. Пакетом приборно-технологического моделирования, удовлетворяющего выдвинутым требованиям, отвечает программная среда Sentaurus TCAD фирмы Synopsys. В версии J-2014.09, как и в ряде более ранних релизов, поддерживается возможность использования заранее откалиброванных значений параметров технологических и приборных моделей Advanced Calibration, пользовательской настройки моделей, учитывается абсолютное большинство эффектов, характерных для глубокосубмикронных полупроводниковых приборов и кремний-германиевого гетеропереходного n-p-n биполярного транзистора в частности, возможность работы со всеми типами материалов, примесных атомов и точечных дефектов, составляющих интерес задачи. 2.2. Выбор технологических моделей При прохождении кремниевой пластины по технологическому маршруту происходит создание, удаление или модификация функциональных или вспомогательных слоёв, что является результатом одной из нижеследующих операций: — эпитаксиальное наращивание материалов, — осаждение/напыление проводящих и диэлектрических слоёв, — травление слоёв, — ионная имплантация примесных атомов, — термообработка (окисление, активация и разгонка примесных атомов, силидизация и нитридизирование материалов, отжиг дефектов).

Каждая операция описывается соответствующим набором моделей, корректный выбор и настройка которых позволяют учитывать интересующие эффекты. Ряд моделей (операции эпитаксии, осаждения и травления) основаны на геометрическом подходе формирования и модификации слоёв.

Модели диффузии и сегрегации. Необходимо, чтобы модель диффузии учитывала перераспределения всех видов примесей и точечных дефектов в кремнии и кремний-германии с учётом их зарядовых состояний в широком диапазоне температур, а также их перераспределение между различными материалами, включая диоксид кремния, поликристаллический кремний (поликремний) и поликристаллический кремний-германий (поли-кремний-германий).

Генерация, рекомбинация и взаимодействие точечных дефектов с атомами примеси в полупроводниковых материалах - ещё одна необходимая опция, наличие которой позволит учитывать эффекты «аномальной» диффузии на начальных этапах термических обработок (Transient Enhanced Diffusion - TED, Oxidation Enhanced Diffusion - OED), что имеет особую важность для приборов с характерными размерами активных областей менее 100 нм.

Наиболее полно диффузионные процессы в кремнии и кремний-германии описываются моделью Charge React, удовлетворяющей всем предъявленным требованиям. Модель учитывает следующие реакции:

Анализ базовой конструкции SiGe ГБТ

Подвижность носителей заряда, как характеристика их «отзывчивости» на внешнюю движущую силу, в полупроводниках определена тем, где они локализованы в энергетической структуре, соответственно, тем, какой эффективной массой в той или иной долине они обладают.

Носители заряда при перемещении в кристалле испытывают рассеяние на различных типах неоднородностей: — На атомах легирующей примеси и других заряженных центрах, — На фононах, — На других носителях заряда и экситонах, — На границах раздела двух материалов при движении вдоль них. В высоких полях наблюдается насыщение дрейфовой скорости носителей заряда, что также должно учитываться моделью подвижности. При расчёте результирующей подвижности носителей заряда пользуются правилом Мэтпьессена (Matthiessen) - = У —, где д - ;-ый учитываемый механизм JU ; Д рассеяния носителей. SiGe ГБТ, будучи прибором, работающим на эффектах, имеющих место в объёме кристалла полупроводника, не требует учёта рассеяния носителей заряда на неоднородностях границ раздела материалов, которые оказываются вдали от активных областей прибора. Однако, как упоминалось выше, функционирование при высоких плотностях тока требует учёта рассеяния носителей друг на друге.

Насыщение дрейфовой скорости - эффект, учитывающийся в модели подвижности носителей заряда путём введения функции электрического поля и/или движущей силы, модулирующих подвижность электронов и дырок в низких полях. При симуляции транспорта носителей заряда в гидродинамическом приближении предпочтительно использовать температуру электронов и/или дырок как движущую силу, что позволяет корректно определять область перехода от низких к высоким напряжённостям электрического поля. Модель Канали при этом может иметь проблемы со сходимостью. Из-за скачкообразного изменения параметров зонной структуры также не рекомендуется в качестве движущей силы (driving force) использовать градиент квази-Ферми энергии.

Наиболее подходящей представляется модель насыщения подвижности носителей заряда Майнерцхагена-Энгеля, ориентированная на работу с гидродинамическим приближением транспорта носителей заряда, а также учитывающая время релаксации их энергии в качестве аргумента.

В Sentaurus TCAD, начиная с версии J-2014.09, встроен параметрический файл для кремний-германиевого ГБТ (SiGeHBT.par), включающий помимо прочего параметры транспортной модели, основанной на решении уравнения Больцмана методом Монте-Карло. Из особенностей стоит отметить, что модель учитывает полную энергетическую структуру SiGe, параметры транспорта электронов перпендикулярно границе SiGe/Si, а дырок – параллельно интерфейсу двух полупроводниковых материалов.

