CC BY
30УДК 621.382.333.33
Особенности моделирования 8Юе:С гетеропереходного биполярного транзистора
К. О.Петросянц, Р.А. Торговников
Московский институт электроники и математики (технический университет)
Рассмотрены особенности моделирования SiGe:C гетеропереходных биполярных транзисторов (ГБТ). Методом приборно-технологического моделирования исследованы зависимости граничной частоты f и напряжения пробоя БУсЪо коллекторного перехода SiGe:C ГБТ от концентрации углерода в базе.
Кремний-германиевая БиКМОП-технология более десяти лет применяется для создания сверхбыстродействующих и сверхвысокочастотных интегральных микросхем [1]. В основе технологии лежит гетеропереходный биполярный транзистор с кремний-германиевой базой (SiGe ГБТ), определяющий быстродействие микросхемы. Как следствие, развитие SiGe БиКМОП-технологии в первую очередь направлено на увеличение быстродействия SiGe ГБТ. К основным направлениям увеличения быстродействия SiGe ГБТ относятся:
- использование технологии самосовмещения рабочих областей транзистора для уменьшения паразитных емкостей;
- использование селективной эпитаксии для получения полностью самосовмещенной транзисторной структуры;
- уменьшение сопротивления базы;
- использование различных конструктивно-технологических решений (меза-структуры, комплементарные биполярные транзисторы и др.);
- введение примеси углерода в область базы и коллектора для предотвращения нежелательной диффузии примеси бора из базы и устранения паразитного потенциального барьера на коллекторном переходе;
- оптимизация профилей германия и углерода в области базы и коллектора.
Использование их в комплексе позволяет создавать современные гетеропереходные
биполярные транзисторы с высокими значениями граничной частоты. Одним из наиболее эффективных технологических приемов является введение примеси углерода в базу транзистора, что позволяет увеличить значение граничной частоты f до 230 ГГц [2]. В настоящее время по SiGe^-технологии производятся сверхбыстродействующие БИС таких крупнейших компаний, как IBM, Philips , IHP и др. [2-4]. SiGe-технология является одним из приоритетных направлений отечественной полупроводниковой технологии СБИС на ближайшие годы [5].
При отработке новой технологии важную роль играет приборно-технологическое моделирование. По сравнению с обычным SiGe ГБТ для SiGe:C ГБТ необходим учет дополнительных эффектов, обусловленных наличием примеси углерода в базе транзистора. Это требует корректировки, во-первых, моделей технологических процессов легирования структуры прибора, во-вторых, методики расчета его электрических параметров.
© К.О.Петросянц, Р.А.Торговников, 2009
Особенности моделирования 8Юе:С.
Цель настоящей работы - применение методов приборно-технологического моделирования с использованием САПР Бупорвув Бе^аиги для БЮе:С ГБТ.
Особенности моделирования 8Юе ГБТ. При моделировании БЮе ГБТ необходимо учитывать зависимость основных параметров материала от доли германия х в 811-хОех-базе. К таким параметрам в первую очередь относятся коэффициенты диффузии примесей и ширина запрещенной зоны.
Значения коэффициентов диффузии различных примесей в зависимости от доли германия х в 811-хОех-базе определяются, как правило, экспериментально и приведены в работе [6].
Ширина запрещенной зоны в кремний-германиевой базе АЕя тем меньше, чем больше доля германия х в 811-хОех-базе. Уменьшение АЕя связано с возникновением упругих напряжений, обусловленных разницей постоянных решетки германия и кремния. При этом в кремнии возможна релаксация напряжений, сопровождающаяся образованием дефектов.
При моделировании для описания изменения ширины запрещенной зоны ДЕё использовалась зависимость
АЕ =АЕ + (ДЕ -АЕ )(1 -^ ).
