Приборно-технологическое моделирование Sige биполярных и МОП транзисторных структур СБИС

ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ SiGe БИПОЛЯРНЫХ И МОП ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР СБИС

Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет), *****@

SiGe БиКМОП технология занимает сегодня лидирующие позиции в области изготовления СБИС для цифровой обработки сигналов, телекоммуникационных систем и многих других важных практических приложений, что обусловлено простотой интеграции в стандартный КМОП процесс, относительно низкой стоимостью производства, большим процентом выхода годных и высоким быстродействием приборов. Крупнейшие компании, такие как IBM, Daimler-Benz, Phillips, Hitachi сегодня разрабатывают и производят интегральные схемы, основным компонентом которых являются быстродействующие SiGe биполярные транзисторы, c граничными частотами 100 ГГц. Так, компанией IBM было показано, что граничная частота SiGe гетеробиполярных транзисторов может достигать 210 ГГц [1]. С развитием технологии Si1-xGex сплавов появилась возможность создания быстродействующих МОП транзисторов с SiGe/Si каналом, что в перспективе позволит создавать на их основе быстродействующие КМОП микромощные схемы с граничными частотами 40-50 ГГц.

Разработка БИС с такими высокими характеристиками требует применения эффективных средств проектирования. При этом для адекватного моделирования приборов на основе SiGe возможности существующего программного обеспечения для расчета биполярных и МОП транзисторов должны быть расширены за счет:

1.  учета особенностей материала SiGe на технологическом и приборном уровне моделирования;

2.  получения как цифровых, так и аналоговых параметров приборов;

3.  учета паразитных эффектов, оказывающих существенное влияние на работу приборов в радиочастотном и СВЧ диапазонах.

Перечисленным требованиям в значительной степени отвечают приборно-технологические САПР ряда ведущих зарубежных фирм [2-5]. Результаты моделирования конкретных SiGe БиКМОП структур, полученные с использованием упомянутых САПР, достаточно широко представлены в зарубежной литературе [6-12].

В России работы по освоению технологии SiGe приборов и схем находятся в начальной стадии. Как следствие, количество отечественных публикаций, посвященных вопросам моделирования SiGe приборов, крайне ограничено [13, 14].

В настоящей работе нами реализована передовая методика приборно-технологического проектирования SiGe БиКМОП приборов, используемая компанией IBM и описанная в работе [2]. С помощью средств САПР ISE-TCAD [6] проведено моделирование современных биполярных гетеропереходных транзисторов (SiGe ГБТ) и МОП-транзисторов с Si/SiGe гетеропереходным каналом (SiGe ГМОПТ). Исследовались зависимости основных параметров транзисторов: для ГБТ – коэффициента усиления по току b и граничной частоты fT, для ГМОПТ – входных gm и выходных gds проводимостей, пороговых напряжений, граничной частоты от доли x Германия и профиля его распределения в рабочих областях приборов, а также геометрических размеров структуры транзисторов. По результатам расчета совокупности статических и динамических характеристик SiGe ГБТ и ГМОПТ проводилась экстракция параметров их схемотехнических моделей для программы SPICE.

Моделирование SiGe ГБТ. Исследовалась структура SiGe гетеробиполярного транзистора рис. 1, разработанная компанией IBM [15]. В этой структуре эмиттерная область с размерами 1.0х1.0 мкм2 сформирована диффузией из легированного поликремния, что позволило создать мелкий переход и уменьшить паразитные емкости. Максимальная концентрация бора в SiGe базе 4.5·1018 см-3. Активная база отделяется от от p+ пассивной базы нитрид/оксидной площадкой. Длина этой площадки оказывает существенное влияние на b и fT. Зависимости коэффициента усиления и граничной частоты от длины нитрид/оксидной площадки приведены на рис. 2 – 3. Из результатов видно, что при длине площадки меньше 1.3 мкм падает максимальное значение граничной частоты и уменьшается диапазон коллекторных токов, при которых достигается максимальное усиление