Генерационно-рекомбинационные процессы. В качестве модели рекомбинации при проведении приборно-технологического моделирования была взята модель рекомбинации через глубокие ловушечные уровни – Шокли-Рида-Холла – с параметрами TCAD по умолчанию. В силу достаточно высоких плотностей токов в приборе (более103А/см) подключена модель рекомбинации по механизму Оже.

Модель ударной ионизации с температурой носителей заряда в качестве движущей силы (гидродинамическое приближение транспорта) позволяет корректно учитывать генерацию электронов и дырок в областях локального увеличения напряжённости электрического поля.

В силу особенностей рассматриваемой структуры, в которой отсутствуют случаи соседства двух сильно легированных регионов разного типа проводимости, приводящего к изгибу энергетических зон порядка ширины запрещённой зоны, модель прямого межзонного туннелирования (bando-band tunneling) не учитывалась. Минимизация количества подключаемых моделей сокращает количество численно решаемых дифференциальных уравнений, что приводит к снижению расчётного времени и экономии машинных ресурсов, а также к увеличению сходимости решения системы уравнений.

На основе результатов полученных на этапах выбора программных пакетов, выбора и калибровки моделей технологических процессов, выбора приборных моделей была выстроена методика приборно-технологического моделирования СВЧ SiGe ГБТ, учитывающая особенности технологического маршрута с наноразмерными топологическими нормами, вклад многодолинности материалов функциональных слоёв, приборные эффекты высоких полей, высоких концентраций носителей, дополнительные механизмы генерации-рекомбинации носителей заряда, использующая возможности смешанного моделирования для малосигнального анализа характеристик структуры интегрированного в КМОП маршрут n-p-n SiGe ГБТ.

С учётом особенностей создания структуры кремний-германиевого гетеропереходного биполярного транзистора предложены следующие модели: в качестве модели диффузии Charge React совместно с моделью активации преципитации примесей Charged Clusters. Модель Low germanium-doped SiGe HBT используется для учёта изменения равновесной концентрации точечных дефектов и скоростей их генерации и рекомбинации, коэффициентов диффузии атомов примесей и точечных дефектов в слое кремний-германия. Для учёта влияния механических напряжений рекомендуется использования Fermi Pressure Dependent модель. Для симуляции неселективной эпитаксии необходимо использовать опцию LTE соответствующего блока команды диффузии с предпочтительным подходом попеременных этапов осаждения материала и дуффизионного перераспределения атомов примесей и точечных дефектов в процессе термического цикла (epi.model= 1). Для того, чтобы корректно описать приборные характеристики SiGe ГБТ рекомендуется использовать гидродинамическое приближение транспорта носителей заряда в кремнии и кремний-германии, многодолинную зонную структуру полупроводниковых материалов (Multivalley Band Structure), термоэлектронную эмиссию через гетероинтерфейс Si/SiGe для избежания ошибки, связанной с резким изменением свойств полупроводника на транспорт носителей заряда. С целью учёта влияния механических напряжений на подвижность и плотность состояний в разрешённых зонах полупроводника использован kp-метод.

В виду работы прибора при высоких плотностях токов, необходимо использовать статистику Ферми-Дирака, а среди моделей генерации-рекомбинации по этой же причине, помимо модели Шокли-Рида-Холла (SRH) и ударной ионизации (Avalanche), необходимо использовать модель Оже (Auger). В качестве модели подвижности выбрана модель Майнерцхагена-Энгеля. Необходимо учесть эффект насыщения дрейфовой скорости, в качестве движущей силы которой следует выбрать температуру электронов (eTemperature

Выбор приборных моделей для среды симуляции комплементарных полевых транзисторов

Обе зависимости имеют выраженный максимум при значении координаты x = 0,04 мкм. Этот феномен связан с тем, что при «выпадении» из слоя кремний-германия эмиттерного p-n перехода (соответствует значениям х на графике 0,05, 0,06, 0,07 и 0,08 мкм) снижается концентрация германия на границе перехода вплоть до нулевого значения (обуславливает вырождение зависимостей в константы), что приводит к уменьшению инжекции неосновных носителей заряда в базу, уменьшению плотности коллекторного тока, вследствие чего возрастают времена перезарядки паразитных ёмкостей, и обе характеристические частоты SiGe ГБТ уменьшаются относительно изначальных показателей.

