Диссертация (1137280), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Коэффициенты аппроксимации параметров Nit и S определяются в34файле параметров модели поверхностной рекомбинации, что позволяет адаптироватьмодель для любой структуры. Параметр Qox рассчитывается с использованием встроенных физических моделей при расчете структуры в переходном режиме (Transient).С использованием разработанной радиационной модели проведено приборнотехнологическое моделирование различных Si и SiGe биполярных структур.

Далее приведен пример использования радиационной модели для SiGe ГБТ, изготовленного по0,13 мкм технологии SiGe БиКМОП 8WL с β = 250, fT = 100 ГГц, fmax = 200 ГГц [57].Результаты экспериментальных исследований были получены из работы [41].На рис. 2.11 приведены характеристика Гуммеля до и после воздействия гаммаизлучения с поглощенными дозами 1·106, 6·106, 30·106 рад.Рис. 2.11. Характеристика Гуммеля SiGe ГБТ до и после облучения гаммаквантами с поглощенными дозами 1·106, 6·106, 30·106 радНа рис. 2.12 – 2.14 представлены 2D и 1D распределения скорости рекомбинацииносителей заряда и объемного заряда, что позволяет оценить влияние накопления зарядавдоль мелкой щелевой изоляции, а также оценить изменение скорости рекомбинации вструктуре прибора с целью определения наиболее критичных областей, в которых необходимо минимизировать ионизационные эффекты.35В результате накопления на границе Si/SiO2 заряда происходит перераспределение носителей заряда к границе раздела Si/SiO2 (см.

рис. 2.14) из-за чего происходитувеличении рекомбинации (см. рис. 2.12 – 2.13), что негативно сказывается на работетранзистора. Уменьшения влияния этих эффектов приведет к повышению радиационнойстойкости такой структуры.Рис. 2.12. 2D распределение скорости рекомбинации носителей в структуре SiGeГБТ до и после гамма-облучения с суммарной поглощенной дозой 1·106 и 30·106 радРис. 2.13.

1D распределение скорости рекомбинации носителей в коллекторнойобласти с Y= 0,05 мкм36Рис. 2.14. 2D распределение объемного заряда в структуре SiGe ГБТ до и послегамма-облучения с суммарной поглощенной дозой 1·106 и 30·106 радДля более точного приборно-технологического моделированиянеобходимоуточнять и корректировать коэффициенты моделей по экспериментальным исследованиям для конкретной технологии биполярной транзисторной структуры.

Так, например,для моделирования Si БТ необходимо использовать калибровочные значения для моделей времени жизни и подвижности [51].Таким образом, в части учета влияния гамма-облучения на электрофизические иэлектрические характеристики Si и SiGe транзисторов автором решены следующие задачи:разработана и встроена в TCAD модель, в физическом виде учитывающая гене-рацию ловушек Nit на границах Si/SiO2 и увеличение скорости поверхностной рекомбинации S в структуре БТ при воздействии гамма-излучения на Si БТ и SiGe ГБТ;37погрешность расчета с помощью разработанной модели статических ВАХ и ча-стотных характеристик современных Si БТ и SiGe ГБТ с субмикронными размерами составляет 10-20% в практически важном диапазоне доз гамма-облучения.модель встроена всистему приборно-технологическогомоделированияSentaurus Synopsys, что позволяет рассчитывать полупроводниковые приборы с учетомвоздействия гамма-излучения;модель использовалась для исследования и прогнозирования деградации элек-трофизических и электрических характеристик Si и SiGe биполярных структур, изготовленных по современным технологиям.2.2 TCAD модель электрофизических параметров, учитывающая влияниенейтронного излучения в структурах Si БТ и SiGe ГБТВзаимодействие потока нейтронов с веществом происходит посредством трех механизмов: упругое рассеяние на атомах, неупругое рассеяние на ядрах атомов, поглощение ядрами вещества.В результате при нейтронном облучении создается в локальных областях большоеколичество вакансий - вакансионные “ядра”.

Междоузельные атомы уходят из этих областей практически мгновенно на большие расстояния. При этом концентрация вакансий существенно выше концентрации примеси, что приведет к взаимодействию вакансии между собой, образуя дивакансии в малом объеме – дивакансионный объем. Концентрация дефектов за пределами ядра существенно меньше, поэтому более вероятныпроцессы взаимодействия вакансий и примесных атомов с образованием соответствующих комплексов [3].Часть междоузельных атомов кремния при своем движении из области каскадатакже может взаимодействовать с чужеродными атомами, находящимися в узлах, вытесняя их в междоузлия и занимая их место.

Вытесненные атомы примеси могут образовывать комплексы дефектов с оставшимися в узлах атомами примеси. Таким образом,дивакансионное ядро будет окружено как бы оболочкой из рассмотренных ранее комплексов (см. рис. 2.15).38Рис. 2.15.

Модель кластераРассмотренные радиационные дефекты (точечные дефекты и разупорядоченныеобласти) являются эффективными центрами удаления носителей, центрами рекомбинации и центрами рассеяния.Поэтому в результате образования разупорядоченных областей происходит изменение подвижности свободных носителей заряда, концентрации основных носителей заряда и времени жизни неравновесных носителей заряда [45], [53].

Уменьшение подвижности свободных носителей заряда является эффектом третьего порядка малости и впрактически интересующих случаях этой зависимостью можно пренебречь. Изменениеэффективной концентрации легирующей примеси с облучением можно считать эффектом второго порядка малости на фоне изменения времени жизни, и его следует учитывать лишь при достаточно низком уровне легирования [52] (см. рис. 2.16), что не характерно для рассматриваемых в диссертационной работе типов транзисторов. Таким образом, наиболее чувствительным параметром при облучении нейтронами является времяжизни неравновесных носителей заряда [53].Изменение времени жизни неравновесных носителей заряда при облучениинейтронами описывается выражением:11= +Ф  K τ ,τФ τ 0(2.12)где: τΦ - время жизни после облучения, τ0 - время жизни до облучения, Φ - флюенснейтронов, Kτ,- коэффициент радиационного изменения времени жизни.39Рис.