На рис. 4 представлен более совершенный вариант этой же структуры, размеры эмиттера 0.4х1.0 мкм2, обеспечивающий более высокие значения граничной частоты fT [16]. В отличие от предшествующего варианта здесь для увеличения быстродействия и уменьшения паразитных емкостей база самосовмещается с коллектором, и изоляция от соседних приборов производится глубокими канавками. Были исследованы зависимости коэффициента усиления (рис.5) и граничной частоты (рис.6) от доли Германия x в кремнии. Из рис. 5-6 видно, что с ростом доли Германия x в Si1-xGex базе коэффициент усиления по току b и граничная частота fT увеличиваются. Оптимальные значения х в интервале 0.04 – 0.1 обеспечивают высокие значения b = 80 – 160 и fT = 80 – 100 ГГц, хорошо согласующиеся с требованиями схемотехники. Для значений x < 0.04 наблюдается резкий спад значений параметров b и fT. Увеличение x свыше 0.1 приводит к возникновению дефектов на границе SiGe/Si и ухудшению параметров приборов. В ходе моделирования было также установлено, что оптимальная толщина базы такого транзистора составляет 0.08-0.1 мкм. Эта величина ограничена снизу проколом базы, а сверху резким ухудшением параметров прибора.

Используя систему ISE-TCAD были рассчитаны семейства статических ВАХ, вольт-фарадных характеристик p-n переходов, зависимости граничных частот fT от Iк и Uкэ, по которым методами экстракции были определены параметры схемотехнической модели ГБТ для программы SPICE. В качестве модели ГБТ была выбрана модель Mextram 504 фирмы Phillips [17]. Эквивалентная схема «внутреннего» транзистора без учета внешних паразитных элементов в модели Mextram 504 приведена на рис. 7,а. Параметры модели, рассчитанные для структуры ГБТ рис. 4, приведены в таблице 1. Для сравнения на рис. 7,б приведены зависимости bN = f(IК), рассчитанные по модели Mextram 504 и с помощью программы ISE-TCAD. Видно, что достигается достаточная для практических расчетов точность.

d   Рис. 1. Структура SiGe ГБТ, разработанная фирмой IBM [15]	Рис. 2. Зависимости b=f(Ik) для ГБТ (рис.1) при различных значениях параметра d 1-0.3мкм; 2-1.3мкм; 3-1.8мкм
Рис. 3. Зависимости fT=f(Ik) для ГБТ (рис.1) при различных значениях параметра d 1-0.3мкм; 2-1.3мкм; 3-1.8мкм	Рис. 4. Усовершенствованная структура SiGe ГБТ [16]
Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления ГБТ от доли Германия x в Si1-xGex базе	Рис. 6. Зависимость граничной частоты ГБТ от доли Германия x в Si1-xGex базе

(а)	(б)
Рис. 7. Эквивалентная схема «внутреннего» транзистора в модели Mextram 504 (а); зависимость коэффициента усиления SiGe ГБТ (рис. 1) от тока коллектора (б)

Таблица 1

Параметры модели Mextram 504

Is	2.5e-16 А	Xrec	8
mlf	1.5	VDC	0.756 В
bf	167	VDE	0.75 В
ibf	0.75e-15 А	CJE	1.33e-15 Ф
ik	3.9e-3 А	PE	0.19
Re	27 Ом	CJC	2.1e-15 Ф
Rb	140 Ом	PC	0.6
Rc	250 Ом	XP	0.869
deg	0.12	Xibi	0.3

Моделирование ГМОПТ В аналого-цифровых БиКМОП СБИС приборы КМОП используются в основном для цифровой обработки информации. Традиционный путь снижения потребляемой мощности и увеличения быстродействия КМОП – масштабирование линейных размеров МОП транзисторов. Однако, для приборов со сверхкоротким каналом (L = 0.2 – 0.1 мкм и менее) эффективность такого подхода резко снижается. Во-первых, все трудней становится преодолевать эффекты короткого и узкого канала [12] и, во-вторых, при уменьшении толщины подзатворного диэлектрика до 5 – 10 нм увеличивается эффективное вертикальное поле и поверхностная рекомбинация, что, в конечном счете, сильно ухудшает параметры приборов. В работе [18] было показано, что для субмикронных приборов (0.2 – 0.1 мкм) подвижность в канале падает с 180 см2∙В-1∙с-1 до 30 см2∙В-1∙с-1 для дырок и с 600 см2∙В-1∙с-1 до 100 см2∙В-1∙с-1 для электронов.