я яб V яг яб рт / -
(1)
где АЕ^ = 0,835х - 1,01х- уменьшение ширины запрещенной зоны в напряженном
кремнии; АЕяг = 0,33х2 - 0,55х - уменьшение ширины запрещенной зоны в релаксиро-
вавшем кремнии; Г = (а8Юе - а)/(а8Юе - а8;) - коэффициент, демонстрирующий сте-
пень релаксации гетероструктуры (рассчитывается исходя из рассогласования постоянных решетки кремния и кремний-
германия а8Юе); а - постоянная решетки, которая вычисляется программой автоматически.
При полной релаксации гетероперехода а = аБ;ое и ¥тп = 0 . При полном напряжении
а = и Г = 1; х = С0е /5 • 1022- доля гер-
И 1,15
т
$ 1,1
1,05 1
мания в кремнии.
Сравнение выражения (1) с эксперимен- ^ тальными данными работы [7] приведено на
О
о 0,95 и
! °'9 <и
И 0,85
| О,8
Л 0,75
0
0,1 0,2 0,3 0,4
Доля германия х в 811-хвех базе рис.1. Видно, что расхождение с экспери- 0 , 0 ™ ™
* ^ ' г ^ г Рис.1. Зависимость ширины запрещенной зоны
ментом составляет не более 5%. от доли германия х в Б^Сех-слое [7]: -Ф-
Рассмотренные эффекты были учтены моделирование; О - экспериментальные нами ранее в пакете БупорБуБ БеПаигив при данные
моделировании БЮе ГБТ [8].
Особенности моделирования 8Юе:С ГБТ. Добавление углерода в базу БЮе ГБТ позволяет значительно улучшить параметры транзистора. Это связано с тем, что углерод блокирует диффузию бора из базы. В результате толщина базы может быть существенно уменьшена, что позволяет значительно увеличить значение граничной частоты /т. Так, в работе [9] показано, что в результате добавления углерода в БЮе-базу транзистора коэффициент диффузии бора уменьшился по сравнению с «чистым» БЮе в 15 раз, что позволило уменьшить ширину базы ГБТ и увеличить пик концентрации бора в базе (рис.2). В результате максимальное значение граничной частоты/т увеличилось с 10 до 40 ГГц (рис.3).
К.О.Петросянц, Р.А.Торговников
10
19
й а
о ю
£ а
(D
я х
£
10
18
17
50
U
u
40
н tr
к tr S
9 £
30
20
10
10
0,05 0,10
Глубина, мкм
Рис.2. Экспериментальные профили бора в базе SiGe (------) и SiGe:C (-) ГБТ [9], о - моделирование
10 10 Ток коллектора, А
10
Рис.3. Экспериментальная зависимость граничной частоты f от тока коллектора ГБТ для случая SiGe-базы (------) и SiGe^^bi (-) [9]
Для учета влияния углерода на диффузию бора в кремний-германии существуют два подхода. Первый подход заключается в том, что в программу в качестве исходных данных задается экспериментальный профиль легирования SiGe ГБТ-структуры угле -родом, а значения коэффициента диффузии бора корректируются в зависимости от значений концентрации углерода в базе [9]. Второй подход - в модель вводятся соответствующие дифференциальные уравнения диффузии, учитывающие влияние углерода на диффузию бора [10].
В пакете Synopsys Sentaurus отсутствуют модели, описывающие совместную диффузию бора и углерода в SiGe-структурах, поэтому в настоящей работе был использован первый подход.
Результаты моделирования SiGe:C ГБТ. С помощью пакета Sentaurus моделировалась стандартная структура SiGe:C ГБТ [1] (рис.4) с различными уровнями легирова-
19 20 _3
ния базы углеродом в диапазоне концентраций 10 - 10 см . Для каждого уровня легирования углеродом корректировались значения коэффициентов диффузии бора, используя экспериментальные данные, приведенные в работе [9]. После этого рассчитывались профили примеси SiGe:C ГБТ с различными концентрациями углерода в базе и соответствующие
значения граничной частоты /,' и напряжения пробоя перехода коллектор-база BVcbo.
