Диссертация (1137280), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Воздействия интегрального потока нейтронов и протонов для биполярных структур в TCAD пока не учитываются. При этом стоит учитывать, что SiGeГБТ чувствительны к температурным эффектам [4]. Поэтому при разработке математических моделей учета радиационных эффектов в SiGe ГБТ необходимо учитывать такжетемпературные эффекты.В настоящей работе автором для учета влияния поглощенной дозы протонного игамма-излучений и интегрального потока нейтронов с целью прогнозирования деградации электрических характеристик субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ в системе SentaurusSynopsys, было сделано следующее:1) Разработаны и усовершенствованы математические модели, позволяющие прогнозировать деградацию электрофизических параметров и электрических характеристиксубмикронных Si БТ и SiGe ГБТ при воздействии нейтронного и протонного излучения(см.
рис. 2.2).2) Доработаны стандартные модели Sentaurus Synopsys, которые позволяют учитывать накопление заряда на границе раздела Si/SiO2 и прогнозировать деградациюэлектрофизических параметров и электрических характеристик субмикронных Si БТ иSiGe ГБТ при воздействии гамма-излучения (см. рис. 2.2).3) Разработан маршрут моделирования в системе Sentaurus Synopsys структурытранзистора при воздействии различных видов радиации с разными значениями поглощенной дозы и/или интегрального потока (см.
рис. 2.3).4) Разработана процедура корректировки параметров радиационных моделей порезультатам измерений тестовых биполярных Si и SiGe структур.Таким образом, в системе TCAD для учета радиационных эффектов сделано следующее: 1) для нейтронного излучения доработана модель Шокли-Рид-Холла, котораяучитывает изменение времени жизни при облучении нейтронов от действия структурных эффектов; 2) для гамма-излучения уточнена стандартная модель гамма-излучения26путем введения зависимостей для концентрации ловушечного заряда и скорости поверхностной рекомбинации на границе раздела Si/SiO2 от поглощенной дозы.Рис. 2.2.
Новые модели учета влияния радиационных эффектов на электрофизические параметры биполярных транзисторов при воздействии нейтронного, протонного и гамма-излученияВ отличие от традиционного маршрута проектирования для необлученного транзистора, маршрут с учетом радиационных эффектов имеет дополнительные шаги и этапы: 1) добавляются входные данные, а именно вид и уровни радиационного воздействия; 2) выбор и подключение модели учета радиационных эффектов для нужного типа излучения; 3) корректировка и уточнение параметров модели учета радиационныхэффектов; 4) определение набора коэффициентов, аппроксимирующих радиационнозависимые параметры модели; 5) проведение виртуального эксперимента для заданныхзначений поглощенной дозы или интегрального потока; 6) оценка радиационной стойкости прибора.27Рис. 2.3.
Маршрут приборно-технологического моделирования с учетом влияниярадиационных эффектов на электрофизические параметры биполярных транзисторов при воздействии нейтронного, протонного и гамма-излучений2.1.1 Влияние гамма-излучения на характеристикибиполярных транзисторовПри воздействии гамма-излучения на вещество с энергиями не более 10 МэВ возникают три механизма: фотоэлектрическое поглощение квантов излучения, комптоновское рассеяние квантов, образование электрон-позитронных пар [45], [53].Эти три механизма вызывают генерацию электронно-дырочных пар в оксиде SiO2и захват дырок на ловушках вблизи поверхности, а также накопление поверхностныхсостояний на границах раздела Si/ SiO2, что приводит к изменению скорости поверхностной рекомбинации. Заряд, накапливающийся в оксиде SiO2 в результате захвата28дырок, а также заряд поверхностных состояний на границе Si/SiO2, приводят к деградации электрофизических параметров и электрических характеристик биполярных транзисторов: увеличиваются токи утечки и ток базы, вследствие чего уменьшается коэффициент усиления [46], [47].
На рис. 2.4 приведено схематичное сечение SiGe ГБТ, где показаны области, которые наиболее сильно влияют на характеристики при воздействиигамма-излучения [48].Как видно из рис. 2.4 наиболее опасными областями являются части границы раздела Si/SiO2, где на поверхность выходит эмиттерный и коллекторный pn-переход.При оценке радиационной стойкости нужно учитывать структуру исследуемоготранзистора и технологические решения, применяемые для увеличения производительности Si БТ и SiGe ГБТ, так как они могут влиять на его радиационную стойкость к воздействию ионизирующего излучения. Так, например, использование глубокой щелевойизоляции приводит к уменьшению емкости коллекторного перехода [41], но одновременно увеличивает деградацию электрических характеристик при облучении гаммаквантами.Рис.
2.4. Сечение SiGe ГБТ с указанием критичных областей, которые наиболеесильно влияют на характеристики при воздействии гамма-излученияПомимо показанных областей, также влияют области глубокой и мелкой щелевойизоляции. На рис. 2.5 приведено сечение, где показано расположение ловушек в мелкойи глубокой щелевой изоляции.29Рис.
2.5. Сечение SiGe ГБТ, показывающее расположение ловушекв мелкой и глубокой щелевой изоляцииВ работе [49] отмечается, что изменение размеров щелевой изоляции не приводитк существенному изменению деградации электрофизических характеристик при воздействии ионизирующего излучения. Этот факт подтверждают входные характеристикиSiGe ГБТ без и с глубокой щелевой изоляцией, приведенные в работе [49] (см.