Решить эту проблему позволяет технология МОП транзисторов с Si/SiGe гетероструктурным каналом (SiGe ГМОПТ). Структура такого SiGe ГМОП изображена на рис. 9. Из-за разных постоянных решетки на границе сплава Si/SiGe появляются двумерные упругие напряжения деформации. Эти напряжения приводят к уменьшению эффективных масс и увеличению подвижности носителей в канале транзистора, что приводит к увеличению быстродействия транзистора и уменьшению сопротивления канала.

Используя приборно-технологическое моделирование, мы исследовали физические параметры МОП транзисторов (в основном подвижность носителей), вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики и усиление в гигагерцовом режиме для p-МОП транзисторов изготовленных по стандартной кремниевой и кремний-германиевой (с SiGe вставкой в канал) технологии. Были исследованы SiGe p-ГМОП транзисторы с длинами каналов L = 0.5 мкм и L = 0.15 мкм и толщинами подзатворного окисла d = 8 нм и d = 4 нм соответственно. Выбор прибора L = 0.5 мкм обусловлен возможностями отечественной технологии, приборы с длиной канала L = 0.15 мкм выпускаются ведущими мировыми производителями. Результаты моделирования подвижности дырок в канале SiGe ГМОП транзисторов изображены на рис. 10. Из рисунка видно, что в субмикронном диапазоне подвижность дырок уменьшается с уменьшением длины канала и увеличивается с увеличением доли Германия x в Si1-xGex канале. Эти результаты хорошо согласуются с результатами зарубежных работ [19, 20]. Входные вольт-амперные характеристики для n - и p-канальных Si0.7Ge0.3 ГМОП транзисторов с длиной канала 0.5 мкм изображены соответственно на рис. 11 и 12. Из графиков видно, что кремний-германиевая вставка в канал МОПТ приводит к уменьшению порогового напряжения на 0.1 – 0.2 В и сдвигает входные характеристики в область более высоких токов.

Расчеты показывают, что SiGe вставка в канал оказывает гораздо большее влияние на характеристики p-канальных МОПТ, чем n-канальных МОПТ, поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только p-канальные МОПТ. Собственное быстродействие МОП транзисторов определяется тремя основными параметрами: суммарной собственной емкостью Ctot, крутизной в области насыщения gm и выходной проводимостью в триодной области gds. Быстродействие прибора может быть повышено, если уменьшить собственную емкость Сtot и увеличить крутизну gm и проводимость gds. Для нахождения эффективных путей увеличения параметров gm и gds мы использовали моделирование с помощью ISE-TCAD. Расчетные зависимости gm и gds от доли Германия x в p-канале Si1-xGex ГМОПТ приведены на рис. 13 и 14. Отметим, что значения параметров gm и gds на рис. 13 и 14 для x=0 соответствуют прибору, изготовленному по стандартной кремниевой технологии. Как видно из рис. 10, значения крутизны gm для стандартного и кремний-германиевого МОП транзисторов отличаются незначительно. Но значения проводимости gds (рис. 14) в 1.3 – 1.5 раза больше для Si0.7Ge0.3 и в 1.7 – 3 раза больше для Si0.3Ge0.7 ГМОП транзистора, чем для стандартного кремниевого МОПТ (x = 0).