В отличие от вышеописанного случая, при сдвиге активной базы вглубь коллектора мольная доля германия на эмиттерном переходе возрастает, но это не приводит к росту частотных характеристик прибора по следующим причинам. Во-первых, коллекторный p-n переход выходит за границы слоя кремний-германия, из-за чего в активной базе, не лежащей в области SiGe, ширина запрещённой зоны увеличивается практически вплоть до значения таковой в кремнии, что приводит к образованию потенциального барьера в базе, увеличивающему время пролёта неосновных носителей через активную базу и приводя к возрастанию вероятности их рекомбинации. Во-вторых, как уже было упомянуто, в силу ретроградного распределения фосфора в селективно имплантированном коллекторе, концентрация фосфора на БК p-n переходе при таком перемещении пика бора возрастает, увеличивая значение паразитной коллекторной ёмкости, из-за чего наблюдается крутое падение зависимости fmax. Наконец, как уже неоднократно упоминалось, время пролёта неосновных носителей заметно зависит от значения встроенного квазиэлектрического поля, образованного градиентом профиля германия. При сдвиге профиля бора вглубь коллектора одновременно передвигается в том же направлении как эмиттерный, так и коллекторный p-n переходы. Получается при этом, что область активной базы захватывает меньшую часть нарастающей концентрации германия, то есть уменьшается область прибора, в которой электроны разгоняет тянущее квазиэлектрическое поле, что приводит к возрастанию времени пролёта электронов и снижению частот.

На рис. 3.20 приведена зависимость коэффициента усиления базового тока также от положения активной базы относительно границ слоя SiGe. Рис. 3.20 – Зависимость коэффициента усиления базового тока от положения активной базы относительно границ слоя SiGe. Видно, что этот график также имеет выраженный максимум. Объясняется такое поведение характеристики подобным предыдущему случаю: в результате перемещения профиля бора в сторону эмиттерного контакта переход БЭ попадает из области SiGe в область Si, что приводит к наличию потенциального барьера для электронов в базе, из-за чего снижается их инжекция в область активной базы, уменьшается коллекторный ток при неизменном значении базового тока, из-за чего понижается значение . При перемещении профиля бора вглубь коллектора уменьшается область разгона электронов квазиэлектрическим полем, порождённым градиентом профиля германия, из-за чего также снижается коллекторный ток и вместе с ним коэффициент усиления базового тока. Из-за «выпадения» коллекторного перехода из области SiGe, на границе с БК переходом в активной базе появляется дополнительный потенциальный барьер, увеличивающий время пребывания электронов в базе, а вместе с тем и вероятность их рекомбинации, приводящей к снижению коллекторного тока и значения . Как известно из аналитики работы биполярных транзисторов, и как будет показано ниже, значение коэффициента усиления базового тока не зависит от концентрации примеси в коллекторе на границе с БК p-n переходом.

Зависимость пробивного напряжения база-коллекторного p-n перехода BVcbo от положения пика бора активной базы приведена на рис. 3.21.

Зависимость пробивного напряжения БК p-n перехода BVcbo от положения пика бора относительно границ слоя SiGe.

Как видно из рисунка, зависимость имеет монотонный характер. И хотя, как будет показано ниже, пробивное напряжение база-коллекторного перехода зависит от мольной доли германия на границе БК перехода, которая варьируется при перемещении активной базы относительно слоя SiGe, в данном случае логично предположить, что основной вклад в падение пробивного напряжения даёт увеличение концентрации фосфора на границе перехода, которая увеличивается по мере перемещения активной базы вглубь коллектора.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: для наилучших частотных и усилительных характеристик кремний-германиевого гетеропереходного биполярного транзистора необходимо, чтобы оба p-n перехода располагались в области кремний-германия, и активная база должна в себя включать наибольшую область нарастания градиента профиля германия.

Источником нежелательной диффузии бора являются постэпитаксиальные термические обработки структур, необходимые для активации имплантированной примеси и при формировании слоёв КМОП структур.

Для подавления нежелательной диффузии бора используется углерод с концентрациями, превышающими предел его растворимости в кремнии (3,51017 см-3). Присутствие углерода в кремний-германии приводит к следующим эффектам в ГБТ: — снижение диффузии бора, — увеличение критической толщины SiGe, — повышение термомеханической стойкости слоёв, — снижениеподвижности электронов в базе, — уширениезапрещённой зоны базы, — снижение подвижности дырок, — увеличение скорости рекомбинации носителей в базе. Ряд этих эффектов в зависимости от интенсивности проявления, может оказывать негативное влияние на быстродействие ГБТ. В частности, сообщается о снижении времени жизни неосновных носителей заряда в базе.

Углерод вводится в слой кремний-германия в результате совместного осаждения из парогазовой смеси или совместного испарения с кремнием и германием в процессе эпитаксиального роста слоя. При этом большая его часть оказывается в замещающем положении, в котором имеет минимум потенциальной энергии. При этом количество замещающих атомов углерода является функцией температуры и скорости эпитаксии.