Ge组分对Si_1-xGe_x HBT反向击穿特性影响的研究

自然科学版

第38卷

第1期

2011年

JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITY

NaturalSciencesEdition

Vo.l38

No.1

2011

Ge组

分对

Si1-xGexHBT反

*

向击穿特性影响的研究

刘兴辉,王立伟,刘爽,林洪春,何学宇

(辽宁大学物理学院,辽宁沈阳110036)

摘要:构建了一个SiGe异质结双极NPN晶体管的物理模型.在分析异质结双极晶体管工作机理的基础

上,利用ISE_TCAD软件模拟了Si1-xGex中的Ge组分对器件反向击穿特性的影响.结果表明:在其他参数相同的情况下,增加Ge组分虽可增加晶体管的电流增益,但可导致晶体管的耐压降低,BVcbo、BVceo、BVebo等击穿电压均随x组分的增加而减少.本研究对利用软件实现器件的虚拟制造、以及设计中如何进行合理的组分剪裁从而获取综合性能的优化有一定意义.关键词:SiGe;异质结双极晶体管;ISE_TCAD;反向击穿特性中图分类号:TN32

文献标识码:A

文章编号:10005846(2011)01000104

自从1987年采用分子束外延技术首次制作

[1]

出SiGe异质结双极晶体管(SiGeHBT)以来,人们对SiGeHBT的研究取得不断进步,SiGeHBT器件可实现的电流增益和频率等性能不断增强.IBM和Georgia理工学院的数据表明,已研制出室温下工作频率为350GHz的SiGeHBT,在4.5K的低温下,工作频率可达到500GHz,以往只有采用

-族化合物半导体材料才能达到这种性

能.而SiGeHBT技术和传统的Si集成电路工艺具有一定兼容性,其复杂性增加不大,且成本又远低于化合物半导体器件.

SiGeHBT通过引入一定组分的Ge形成窄带隙的SiGe基区,带隙宽度的变化使电子注入基区的势垒降低,使发射效率提高,电流增益增大.可以实现基区重掺杂,降低基区电阻,以及可合理设计基区Ge的分布,使基区产生内建电场,减小载流子的基区渡越时间,从而使特征频率得到提高获得比Si晶体管更好的频率特性.

由于SiGeHBT的电学特性与Ge的含量和分布关系较密切,近来不少研究小组研究了Ge

*

[3~4]

[2]

组分对晶体管的电流增益和频率特性的影

[3~6]响.然而,很少有人研究Ge组分对SiGeHBT反向击穿特性的影响.而反向击穿特性是双极晶体管的基本参数之一,同时由于在电路中也有可能运用SiGe双极晶体管,所以这个参数也是电路中阻断电压设计的基础.因此,反向击穿电压的研究也有很重要的意义.

本研究构建了一种SiGeHBT的物理模型,借助于工艺及器件模拟软件ISE_TCAD10.0对SiGeHBT物理机制的分析,进而研究了其反向击穿电压,并重点考查了Ge组分对反向击穿电压的影响.

1SiGeHBT模型的构建

所设计的SiGeHBT器件的结构如图1所示,

采用双台面结构,图中1~8分别表示多晶硅发射极、多晶硅基极、SiO2区、发射区、SiGe基区、衬底、集电极浓硼通道及埋层.

器件的结构参数和掺杂浓度见表1所示:多晶硅发射极浓度为1e20,掺杂杂质为As,厚度为

作者简介:刘兴辉(1972-),男,辽宁辽阳人,辽宁大学副教授,博士,从事半导体器件物理、超深亚微米与纳米集成电路基础材料、制造技术及设计理论研究

基金项目:辽宁省教育厅科研项目资助(L2010152)、辽宁大学博士启动基金(2006009)资助、辽宁大学青年科研基金资助收稿日期:2010-12-02

2辽宁大学学报

自然科学版2011年

225nm,多晶硅基极浓度为9e19,掺杂杂质为B,Si衬底掺杂浓度为1.5e17,杂质为B,厚度为600nm,SiGe基区采用高斯掺杂,峰值浓度为5e19,value=5e17,depth=0.4,基区宽度为75nm,发射区为高斯掺杂,峰值浓度为1e20,value=1e19,depth=0.04,集电极浓硼通道为高斯掺杂,峰值浓度为1e19,value=5e17,depth=0.4,厚度为2数值模拟

采用ISE_TCAD10.0软件对SiGeHBT进行模拟时,对于载流子迁移率考虑了掺杂浓度相关的Masetti模型、以及高电场下载流子偏离欧姆

[7]

定律的速度饱和Canali模型,载流子复合考虑了Auger复合、SRH(DopingDep)复合,由于要模[7]

500nm,掺杂杂质为As.