В гигагерцовом диапазоне эффекты, обусловленные внешними паразитными элементами становятся сопоставимыми с динамическими характеристиками самого МОПТ, поэтому ими уже нельзя пренебречь. Высокочастотная эквивалентная схема МОПТ с учетом паразитных элементов приведена на рис. 15. Она дополнительно включает паразитные сопротивления затвора Rg, стока Rd и истока Rs. Значения элементов эквивалентной схемы рис. 15 для p-канальных SiGe ГМОПТ с длиной канала L = 0.5 мкм и L = 0.15 мкм приведены в табл. 2 и 3. Используя эти данные для ВЧ эквивалентной схемы МОПТ рис. 15, для обоих транзисторов нами были рассчитаны зависимости граничной частоты fT от доли Германия в SiGe канале, которые представлены на рис. 16. Видно, что fT возрастает в три раза для прибора с длиной канала 0.5 мкм и в 2 раза для прибора с длиной канала 0.15 мкм по сравнению со стандартным кремниевым МОПТ, а максимальные значения граничной частоты составляют 70 ГГц и 80 ГГц соответственно для ГМОПТ с L = 0.5 мкм и L = 0.15 мкм.

Выводы

1. Методами моделирования с помощью приборно-технологической САПР ISE-TCAD исследованы физические структуры и электрические характеристики гетеропереходных SiGe биполярных транзисторов. Определены зависимости основных параметров ГБТ от степени легирования базы и доли Германия в кремнии x и геометрических размеров структуры прибора. По результатам расчета совокупности статических и динамических характеристик SiGe ГБТ определены параметры модели Mextram 504 для схемотехнического проектирования.

2. С помощью ISE-TCAD проведено моделирование физических структур и электрических характеристик быстродействующих ГМОПТ с SiGe/Si каналом. Показано, что создание гетероструктуры Si/SiGe в канале позволяет существенно повысить граничную частоту субмикронных МОП-транзисторов: для приборов с L = 0.5 мкм в три раза (с 20 ГГц для обычных МОПТ до 60 ГГц для ГМОПТ) и для приборов с L = 0.15 мкм в два раза (с 40 ГГц для обычных МОПТ до 80 ГГц для ГМОПТ). По результатам расчета совокупности статических и динамических характеристик ГМОПТ определены параметры малосигнальной высокочастотной модели (рис. 14) для схемотехнических расчетов.

Рис. 8. Структура SiGe ГМОПТ	Рис. 9. Зависимость подвижности дырок от доли Германия x в Si1-xGex канале p-ГМОПТ
Рис. 10. Входные характеристики p-канального Si0.7Ge0.3 ГМОПТ с длиной канала 0.5 мкм	Рис. 11. Входные характеристики n-канального Si0.7Ge0.3 ГМОПТ с длиной канала 0.5 мкм
Рис. 12. Зависимость крутизны gm p-ГМОПТ от доли Германия x в Si1-xGex канале	Рис. 13. Зависимость проводимости в триодной области gd p-ГМОПТ от доли Германия x в Si1-xGex канале
Рис. 14. Эквивалентная ВЧ схема МОПТ	Рис. 15. Зависимость граничной частоты fT от доли Германия x в Si1-xGex p-канальном ГМОПТ

Таблица 2

Параметры транзистора с длиной канала L = 0.5 мкм

Параметры ВЧ эквивалентной схемы	x, Ge% в p-канале
0	30	55	70
gm, мкА/М	95	129	152	161
gds, мкА/В	277	515	770	890
(Rd + Rs), Ом	1210	960	880	790

Для 0.5 мкм Si1-xGex p-МОПТ: Cgd = 3∙10-17 Ф, Cgs =2.5∙10-17 Ф, Cdb = 1.4∙10-15 Ф, Csb = 2.5∙10-15 Ф, Cgb = 2∙10-15 Ф

Таблица 3

Параметры транзистора с длиной канала L = 0.15 мкм

Параметры ВЧ эквивалентной схемы	x, Ge% в p-канале
0	30	55	70
gm, мкА/В	370	380	380	390
gds, мка/В	1130	1470	1750	1930
(Rd + Rs), Ом	650	450	375	325