Следует отметить, что для SiGe:C ГБТ с увеличением концентрации угле -рода в базе одновременно с ростом значения максимальной граничной частоты f наблюдается уменьшение пробивных напряжений коллекторного перехода BVcbo. Этот эффект ранее не был исследован ни экспериментально, ни теоретически. Поэтому в настоящей работе также была поставлена задача исследования влияния степени легирования углеродом Sii-xGex базы на значение BVcbo.
0
Особенности моделирования Б10е:С...
20
10
г 1019
о
<и
а
^ 1018
Ц 1017
<и Я
| 1016
,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 0,05 0 1 Глубина, мкм
Рис.5. Профили примеси структуры обычного БЮе ГБТ (1) и БЮе:С ГБТ с концентрацией углерода в базе С = 1019см-3 (2) и С = 1020см-3 (3)
1 . 10-
1 . 10
1 . 10-
1 . 10-
Плотность тока коллектора, А/мкм
Рис.6. Зависимость граничной частоты/т от плотности тока коллектора для структуры обычного БЮе ГБТ (1) и БЮе:С ГБТ с концентрацией углерода в базе С = 1019см-3 (2) и С = 1020см-3 (3)
Результаты расчетов приведены на рис.5-7. Из рис.5 видно, что для структур, легированных углеродом, ширина базы ГБТ уменьшилась с 0,075 мкм (для ГБТ без легирования, С = 0) до 0,03 мкм (для ГБТ с легированием). При этом для концентрации угле-
19 -3 18 -3
рода С = 10 см пик концентрации бора в базе составляет 210 см (профиль 2, кривая
20 -3 18 -3
2), а для углерода С = 10 см этот пик равен 440 см (профиль 3, кривая 3).
Соответствующие различным профилям легирования базы зависимости граничной частоты/т от плотности тока коллектора приведены на рис.6. Максимальное значение/т
19 -3
увеличилось с 15 ГГц для С = 0 (профиль 1, кривая 1) до 25 ГГц для С = 10 см (профиль 2, кривая 2) и 37 ГГц для С = 10 см- (профиль 3, кривая 3).
На рис.7 приведены ВАХ обратносмещенного коллекторного перехода, из которых определяются значения пробивных напряжений БУсь0: 11 В (для ГБТ без легирования
19 -3
углеродом С = 0, профиль 1, кривая 1); 6,5 В (для С = 10 см , профиль 2, кривая 2);
20 -3
1,5 В (для С = 10 см , профиль 3, кривая 3). Из приведенных данных очевидно, что структура БЮе:С ГБТ с уровнем легирования углеродом С = 1020 см-3 непригодна для практических применений из-за очень малого значения пробивного напряжения БУсъ0 = 1,5 В. Разумным компромиссом для БЮе:С ГБТ является структура с профилем 2 с концентрацией углерода в базе
19 -3
10 см , пиком концентрации бора в
18 -3
базе 240 см , шириной базы 0,03 мкм, обеспечивающая оптимальные для схемотехники значения /т = 25 ГГц и БУсЪо = 6,5 В.
Исследование особенностей физи- Риа 7 Зависим°сть плотшсти тока шлл^жтора °т на-
т^г™ пряжения коллектор-база для структуры обычного
ческой структуры ^ ГБТ, легир°- 8Юе ГБТ (1) и БЮе:С ГБТ с концентрацией углерода ванных углеродом, показали, что по в базе с = 1019см-3 (2) и С = 1020см-3 (3)
сравнению с обычными структуры БЮе
К. О.Петросянц, Р.А. Торговников
ГБТ обладают большим усилением и более высокой рабочей частотой. В систему при-борно-технологического моделирования Synopsys Sentaurus дополнительно введены модели эффектов, учитывающих особенности SiGe ГБТ-структур, легированных углеродом. Модели представлены в виде эмпирических зависимостей от концентрации примеси углерода следующих физических величин: коэффициента диффузии бора в базе, ширины запрещенной зоны в области базы и р-и-переходов.
