Диссертация (1137280), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Однако она не учитывает эффектыусиления радиационной деградации параметров от влияния «горячих» носителей, а также эффекты сдвига выходных коллекторных характеристики в области насыщения и лавинного пробоя и не подходит для моделирования SiGe ГБТ, так как модель ГуммеляПуна не учитывает некоторые температурные эффекты, в том числе и эффект саморазогрева.В работах Э.Н Вологдина, Д.С. Смирнова и др.[30],[29] используется аналогичнаямодель, но только для меньшего числа параметров. При этом делается попытка описатьдеградацию БТ не только по экспериментальным результатам, но и по результатам рас-19четных методик.

В качестве базовой модели также используется модель Гуммеля-Пуна.Модель позволяет учитывать деградацию БТ при воздействии нейтронного излучения.При этом данная модель также не учитывает эффекты усиления радиационной деградации параметров от влияния «горячих» носителей, а также эффекты сдвига выходныхколлекторных характеристики в области насыщения и лавинного пробоя.В работах О.В. Дворникова, В.Н.

Гришкова [31],[32] представлена макромодельдля учета воздействия радиации, в которой наряду с дополнительными элементами дляряда параметров добавлены уравнения, зависящие от поглощенной дозы. Предполагается возможность учета различных видов радиации, для этого в структуру программы добавлен дополнительный блок для пересчета одного вида излучения в другой. В качествебазовой модели используется модель Гуммеля-Пуна, что не позволяет ее использоватьдля моделирования SiGe ГБТ. К сожалению, не приводятся методики экстракции радиационно-зависимых параметров, что усложняет работу с данной моделью.В работах М. Van Uffelen и др.[34], [36] предложена макромодель для учета влияния гамма-излучения на характеристики SiGe ГБТ.

В эквивалентную схему добавлены:источника тока между базой и эмиттером, который учитывает увеличение тока базытранзистора; источника тока подключенного между коллектором и эмиттером, учитывающий дополнительного изменения тока коллектора в активном режиме; источниканапряжения в цепи коллектора, который учитывает изменение напряжения насыщенияна выходных характеристиках.

Макромодель позволяет с достаточной степенью точности описывать деградацию характеристик SiGe ГБТ при воздействии радиации с дозойдо 2·108 рад. Однако, использование предложенной макромодели приводит к появлениюотрицательных токов на выходной характеристике биполярного транзистора при воздействии гамма-излучения, что резко ограничивает возможность ее применения прирасчете схем.

Кроме того, не описана методика экстракции параметров модели.В работе Deng Yanqing и др. [37] представлена макромодель для учета влияниянейтронного излучения на характеристики Si БТ. Представленная модель учитываеттолько объемную составляющую тока рекомбинации, что ограничивает область ее применения. Также не представлены методики экстракции радиационно-зависимых параметров макромодели.201.3 Выводы по главе 1По результатам анализа отечественных и зарубежных работ, посвященных приборно-технологическому моделированию, можно сделать вывод, что количество работ,направленных на исследование в системе TCAD влияния радиационных эффектов наэлектрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ, явно недостаточно и не отражает современного состояния проблемы.

Исследования ограничиваются или набором стандартных моделей, входящих в состав TCAD и учитывающих часть радиационных эффектов,обусловленных воздействием только гамма-квантов, или используют обобщенные модели структурных и ионизационных эффектов, которые пока не адаптированы подструктуры Si БТ и SiGe ГБТ, или ориентированы на решение отдельных частных задач.TCAD модели, учитывающие нейтронное или протонное излучение, в публикациях покаотсутствуют.Таким образом, целью №1, которая поставлена в настоящей диссертации, является: разработка математических моделей электрофизических эффектов, возникающих вструктурах биполярных полупроводниковых приборов при воздействии радиации, с целью моделирования и расчета в системе TCAD характеристик субмикронных Si БТ иSiGe ГБТ при облучении различными видами стационарных радиационных излучений:нейтронами, гамма-квантами, протонами.По результатам анализа отечественных и зарубежных работ в области схемотехнического моделирования можно сделать выводы: 1) для каждого вида радиационноговоздействия (электроны, нейтроны, протоны, гамма-кванты) имеется своя модель, илиограниченный набор моделей со своей эквивалентной схемой, системой дополнительных параметров, существенно отличающихся от стандартных или общепринятых и поэтому малопонятных или вообще незнакомых разработчикам приборов и схем;2) для большинства моделей методики измерения ВАХ и процедуры экстракции параметров, учитывающих радиационные эффекты, достаточно сложны и практически неописаны в публикациях; 3) ряд моделей не обеспечивает необходимую для современныхБТ точность расчета, например, базируется на основе простейшего варианта ГуммеляПуна, или не учитывают важные эффекты радиационного сдвига коллекторных ВАХ врежиме насыщения и лавинного пробоя, усиления деградации параметров из-за влияния«горячих» носителей и др.21Такимобразом,целью№2является:разработкаунифицированнойSPICE-макромодели для Si БТ и SiGe ГБТ, имеющей единую эквивалентную схему исистему уравнений для разных видов радиационного воздействия (электронного, протонного, нейтронного и гамма-излучений) и учитывающей эффект усиления радиационной деградации параметров от влияния «горячих» носителей и эффект сдвига выходныхколлекторных характеристик в области насыщения и лавинного пробоя.22Глава 2 Приборно-технологические модели, учитывающие радиационныеэффекты в структуре Si БТ и SiGe ГБТ2.1 TCAD модель электрофизических параметров, учитывающая влияниегамма-излучения в структурах Si БТ и SiGe ГБТПроектирование электронной компонентной базы обычно состоит из несколькихэтапов.