2.16. Зависимость концентрации носителей зарядаот интегрального потока нейтроновОсновной проблемой модели учета радиационных эффектов в TCAD для прогнозирования радиационной стойкости биполярных структур при воздействии нейтронногоизлучения является выбор параметра Kτ. В большинстве работ Kτ определяется из эмпирических выражений Грегори [54]. В этой работе эмпирическим путем были определенны величины 1 / Kτ при разном уровне инжекции после облучения нейтронами с энергией Eн = 1,4 МэВ для кремниевых образов (солнечных батарей) с различной степенью легирования и типа примеси. На основании полученных данных, авторами работы былапредложена эмпирические зависимости 1/Kτ от нейтронного облучения кремния отуровня инжекции, которые определяемая следующими выражениями:для n-Si:1  нс 46  p 2  = 4  10 + 5,76  10   Kτ  см n0,534;(2.13)для p-Si:1  нс 56 n 2  = 2,5  10 + 5,55  10   Kτ  см  p0,395,(2.14)где: n, p – концентрация свободных носителей заряда.При этом в ряде работ [54], [55], [56] наблюдается существенное несовпадение сэкспериментальными значениями при разных степенях легирования, в особенности для40материала с P – типом проводимости.

Однако в экспериментальных исследованиях [54]и [55] отсутствуют данные по величинам Kτ для высокоомного материала при низкомуровне инжекции, а также для низкоомного материала при высоком уровне инжекции.Такие исследования были проведены в работе [56], где также показано, что величина Kτ при нейтронном облучении зависит от степени легирования материала, и не зависит от содержания кислорода (см. рис. 2.17).Рис.

2.17. Зависимость величины Kτ от удельного сопротивления кремния, принизком уровне инжекцииПоэтому основным недостатком модели Грегори является отсутствие зависимостиKτ от концентрации легирующей примеси.41Авторами работы [56] предложены уточняющие выражения, которые также основываются на анализе совокупности экспериментальных результатов, но учитывают нетолько влияние уровня инжекции, но и реальную концентрацию основных носителейзаряда облучаемого материала:для n-типа:20,5 n N    d  n K  a  b  ln неосн i   c  ln осн   ln  1 ; n i       nосн (2.15)для p-типа:2 ni N   n ,K  a  f  ln осн   ln неосн m    nосн (2.16)где: Nосн – концентрация легирующей примеси; ni-собственная концентрация носителейзаряда, nосн, nнеосн – концентрация основных и неосновных носителей заряда.Зависимости Kτ от уровня инжекции приведены на рис.

2.18, 2.19 для N – кремнияи рис. 2.20 для P – кремния вместе с экспериментальными данными для широкого диапазона концентраций основных носителей.Рис. 2.18. Зависимость коэффициента Kτ от уровня инжекции в N – кремнии:1, 2 – расчет по формуле (2.15) с Nосн = 5,0·1014, 1,0·1016 см–3 , соответственно;3, 4 – экспериментальные точки для Nосн ≈ 5,0·1014, 0,85·1016 см–3, соответственно42Рис. 2.19. Зависимость коэффициента Kτ от уровня инжекции в N – кремнии:1, 2, 3 – расчет по формуле (2.15) с Nосн = 5,0·1013, 1,0·1016, 1,0·1017 см–3,соответственно; 4, 5, 6, 7, 8 – экспериментальные точки для Nосн = 4,22·1013, 5,5·1013,0,85·1016, 1,86·1016, 2,58·1016 см–3, соответственноРис.

2.20. Зависимость коэффициента Kτ от уровня инжекции в P – кремнии: 1, 2,3 – расчет по формуле (2.16) с Nосн = 1,0·1014, 1,0·1016, 1,0·1017 см–3, соответственно;4, 5, 6, 7 – экспериментальные точки для Nосн = 1,08·1014, 2,57·1014, 1,65·1015,9,73·1015 см–3, соответственно43В связи с тем, что в современных СВЧ Si и SiGe транзисторах активная база достаточно сильно легирована (10171019 см–3), то для моделирования нейтронного излу-чения была выбрана улучшенная модель, в которой введена зависимость Kτ от концентрации легирующей примеси [56].Для моделирования электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТ с учетом влияния нейтронного излучения в исходный код модели рекомбинации Шокли-Рид-Холла вTCAD с использованием программного физического интерфейса (physical modelinterface — PMI) в выражения для расчета времени жизни носителей заряда были добавлены следующие модели: 1) улучшенная модель с выражениями (2.12), (2.15) – (2.16);2) модель Грегори с выражениями (2.12), (2.13)-(2.14).

Наряду с радиационными эффектами разработанная модель “SRH (pmi_lifetime)” учитывает зависимость времени жизниот концентрации легирующей примеси и температуры, что позволяет проводить моделирование с учетом различных температурных эффектов, что важно для SiGe ГБТ. Однако стоить отметить, что моделирование SiGe ГБТ при повышенных температурахограничивается определением зависимости Kτ от температуры, которая в настоящеевремя не известна.Радиационная модель должна учитывать уровень инжекции и тип проводимостиматерила, которые зависят от его режима работы и структуры прибора. Алгоритм работы модели учета радиационных эффектов при воздействии нейтронного излучения приведен на рис.

Характеристики

Список файлов диссертации