Для типовой структуры SiGe:C ГБТ расчетным путем получены зависимости электрических параметров f и BVcbo от концентрации углерода в базе. Введение в базу транзистора примеси углерода с высокой концентрацией значительно увеличивает граничную частоту f, однако одновременно сильно уменьшает пробивные напряжения коллекторного р-и-перехода BVcbo. Из практических соображений выбраны компромиссные значения ширины базы 0,03 мкм, концентрации углерода 1019 см-3,
18 —3
бора 2-10 см в базе, обеспечивающие высокую граничную частоту усиления f = 25 ГГц) и приемлемое значение пробивного напряжения (BVcbo = 6,5 В). Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными в зарубежных работах [4, 9, 10].
Литература
1. Harame D.L., Comfort J.H., Cressler J.D. Si/SiGe epitaxial-base transistors. Part I-II // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1995. - Vol. 42. - № 3. - P. 455 - 482.
2. Chevalier P., Fellous C, Rubaldo L. 230 GHz self-aligned SiGeC HBT for 90 nm BiCMOS technology // Proc. of the Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology - 13-14 Sept. 2004. - P. 225 - 228.
3. Magnee P. H. C., Hurkx G. A. M., AgarwalP. SiGe:C HBT Technology for Advanced BiCMOS Processes // Proc. of 12-th GaAs Symposium. - Amsterdam, 2004. - P. 243 - 246.
4. Knoll D., Heinemann B., Ehwald K.-E. Comparison of SiGe and SiGe:C Heterojunction Bipolar Transistors // Thin Solid Films. - 2000. - Vol. 369. - P.342-346.
5. Малышев И.В., Ионов П.Л., Репин В.В. Аналого-цифровые микросхемы на основе кремний-германиевой технологии - новое направление в отечественной СВЧ схемотехнике // Сб. тр. науч. конф. «Проблемы разработки и проектирования микро- и наноэлектронных систем - 2008» (МЭС-2008). - М.: ИППМ РАН, октябрь 2008. - С. 293-296.
6. Zangenberg, N., Fage-Pedersen J., Lundsgaard J. Boron and phosphorus diffusion in strained and relaxed Si and SiGe // Journal of Applied Physics. - 2003. - Vol. 94. - P. 3883-3890.
7. King C.A., Hoyt J.L., Gibbons J.F. Bandgap and transport properties of Sii-xGex by analysis of nearly ideal Si/ Si^Ge^Si heterojunction bipolar transistor // IEEE Trans. Elec. Dev. - 1989. - Vol. 36. - P. 2093-2104.
8. Петросянц К. О., Торговников Р.А. Приборно-технологическое моделирование SiGe биполярных и МОП транзисторных структур СБИС // Сб. науч. тр. Всероссийской науч.-техн. конф. «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем (МЭС) - 2005». - М.: ИППМ, 2005. - C. 173-178.
9. Modeling the effect of carbon on boron diffusion / H.Rucker, B.Heinemann, W.Ropke et al. // Proc. of Intern. Conference Simulation of Semiconductor Processes and Devices (8-10 Sep. 1997). SISPAD. - 1997. -P. 281 - 284.
10. Sibaja-Hernandez A., Decoutere S., Maes H. A Comprehensive study of boron and carbon diffusion models in SiGeC heterojunction bipolar transistors // J. of Appl. Phys. - 2005. - Vol. 98. - P. 063530-063530-9.
Статья поступила 12 января 2009 г.
Петросянц Константин Орестович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроники и электротехники, декан факультета автоматики и вычислительной техники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование полупроводниковых приборов и элементов БИС, САПР элементной базы ЭВА и РЭА.
Торговников Ростислав Александрович - старший преподаватель кафедры электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование полупроводниковых приборов и элементов БИС.
