重離子導致的鍺硅異質結雙極晶體管單粒子效應電荷收集三維數值模擬*

張晉新 郭紅霞 郭旗 文林 崔江維席善斌 王信 鄧偉

1)(中國科學院新疆理化技術研究所,烏魯木齊 830011)

2)(新疆電子信息材料與器件重點實驗室,烏魯木齊 830011)

3)(西北核技術研究所,西安710024)

4)(中國科學院大學,北京100049)

(2012年8月17日收到;2012年9月20日收到修改稿)

1 引言

近年來,我國在航天領域發展迅猛,對器件在極端環境中的應用,特別是輻射、低溫環境中的應用需求迫切.空間極端環境下,如極低溫?180°C至高溫+125°C,SiGe器件在衛星、深空探測設備中具有替代目前體硅器件的潛力,可以去掉體硅器件攜帶的龐大的保溫裝置,進而降低發射成本,同時擴展衛星的遠程功能.卓越的低溫特性使SiGe技術在空間極端環境應用方面備受關注[1].

美國國家航空航天局(NASA)早在十年前就開始關注太空中極端環境下電子系統的應用問題[2?6],相關報告指出由于硅基能帶工程的材料和器件結構的優勢,鍺硅異質結雙極晶體管(SiGe HBT)具有卓越的低溫特性和優異的抗總劑量輻照性能,在太空極端環境領域具有誘人的應用前景[7,8].目前國外針對SiGe HBT的單粒子損傷效應已展開了一定的研究[9?15],研究結果表明,單粒子效應是制約SiGe HBT空間應用的關鍵因素.SiGe HBT由于工藝和結構等新的特征,對單粒子效應非常敏感,其單粒子效應表現出不同于體硅器件的復雜的電荷收集機制.國內對SiGe HBT的研究起步較晚,關于SiGe HBT單粒子效應研究的相關報道較少.

本文針對國產工藝制造的SiGe HBT器件進行了單粒子效應三維數值仿真模擬,以國產器件的工藝與結構為基礎,探討重離子在不同位置入射器件時不同區域的電流變化,以及感生電荷收集的情況,通過分析器件結構和仿真結果來確定電荷收集的敏感區域,為進一步探討國產SiGe HBT單粒子效應的加固技術提供支持.

2 器件結構描述

本文選用國產SiGe HBT作為研究對象.仿真模擬的SiGe HBT與傳統體硅npn垂直型雙極晶體管結構類似[16?22],如圖1所示.關鍵是基區,由組分漸變的SiGe構成,基區中Ge的引入在發射極/基極結(E/B結)和基極/集電極結(B/C結)處形成了緩變異質結,如圖2所示,基區內形成的內建電場有效提高了載流子在基區的渡越時間;電流增益隨著引入Ge后的帶隙變化量?Eg指數增加,如下式所示:

圖1 國產SiGe HBT結構示意圖

圖2 SiGe HBT的能帶圖

其中,hfe為電流增益,Ne為發射區濃度,Nb基區濃度,Vnb為基區電子速度,Vpe為發射區空穴速度,?Eg為帶隙變化量,k為玻爾茲曼常數,T為溫度.器件的基區厚度薄,約為0.08μm,摻雜濃度高,可達1019cm?3,有效減小了基區電阻,使器件同時滿足頻率高,增益大的要求.在基區外部集電極內采用淺槽隔離(STI)形成有源區,隔離氧化層上采用雙多晶硅自對準工藝外延一層多晶硅摻硼摻鍺引出基區接觸,重摻外延基區可以降低基區電阻和BC結電阻;n+埋層引出集電區接觸;發射區使用多晶硅制造,在頂部引出發射區接觸.器件的四個發射區和五個基區接觸采用叉指工藝.在接近器件邊緣處,采用離子注入工藝注入硼離子并推進,形成環狀重摻p型隔離墻,引出襯底接觸,封裝時和發射極連在一起僅留3個可接管腳.

3 三維器件數值模擬仿真

3.1 結構仿真

根據上述器件工藝和布局信息,使用半導體三維器件模擬工具構建器件模型.圖3是器件外部結構三維仿真視圖,圖4是器件內部結構和雜質分布二維仿真剖面圖.