В настоящее время на основных этапах проектирования (приборнотехнологическое, схемотехническое и т.п.) широко используется математическое моделирование полупроводниковых приборов. На этапе приборно-технологического моделирования широко используются промышленные системы TCAD (Technology ComputerAided Design) Sentaurus Synopsys и TCAD SILVACO для моделирования полупроводниковых приборов и элементов БИС, производимых по различным технологиям. Как говорилось ранее, сфера применения данных САПР ограничивается набором стандартныхмоделей для моделирования биполярных структур и элементов ИС.

Однако, необходимоиметь инструмент для сквозного проектирования радиационно-стойкой элементной базы для аппаратуры специального назначения, когда выходными параметрами приборнотехнологического моделирования являются схемотехнические параметры биполярнойструктуры до и после воздействия радиации. В данной работе в качестве системы приборно-технологического проектирования используется Sentaurus фирмы Synopsys [44].Математической основой системы TCAD является численное решение фундаментальной системы выражений физики полупроводниковых приборов, которое для диффузионно-дрейфового механизма переноса носителей состоит из следующих выражений:плотности тока электронов и дырок (2.1); плотности поверхностного тока (2.2); Пуассона для распределения электростатического потенциала (2.3); темпа рекомбинация Шокли-Рид-Холла (2.4), концентрации равновесных носителей (2.5); темпа Оже рекомбинации (2.6); скорости поверхностной рекомбинации (2.7); непрерывности (2.8):jn  qn n  n  PnT  , j p  q p p   p  PpT  ;(2.1)jn,surf  qnsn , j p ,surf  qps p ;(2.2) 2 q p  N D  n  N A   trap ;(2.3)23SRHRnetnp  ni2,eff p (n  n1 )   n ( p  p1 );(2.4)E  E n1  ni ,eff  exp  trap  , p1  ni ,eff  exp  trap  ; kT  kT (2.5)ARnet  Cn n  C p p   np  ni2,eff  ;(2.6)SRHsurf , netRnp  ni2,eff(n  n1 ) / s p  ( p  p1 ) / s n;n1p1 G  R  jn , G  R  j p ;tqtq(2.7)(2.8)i j , ε – диэлектрическая постоянная; q – заряд электрона; µn, µp – поxyдвижность электронов и дырок, соответственно; n, p – концентрация электронов и дыгде:  рок, соответственно; jn, jp– плотность тока электронов и дырок, соответственно;Pn, Pp, ϕn, ϕp – абсолютная термоЭДС, квазипотенциал Ферми электронов и дырок, соответственно; T – температура решетки; ND, NA – концентрация легирующей примеси доноров и акцепторов в транзисторной структуре; ρtrap – заряд обусловленный захватомносителей ловушками; τn, τp – время жизни электронов и дырок, соответственно;ni,eff – внутренняя концентрация носителей; sn, sp – скорость поверхностной рекомбинации электронов и дырок, соответственно; Cn, Cp – Оже коэффициенты; G – скорость генерации; R – скорость рекомбинации.Наряду с диффузионно-дрейфовой моделью в структуру TCAD входят гидродинамическая и термодинамическая модели переноса носителей, которые более точноучитывают физические механизмы переноса носителей заряда в полупроводниковойструктуре, рекомбинационно-генерационные механизмы, рассеивание и захват на ловушках, тепловые эффекты и другие физические механизмы, учитываемые при моделировании гетеропереходных и субмикронных биполярных транзисторов по традиционному маршруту приборно-технологического моделирования (см.

рис. 2.1) [15]. Следуетотметить, что электрофизические параметры, входящие в систему уравнений (2.1)-(2.8),такие как подвижность µn, µp, времена жизни τn, τp, скорости поверхностной рекомбинации sn, sp, темпы рекомбинации и ряд других, менее важных параметров, являются зависимыми от величины воздействующего радиационного фактора (дозы или потока).24Рис. 2.1. Традиционный маршрут приборно-технологического моделированиянеоблученного биполярного транзистораТрадиционный маршрут приборно-технологического моделирования ставит своейцелью оптимизацию или усовершенствование ранее разработанной полупроводниковой,структуры или разработку новой структуры транзистора.

Поэтому он базируется на следующих этапах: 1) воссоздание структуры или разработка новой структуры транзистора,входными данными которой являются топология, геометрия прибора и технологическаякарта процесса изготовления транзистора (с помощью программы Structure Editor и т.п.);2) контроль основных электрофизических параметров, точности сетки и структуры прибора (с помощью программы MESH, TechPlot и т.п.); 3) выбор и подключение нужныхмоделей для учета физических эффектов из стандартного набора системы TCAD (стандартные модели Recombination, Mobility, Radiation и т.п.); 4) проведение виртуальныхизмерений полупроводниковой структуры (с помощью Sentaurus Device); 5) принятиерешения о завершении расчета на основании выбранного критерия многовариантного25анализа полупроводниковой структуры (в качестве критерия могут использоваться коэффициент усиления по току, граничная частота усиления и др.); 6) экстракция схемотехнических параметров полупроводниковой структуры с целью последующего использования при проектировании ИС (фрагментов БИС).К сожалению, модели, учитывающие различные механизмы радиационных воздействий, реализованы в TCAD не полностью (например, только для поглощенной дозыгамма-излучения).

Характеристики

Список файлов диссертации