Для 0.15 мкм Si1-xGex p-МОПТ: Cgd = 3∙10-17 Ф, Cgs = 3.2∙10-17 Ф, Cdb = 1.4∙10-15 Ф, Csb = 2.2∙10-15 Ф, Cgb = 8∙10-16 Ф

ЛИТЕРАТУРА

1. J. S. Dunn et all. Foundation of rf CMOS and SiGe BiCMOS technologies // IBM J. Res. & Dev. – 2003. - № 2/3. - P. 101-138.

2. D. L. Harame et all. Design automation methodology and rf analog modeling for rf CMOS and SiGe BiCMOS technologies // IBM J. Res. & Dev. – 2003. - № 2/3. - P. 139-175.

3. Atlas device simulator v.5, Silvaco, Int. Inc. – 1998.

4. TMA MEDICI version 2000.2. Technology modelling associates inc. – 2000.

5. ISE-TCAD modeling of semiconductor technology devices and systems, ver.7. – 1998.

6. D. Knoll, G. Fischer, K. E. Edward et all. Base currents of Si/SiGe/Si HBT in dependence on the processing conditions // Applied Surface Science. – 1996. - № 000. - P. 247-251.

7. M. Hashim, R. Zever, P. Ashburn 2D Simulation of the effects of transient enhanced boron outdiffusion from base of SiGe HBT due to an extrinsic base implant // Solid-State Electronics. – 1999. - № 43. - P. 131-140.

8. J. Song, J, Yuan Modelling the base-collector heterojunction barrier effect at high current densities of SiGe HBTs // Solid-State Electronics. – 1999. - № 43. - P. 447-461.

9. B. Malm, J. Grahn, Influence of transient enhanced diffusion on the intrinsic base dopant profile on SiGe HBT DC and HF characteristics // Solid-State Electronics. – 2000. - № 44. - P. .

10. D. Todorova, N. Mathur, K. Poenker Simulation and design of SiGe HBTs for power application at 10 GHz // Solid-State Electronics . – 2002. - № 46. - P. .

11. G. Zhang, J. Cressler, Z. Zanzerotti et all Electric field effects associated with the backside Ge profile in SiGe HBTs // Solid-State Electronics. – 2002. - № 46. - P. 655-659.

12. P. Li, W. Liao Analysis of Si/SiGe channel pMOSFETs for deep-submicron scaling //Solis-State Electronics. – 2002. - № 46. - P. 39-44.

13. , , Торговников -технологическое моделирование SiGe биполярных гетеропереходных транзисторных структур. // Сборник научных трудов 6-ой Всероссийской научно-технической конференции «Электроника, микро - и наноэлектроника», , М., МИФИC. 267-272.

14. , , Моделирование статических и динамических характеристик гетеропереходной КМОП транзисторной пары на основе Si/SiGe // Тезисы докладов ВНТК «микро - и наноэлектроника 2001», Звенигород - 2001. - C. Р3-21.

15. G. L. Patton at al. // IEEE Electron Device Letters. – 1990. - № 4. - P. 171-173.

16. B. S. Meyerson Silicon:germanium based mixed signal technology for optimization of wired and wireless telecommunications // // IBM J. Res. & Dev. – 2000. - № 3. - P. 391-407

17. http://www. semiconductors. /models/.

18. E. H.C. Parker, T. E. Whall, SiGe heterostructure CMOS circuits and applications // Solid-State Electronics. – 1999. - № 43. - P. .

19. M. Shima. <100> SiGe-channel p-MOSFET with enhanced hole mobility and lower parasitic resistance // Fujitsu Sci. Tecj. J. – 2003. - № 39. - P. 78-83.

20. M. T. Currie et all. Carrier mobilities and process stabilities of strained Si n - and p-MOSFET on SiGe virtual substrates // J. Vac. Sci. Technol. – 2001. - № B 19(6). - P. .