圖3 器件外部結構三維仿真視圖

圖4 器件內部結構仿真剖面圖

仿真模擬的物理模型選擇了Philips統一遷移率模型、SRH復合模型、Auger復合模型、速率飽和模型和禁帶變窄模型.Philips統一遷移率模型可精確模擬雙極器件中多子和少子的遷移率;SRH復合模型和Auger復合模型可以很好模擬高電場下電子和空穴濃度較高的情況.將仿真計算的Gummel特性和輸出特性與使用半導體參數測試儀KETHLEY4200測試得到的Gummel特性和輸出特性進行對比,結果如圖5和圖6所示,可以看出,二者符合得較好.

圖5 仿真與測試的器件Gummel特性

圖6 輸出特性曲線 (a)仿真計算的輸出特性曲線;(b)實驗測得的輸出特性曲線

3.2 單粒子效應三維數值模擬

仿真模擬重離子入射時選擇襯底接?5 V,其他端口接地(即0 V)的偏置,實現SiGe HBT的最劣偏置.假設電荷沉積穿過整個仿真結構,因此選擇電荷沉積量為0.1 pC/μm,相當于線性能量傳遞值為10 MeV·cm2/mg,使用高斯波形,1/e特征時間范圍是2 ps,1/e特征半徑是0.2μm,高斯峰值是2 ps.圖7(a)—(f)分別給出了離子入射器件后不同時刻等勢線的變化.離子入射器件后,沿離子徑跡產生大量電子空穴對,離子穿過耗盡層時,注入的大量載流子使沿離子徑跡的電勢發生畸變,其等勢線沿著離子徑跡向襯底形成漏斗勢.漏斗區域內的載流子在漏斗電場的作用下很快漂移到電極而被收集,使瞬間收集的電荷遠遠多于沉積在耗盡層的電荷.漏斗效應消失后在濃度梯度的作用下電荷還會通過擴散機制進一步被收集.因此,各端口的瞬態電流波形和總的電荷收集量是我們研究SiGe HBT單粒子效應重點關注的兩方面.如圖7,3 ps時漏斗勢開始產生,5 ps時漏斗勢最強,40 ps時漏斗勢開始衰弱,21 ns時電勢恢復到離子入射前的狀態.

3.3 不同入射位置單粒子效應敏感性分析

敏感區域可通過分析器件結構和不同位置下離子入射的仿真結果獲得,每個端口的電荷收集量與離子入射位置密切相關.本文根據離子在器件中穿過不同區域、不同材料和不同結從器件中心向右選取7個典型的離子入射位置,這個過程中只改變x軸的入射點,z軸入射點位于中心不變,y軸穿過整個器件,如圖8所示.具體為:1)離子從x=0μm器件中心處入射,穿過發射區、基區、集電區和襯底;2)離子從x=0.7μm氧化層處入射,穿過氧化層、基區、集電區和襯底;3)離子從x=2.3μm外延基區處入射,穿過外延基區、隔離氧化層、集電區和襯底;4)離子從x=6.3μm集電區電極接觸處入射,穿過集電區和襯底;5)離子從x=8.5μm氧化層處入射,穿過氧化層、集電區和襯底;6)離子從x=11.5μm氧化層處入射,只穿過輕摻雜襯底;7)離子從x=15.5μm襯底電極接觸處入射,穿過重摻雜襯底、輕摻雜襯底.

圖 9—12分別給出離子從 x=0,x=2.3,x=11.5和x=15.5μm處入射器件時各電極的電流和電荷收集隨時間的變化關系.可以看出,集電極和發射極以收集電子為主,基極和襯底以收集空穴為主.表1給出不同電極在不同離子入射位置下最終收集的電荷總量.

圖7 離子入射器件后不同時刻電勢的變化 (a)1 ps;(b)3 ps;(c)5 ps;(d)40 ps;(e)380 ps;(f)21 ns

圖8 離子垂直入射器件位置的選擇

圖9 (a)表明離子從器件中心入射,依次穿過發射區、基區、集電區和襯底,同時穿過B/C結和C/S結.各端口在載流子的漂移作用下產生一個大的電流脈沖,電流峰值達到2 mA以上;擴散機制收集的電荷導致集電極和襯底電流在漂移電流波峰后出現一個較為平緩的波峰.圖9(b)說明處于反偏的大面積CS結使集電極和襯底收集了大量電荷.

