TCAD моделирование характеристик кремниевых и кремний-германиевых биполярных транзисторов с учетом радиационных эффектов

Актуальность
Для проектирования схем спец. применений, в существующие промышленные САПР встраиваются специальные подсистемы САПР: RHCAD – Radiation-Hardened CAD, реализующие специальные, более «жёсткие» методы проектирования.
Важное место в номенклатуре ЭКБ занимают радиационно-стойкие высокочастотные Si и SiGe БИС, изготовленные по биполярной технологии

Современное состояние проблемы для Si БТ и SiGe ГБТ
Sentaurus Synopsys
Silvaco TCAD
Механизм учета ионизационных эффектов
1. Механизм учета ионизационных эффектов
2. Механизм учета структурных эффектов

Модели основных физических эффектов
системы Synopsys Sentaurus

Взаимодействие гамма-квантов с атомами п/п
S
Nit
Qox
Ионизационные эффекты
Основные деградирующие параметры
Положительный заряд в оксиде
Концентрация ловушек на границе Si-SiO2
Скорость поверхностной рекомбинации
Математическая модель Si БТ и SiGe ГБТ, учитывающая влияние гамма-излучения

Математическая модель Si БТ и SiGe ГБТ, учитывающая влияние гамма-излучения
Преимущества
по сравнению с ранее существующими TCAD-моделями: учтены два эффекта, которые ранее не учитывались, что существенно повысило точность моделирования.
Предложены и реализованы в системе TCAD модели, связывающие концентрацию радиационно-индуцированных ловушек Nit = f1(Dγ) и скорость поверхностной рекомбинации на границе Si/SiO2 S = f2(Dγ) с дозой гамма-излучения
SiGe ГБТ 7HP

Модель, учитывающая влияние гамма-излучения в структурах Si БТ и SiGe ГБТ,
Наиболее чувствительные области
Зависимости Nit и S от дозы
Концентрация ловушек и скорость поверхностной рекомбинации
на границе с Si-SiO2:
S. L. Kosier, R. D. Shrimpf, D. M. Fleetwood at el.
Charge separation for bipolar transistors. TNS.
S. Put, E. Simoen, at el., “Effect of Airgap Deep Trench Isolation on the Gamma Radiation Behavior of a 0.13 um SiGe:C NPN HBT Technology”

Результаты моделирования влияния гамма-излучения в системе TCAD
ВАХ 0,13 мкм SiGe ГБТ 8WL с параметрами: β = 250, fT = 100 ГГц, fmax = 200 ГГц
2D распределение скорости рекомбинации
1D распределение скорости рекомбинации
2D распределение объемного заряда
Погрешность моделирования статических ВАХ 10-15%

τ
II. Математическая модель Si БТ и SiGe ГБТ, учитывающая влияние нейтронного излучения
μ
N
Образование разупорядоченных областей
1. Время жизни носителей заряда
2. Концентрация неравновесных носителей заряда
3. Подвижность неравновесных носителей заряда

II. Математическая модель Si БТ и SiGe ГБТ, учитывающая влияние нейтронного излучения
Зависимость времени жизни носителей заряда от потока нейтронов включена в систему TCAD впервые:
Предложена улучшенная модель для коэффициента радиационного изменения времени жизни Kτ, учитывающая уровень инжекции и концентрацию легирующей примеси, что особенно важно для современных Si БТ и SiGe ГБТ с высоким уровнем легирования базы

Для n-типа материала:
Для p-типа материала:
II. Математическая модель Si БТ и SiGe ГБТ, учитывающая влияние нейтронного излучения
– Модель Грегори
– Улучшенная модель
Улучшенная модель*:
*Разработана Э.Н. Вологдиным
и Д.С. Смирновым (ОАО “НПП “Пульсар”)

II. Результаты расчетов по модели, учитывающей влияние нейтронного излучения в структурах Si БТ и SiGe ГБТ
Структура 0,13 мкм SiGe ГБТ 8WL с
β = 250, fT = 100 ГГц, fmax = 200 ГГц
Фактор повреждения:
Граничная fT и максимальная fmax частота
Частоты fT и fmax
слабо зависят от флюенса нейтронов
Коэффициент усиления по току сильно уменьшается

III. Модель, учитывающая влияние протонного излучения на структуры Si БТ и SiGe ГБТ
Факторы повреждения
Ионизационные эффекты
S(Dγ) , Qox(Dγ), Nit(Dγ)
Для моделирования протонного излучения используются модели для нейтронного и гамма-излучений
Структурные дефекты
τn(Фn), τp(Фn)
+

III. Модель, учитывающая влияние протонного излучения на структуры Si БТ и SiGe ГБТ
В системе TCAD впервые учитывается воздействие протонного излучения
Предложен подход, учитывающий совместное влияние ионизационных и структурных эффектов на электрофизические и электрические характеристики Si и SiGe биполярных структур при воздействии протонного излучения в Sentaurus Synopsys

III. Модель, учитывающая влияние протонного излучения на структуры Si БТ и SiGe ГБТ
Используется комбинация моделей для нейтронного и гамма-излучений.
Определяется поток нейтронов и поглощенная доза гамма-излучения, которые эквивалентны по своему воздействию протонному излучению:
Эквивалентного потока нейтронов
Эквивалентная поглощенная доза
гамма-излучения

III. Расчет характеристик с помощью модели, учитывающей влияние протонного излучения на Si БТ и SiGe ГБТ
ΔJb = Jb(D) - Jb(0)
для Uбэ = 0,7 В
Добавка радиационно-индуцированного тока базы
Модель дает расхождение экспериментальных и смоделированных ВАХ не более 10-20%
180 нм SiGe ГБТ 7HP с параметрами: We = 0,18 мкм, β = 250, fT = 120 ГГц, fmax = 100 ГГц

,
1) Разработаны приборно-технологические модели для расчета электрофизических и электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТ с учетом влияния нейтронного, протонного и гамма-излучений.
2) Модели включены в промышленную систему приборно-технологического моделирования Sentaurus Synopsys. Разработана методика настройки параметров моделей по результатам физических экспериментов.
Модели обеспечивают достаточную точность (10-25%) описания характеристик элементов для Si БТ и SiGe ГБТ с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм) в диапазоне радиационных доз до 107 рад и потоков до 1016 см−2.
Разработанные радиационные модели для расчета Si БТ и SiGe ГБТ, изготовленных по различным отечественным и зарубежным технологиям, позволяют расширить возможности существующих приборно-технологических симуляторов, распространив их на расчет элементов радиационно-стойких Si и SiGe
биполярных БИС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные результаты работы

Спасибо за внимание!

Результаты измерения SiGe ГБТ SGB25V до и после облучения