图1SiGeHBT结构截面图

表1模拟所用SiGeHBT器件的结构参数和掺杂浓度、类型

SiGeHBT材料厚度杂质(nm)掺杂类型及浓度1/cm3类型多晶硅发射极2251e20(常数掺杂)As多晶硅基极759e19(常数掺杂)BSi衬底6001.5e17(常数掺杂)

AsSiGe基区

75

高斯掺杂,峰值浓度为5e19,value=5e17,depth=0.4B

发射区10高斯掺杂,峰值浓度为1e20,value=1e19,depth=0.04As

集电极浓硼通道500高斯掺杂,峰值浓度为1e19,value=5e17,depth=0.4As

衬底埋层100高斯掺杂,峰值浓度为1e18,value=5e17,depth=0.1

As

本研究利用ISE_TCAD10.0软件.它是一种建立在物理基础上的数值模拟工具,由多个模块组成,包括工艺模拟工具DIOS、图形生成工具DEVISE(MDRAW),器件电学特性模拟工具DESSIS,以及视图工具Inspect等.其中DESSIS是一个整合了先进的物理模型,以数字化的方法模拟半导体器件电学行为的器件仿真器.我们利用ISE_TCAD软件中的DEVISE模块构建SiGeHBT器件的边界、结构、设计掺杂水平、建立网格,以满足具体模拟的需要.以DESSIS工具进行数值分析、直接求解半导体器件的泊松方程、电子空穴的连续性方程,得到器件结构中静电势、电场、空间电荷、电子浓度和空穴浓度的分布函数等,以此获得器件的各种电学特性,包括反向击穿特性.

拟反向击穿特性,因此必须考虑雪崩击穿机制,对于电子和空穴,雪崩驱动力均为平行电场,采用

vanOverstraeten/deMan模型[7]

.确定本征载流子浓度时考虑了带隙变窄效应,采用Bennett/Wilson模型[7]

.数值求解决采用Bank/Rose算法,求解半导体器件的泊松方程、电子和空穴的连续性方程以及电流密度方程.在模拟击穿特性时,由于随着电压的增加而电流急剧增加,极容易出现计算不收敛的情况,这是反向击穿电压模拟的困难所在.为避免出现计算不收敛的情况,改善计算的收敛性,采用在相应电极上串联一个大电阻的方法,其大小在V/I量级,在读取数值时只考虑加在器件上的内电压即可.另外,合理设置模拟的初始步长、最大最小步长以及步长增量也很关键.

由于SiGeHBT基区中含有Si1-xGex材料(如图1所示),因此,在编辑命令文件时必须考虑Si1-xGex区域的材料参数,具体如下:

Physics(Material=SiliconGermanium)

MoleFraction(RegionName=[SiGeBase]xFraction=X,Grading=0.0)

其中的X为Ge在Si1-xGex中的组分,Grading=0表示突变结.

3结果分析

从实际工艺的角度,X的取值不能过大,原因在于受外延SiGe材料的晶格失配

[4]

.对于

Si1-xGex合金,当其薄膜厚度较小、Ge含量较低

时,Si1-xGex薄膜中价键处于一种畸变的状态,晶格发生弹性应变,以赝晶形式生长,晶格失配较小,弹性应力将保持薄膜的稳定.而当薄膜达到一定厚度之后,赝晶体内积累的应力增大到一定程度时,就会因晶面滑移而形成位错失配.在本研究中X取值分别为0.1、0.15、0.2、0.25,即在所构建的Si1-xGexHB

T模型中选取四种不同的Ge组第1期刘兴辉,等:Ge组份对Si1-xGexHBT反向击穿特性影响的研究

3

分,计算了其反向击穿电压.

图2~5给出了模拟的Si1-xGexHBT的BVcbo、BVceo,BVebo以及随着x组分增加该三种反向击穿电压的变化趋势.从图2可看出,在基极开路时集电极电流随集电结电压Vcb的变化趋势:在反向电压未达到击穿前,集电极电流ICBO很小,几乎与横轴重合,随Vcb增加到某个值时,集电极电流迅速增加,此时的电压即集电结击穿电压图3

基极开路时,不同组分下Si1-xGexHBT的

集电极电流随Vce的变化

BVcbo.在其他参数相同的情况下,随x组分的增加集电结击穿电压逐渐减少,从x=0.1时的6.604V减少到x=0.25时的6.196V,减少近0.5V.BVcbo减少主要是因为集电结击穿电压与结两侧材料的禁带宽度成正比,而Ge组分越多,则基区一侧禁带宽度越小.因此,掺Ge基区HBT不但BVcbo小于Si晶体管,而且Ge组分越多,则BVcbo越小.