離子于x=6.3μm和x=8.5μm處入射的電流變化和電荷收集情況與圖10離子于x=2.3μm處入射的情況相似.圖10(a)說明入射離子沒有穿過發射區、基區和BC結,基極和發射極沒有電流脈沖發生;離子穿過反偏CS結,集電極和襯底的電流波形包括一個漏斗效應引起的大波峰和一個擴散機制形成的平緩波峰.圖10(b)說明在反偏pn結的作用下集電極和襯底收集了約4.5 pC的電荷.

離子從x=11.5μm處和x=15.5μm處入射,沒有穿過CS結形成漏斗勢,電荷只通過擴散機制被收集,因此集電極和襯底的電流波形只有一個波峰,如圖11(a)和圖12(a)所示.對比圖11(b)和圖12(b)發現離子于x=15.5μm襯底接觸處入射時收集的電荷少,飽和速度慢,原因是襯底接觸引出處摻雜濃度高,載流子復合快,通過擴散機制收集的電荷大量減少.結合上述內容和表1可以得出器件不同端口對電荷收集的敏感區域.

1)發射極收集的電荷比其他端口收集的電荷小幾個數量級,可以忽略不計.

圖9 離子從x=0μm處入射時仿真結果 (a)各端電流隨時間的變化關系;(b)各端總電荷收集量隨時間的變化關系

圖10 離子從x=2.3μm處入射時仿真結果 (a)各端電流隨時間的變化關系;(b)各端總電荷收集量隨時間的變化關系

圖11 離子從x=11.5μm處入射時仿真結果 (a)各端電流隨時間的變化關系;(b)各端總電荷收集量隨時間的變化關系

圖12 離子從x=15.5μm處入射時仿真結果 (a)各端電流隨時間的變化關系;(b)各端總電荷收集量隨時間的變化關系

表1 不同電極在不同離子入射位置下最終收集的電荷總量

2)對比表1中基極收集的電荷發現,離子從x=0μm和x=0.7μm處入射時基極收集的電荷量遠多于其他位置入射時基極收集的電荷量,說明STI內的區域是基極收集電荷的敏感區域;STI外的區域,受氧化層的限制,電荷難以通過擴散機制被基區收集,對基區的電荷收集不敏感.

3)對比表1中不同位置集電極和襯底收集的電荷發現,這兩個端口收集的電荷總量很大,不同位置收集的電荷數幾乎相同.原因是CS結形成了一個面積較大的反偏pn+結,襯底?5 V的反向偏置產生一個電場為E的耗盡層.當離子穿過耗盡層時,高濃度的載流子使電場發生畸變,其等勢線向著徑跡襯底方向延伸形成漏斗形,經受電場作用的離子徑跡由此被擴展,在該區域的載流子受到漏斗電場作用很快分離漂移到電極被收集.另一方面沿徑跡徑向載流子濃度梯度變化,引起漏斗電場以遠和漏斗邊緣的載流子進行擴散運動,擴散到耗盡層被收集.因此CS結內的區域為集電極和襯底收集電荷的敏感區域.

4)國產SiGe HBT沒有國外器件中的深溝隔離結構,不能有效隔離通過擴散收集的電荷.表1表明,離子在x=11.5μm處入射器件時,集電極和襯底收集的電荷略多于其他位置入射時收集的電荷.離子從x=11.5μm處入射只穿過輕摻雜襯底,載流子復合慢,壽命長,電荷通過長時間的擴散被大量收集.離子從x=15.5μm處入射穿過重摻襯底,載流子迅速復合,集電極和襯底收集的電荷量少于其他位置入射的情況.說明CS結附近輕摻雜襯底區域對集電極和襯底的電荷收集也具有敏感性.

綜上所述,發射極收集的電荷可以忽略;基極收集電荷的敏感區域是基區下STI內的區域;集電極和襯底在CS結內及其附近的區域對電荷收集較為敏感.

4 結論

仿真結果表明,SiGe HBT對單粒子效應較為敏感,在離子入射下發射區和集電區收集電子電荷,基區和襯底收集空穴電荷.處于反偏的CS結增強了漏斗效應,使集電極和襯底收集了大量電荷;離子在靠近集電區附近入射輕摻雜襯底,載流子復合慢,擴散至CS結內,襯底和集電極在擴散機制下收集大量電荷,因此CS結內及其附近的區域是集電極和襯底收集電荷的敏感區域.基極收集電荷的敏感區域位于STI內.發射極收集的電荷可以忽略.本文為研究國產SiGe HBT單粒子效應敏感性,并進一步提出加固方案打下了基礎.

衷心感謝清華大學微電子所在合作中提供的技術幫助.

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