рис. 2.6).а)б)Рис. 2.6. Входные характеристики SiGe ГБТ без (а) ис глубокой щелевой изоляцией (б)Таким образом, можно сделать вывод, что для моделирования в системе TCADвлияния гамма-излучения на структуры Si БТ и SiGe ГБТ необходимо учитывать:- накопление положительного заряда в SiO2;- образование ловушек на границе раздела Si/SiO2;- изменение скорости поверхностной рекомбинации на границе раздела Si/SiO2.302.1.2 TCAD модель электрофизических параметров, учитывающая влияниегамма-излучения на характеристики биполярных транзисторовВ Sentaurus Synopsys существует радиационная модель для описания скорости генерации электронно-дырочных пар в SiO2 при воздействии гамма-излучения.
Этот параметр описывается следующим выражением:m E E1 g 0 D ,G EE0 (2.9)где: E-величина электрического поля (В/м), E0, E1, m – коэффициенты, определяющиезависимость от электрического поля, g0 – ионизационная постоянная оксида (рад-1·см-3),D – мощность дозы излучения (рад/с).На рис.
2.7 представлено сравнение экспериментальных и смоделированныхвходных ВАХ для SiGe ГБТ, изготовленного по 0,18 мкм 7HP БиКМОП технологии сβ = 250, fT = 120 ГГц, fmax = 100 ГГц, полученное для радиационных моделей с дозойDγ =10·106 рад учитывающих: 1) только накопление заряда Qox в SiO2 (стандартная модель); 2) накопление заряда Qox в SiO2, накопление заряда Qit на границе раздела Si/SiO2;3) накопление заряда Qox в SiO2, накопление заряда Qit на границе раздела Si/SiO2 и изменение скорости поверхностной рекомбинации S.Рис. 2.7. Сравнение экспериментальных и смоделированных входных ВАХ дляSiGe ГБТ для 3-х радиационных моделей31Из рис.
2.7 видно, что радиационная модель гамма-излучения, поставляемая вместе с дистрибутивом TCAD, недостаточна для моделирования биполярных структур, таккак не учитываются два важных эффекта: 1) образование ловушек на границе разделаSi/SiO2; 2) изменение скорости поверхностной рекомбинации.Поэтому для адекватного моделирования влияния гамма-излучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТ в системе TCAD, наряду с уже имеющимися моделями учетаизменения объемного заряда в SiO2 (Qox), были добавлены физические выражения, описывающие концентрацию ловушек Nit на границе раздела Si/SiO2 в зависимости от поглощенной дозы гамма-излучения Dγ:Nit ( D ) ait Dbit ,(2.10)а также изменение скорости поверхностной рекомбинации S [17]:S ( D ) 1/ 2 vth kB T Nit ( D ) ,(2.11)где: n p ; σn, σp – сечение захвата электрона и дырки ловушкой, соответственно; kB – постоянная Больцмана; T – температура; νth – тепловая скорость электрона; ait, bit– численные коэффициенты.Для определения скорости рекомбинации необходимо задать концентрацию ловушек на границе раздела Si/SiO2 для разных уровней поглощенной дозы.
Из экспериментальных работ [22], [49] для зависимости концентрация ловушек на границе разделаSi/SiO2 от поглощенной дозы до уровней 1·107 рад были определены значения аппроксимирующих параметров ait, bit, выражении (2.10). Стоить отметь, что значения концентрации ловушек отличаются для разных областей структуры прибора, так в области pnперехода, они больше чем в области щелевой изоляции (см. рис. 2.8).Из рис. 2.8 видно, что происходит насыщение концентрации ловушек, как в области щелевой изоляции, так и в области выхода на поверхность pn-перехода. Поэтомускорость поверхность рекомбинации S также будет иметь насыщающийся характер в зависимости от поглощенной дозы Dγ (см. рис.
2.9), что, в конечном счете, приведет куменьшению деградации характеристик биполярного транзистора при больших дозах.32Рис. 2.8. Зависимости концентрации ловушек Nit на границе раздела Si/SiO2 отпоглощенной дозы Dγ в области изоляции, примыкающей к pn-переходу (1) саппроксимирующими параметрами ait = 2·108 рад–1·см–2, bit = 0,61 и в областищелевой изоляции (2) с аппроксимирующими параметрами ait = 1·108 рад–1·см–2,bit = 0,59Рис. 2.9. Зависимость скорости поверхностной рекомбинации Sот поглощенной дозы DγНа рис. 2.10 изображена типичная структура SiGe ГБТ, в которую для учета ионизационных эффектов были добавлены ловушки в области pn-перехода и щелевой изоляции.33Образование протяженных зон на рис.
2.10 по периметру границы Si/SiO2, в которых накапливается заряд на ловушках, приводит к увеличению токов утечки.Разработанная модель, которая учитывает образование положительного заряда вSiO2, накопление ловушек на границе Si/SiO2 в различных областях, а также изменениескорости поверхностной рекомбинации в зависимости от поглощенной дозы, была добавлена в структуру TCAD. Для учета накопление ловушек на границе Si/SiO2 и изменения скорости поверхностной рекомбинации в модель поверхностного темпа рекомбинации Шокли-Рид-Холла (SRHSurface) были добавлены выражения (2.10) и (2.11).Рис. 2.10. 2D распределение концентрации ловушек на границе раздела оксидполупроводник для физической модели, учитывающей гамма воздействие до ипосле облучения с поглощенными дозами 1·106 и 30·106 радПеред запуском проекта для заданных поглощенных доз происходит расчет параметров Nit и S, которые в дальнейшем используются для расчета характеристики биполярного транзистора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