图2

基极开路时,不同组分下Si1-xGexHBT的

集电极电流随Vcb的变化

图3和图4分别给出了基极开路和基极电流

为1A时,ICE随Vce变化的曲线.当基极开路时,如图3,随Vce增加,曲线中出现一段电流上升、电压下降,增量电阻为负的区域,然后又维持在一个电压相对恒定电流急剧上升的状态.开始出现负阻时的电压称为BVceo,与图3相对应,当基极电流不为0时(图4中基极采用恒流模式,电流1A),ICE随Vce变化的曲线则没有出现负阻特性.图3、4得出的这个结论和Si双极晶体管的趋

势相类似[8]

.出现负阻特性是由于小电流下电流放大系数

的减小引起的,按共发射极接法的雪

崩击穿条件M1/,当基极开路时,集电集电流Ice很小,这时

值很小,因此击穿电压较高.随

集电集电流Ice增加,

值增加到正常值,因此,

击穿电压也就下降到正常值(维持电压).而图4

中之所以没有出现负阻特性,主要是因为集电极电流在击穿前已经达到正常值.

图4基极电流为1uA时,不同组分下

Si1-xGexHBT的集电极电流随Vce的变化

从图4中还可以看出,在相同的偏置电压Vce下,对于相同的基极电流1uA,Ge组分x越大,集电极电流越大,即电流增益越大,这和文献[3,5]的研究结论类似.这是由于随Ge组分增大,SiGe基区与多晶体硅发射极带隙差增大,导致SiGeHBT的集电极电流增大.而图3表明,在基极开路情况下,随Ge组分x的增加,击穿电压

Vceo逐渐减小,当x从0.1增加到0.25,Vceo从1.784V下降到1.560V,这主要是因为X越大,基区的带隙越小,发射效率越大,M就先达到雪崩击穿条件,因此Vceo就越小.从图5可以看出BVebo随组分的增加也有一定程度的减小,也是与SiGe基区的带隙变小有关.而频率却与Ge

组分变化关系不大[3,5,9]

,按我们的器件模型,频率在40GHz左右.

图5

不同组分下Si1-xGexHBT的发射极电流随Veb的变化

结合图2~5可以说明,随着Ge组分的增加,电流增益变大,但反向击穿电压却明显减小,因此,组分变化造成的电流增益变化和击穿电压的

4辽宁大学学报

自然科学版2011年

变化是一对矛盾因素.由于在不同的电路中对器件的性能要求是不同的,因此,反向击穿电压降低有时了器件的应用,在设计SiGeHBT晶体管时,通过增大组分以改进电流增益的同时,一定要同时兼顾反向电压的,以做到合理的组分剪裁从而获取综合性能的优化.

参考文献:

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4结论

x

利用ISE_TCAD10.0软件,构建了一个Si1-

[4]王煊,徐碧野,何乐年.Ge组分对SiGeHBT主要电学特性的影响[J].半导体技术,V133,No18(68),683-687.

Gex异质结双极NPN晶体管模型,该晶体管采用双台面结构,发射区和基区采用Si1-xGex材料,集电区及衬底采用硅材料,所有电极采用重掺杂多晶硅.通过在相应区域进行定量掺杂,实现了SiGe异质结晶体管的虚拟制造.在分析HBT工作机理基础上,模拟了Si1-xGex中的x组分对器件反向击穿特性的影响.结果表明:随着Ge组分的增加,Si1-xGexHBT的电流增益增加,但晶体管的反向击穿电压却降低,BVcbo、BVceo、BVebo等击穿电压均随x组分的增加而减少.本研究对利用软件实现器件的虚拟制造、以及设计中如何进行合理的组分剪裁从而获取综合性能的优化具有一定指导意义.

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TheEffectofGeComponentonthe

ReverseBreakdownCharacteristicsofSi1-xGexHBT

LIUXinghu,iWANGLiwe,iLIUShuang,LINHongchun,HEXueyu

(CollegeofPhysics,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)

Abstrac:tAphysicalmodelforSiGeheterojunctionbipolarNPNtransistorwasbuil.tOnthebasisofana

lyzingworkingmechanismofheterojunctionbipolartransistor,theGecomponentimpactsonreversebreakdowncharacteristicsweresimulatedwithISE_TCAD10.0software.Theresultsofnumericalsimulationindicate:forthesameotherparameters,thetransistorcurrentgainincreasebutbreakdownvoltage,suchasBVcbo,BVceo

andBVebo,reducewithincreasingGecomponen.tThestudyissignificantinimplementationofvirtualmanufacturingdeviceandhowdesignareasonablecomponentscutinordertoobtaincomprehensiveperformanceoptimization.

Keywords:

SGie;heterojunctionbipolartransistor;ISE_TCAD;reversebreakdowncharacteristics

(责任编辑郑绥乾)