CN103645430A - 基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应检测方法，该方法构建合理的锗硅异质结双极晶体管器件模型和网格；对构建的锗硅异质结双极晶体管器件模型的半导体器件特性进行仿真；开展锗硅异质结双极晶体管模型关键电学参数校准；在器件模型表面选取典型入射位置，开展单粒子效应物理模型仿真；分析不同位置下各电极电流和电荷收集与时间的关系，及不同位置漏斗势的变化情况，获得锗硅异质结双极晶体管对单粒子效应的敏感位置；在单粒子效应敏感位置附近选取更密集的入射点，开展单粒子效应半导体器件数值仿真，精确定位锗硅异质结双极晶体管单粒子效应敏感区域和大小。该方法具有理论定量分析单粒子损伤效应、缩短考核时间和降低试验成本等优势。

Description

基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应检测方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件单粒子效应检测方法，特别是涉及一种基于三维器件仿真的单粒子效应敏感区域定位技术，属于微电子技术领域、抗辐射加固技术领域。

背景技术

随着微电子技术的不断发展，IC技术和计算机技术的不断进步，电子设计自动化工具已成为半导体器件研发的重要手段。半导体器件制造与加工的模拟技术是以实际制造过程为依据建立响应的数学物理模型，将工艺、器件的物理特性等仿真分析集成一体，取代昂贵费时的工艺实验，获得理想的器件结构，从而为工艺与器件的试制和生成提供有效便捷的方法。

单粒子效应是微电子器件受到空间辐射环境的高能射线粒子，如质子、中子、a粒子或其它重离子的照射，由单个粒子与器件敏感区域相互作用，在器件内部敏感区产生电子-空穴对，使整个器件电路充满过剩载流子。单粒子效应产生的高密度、高电导的等离子体（电子和晶格离子）径迹穿过器件敏感区（结区），使得器件耗尽区的平衡电场发生瞬时畸变，从而导致大量电荷被电极收集，造成器件逻辑状态的非正常改变或器件损坏。这是随着电路特征尺寸减小而出现的一种新型辐射效应。单粒子效应严重影响航天器的可靠性和寿命。

在空间辐射环境下工作的半导体器件单粒子效应对航天系统的可靠性有重要影响。锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)卓越的高频、低噪声，低温运行等特性以及良好的抗总剂量效应和位移损伤的能力使其在航天领域具有良好的应用前景，但对于空间应用的SiGeHBT，单粒子效应是面临的主要威胁。SiGe HBT单粒子效应是单个粒子入射后穿过pn结，产生电子空穴对诱发漏斗电场造成大量电荷收集，从而引起各电极发生瞬态电流，导致相关电路的逻辑状态翻转或器件烧毁的现象。

目前单粒子效应的敏感区域定位技术是基于地面模拟试验的方法实现。例如申请号为200910043425.X名称为现场可编程逻辑门阵列中单粒子翻转的检测方法及装置，以及申请号为200810114876.3名称为空间处理器单粒子实验测试系统及方法，是利用地面重离子加速器开展单粒子效应模拟试验，从而获取单粒子效应的相关数据，实现单粒子效应的评估。基于地面模拟试验开展的单粒子效应依赖于国内重离子源的限制，束流时间无法保证。同时随着器件尺寸进入微米甚至深亚微米，基于地面模拟实验开展的单粒子效应评估工作难以实现微米级束流，从而难以准确定位器件单粒子故障敏感位置，无法定量分析故障的机制机理。基于地面模拟试验的器件单粒子效应敏感区域定位技术具有明显的不足。

半导体器件单粒子效应评估工作急需一种理论的敏感区域定位技术，以降低现行实验考核方法的时间、金钱消耗，同时突破国内地面模拟试验设备的限制。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应检测方法，该方法旨在准确评估锗硅异质结双极晶体管单粒子效应，定位单粒子效应的敏感区域，相比于现行的基于地面模拟试验的单粒子效应检测方法，具有节省时间、经费，不受重离子加速器束流时间限制，便于加固设计改进的优势。

本发明所述的一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应检测方法，按下列步骤进行：

a、设定锗硅异质结双极晶体管器件的实际三维几何结构、区域材料、掺杂参数，构建器件模型和网格；

b、对构建的锗硅异质结双极晶体管器件模型进行半导体器件特性仿真，获取器件的电学特征曲线；

c、开展锗硅异质结双极晶体管器件模型关键电学参数校准，使仿真的器件电学特性与测试的器件电学特性相符合；

d、在器件模型表面选取典型入射位置，开展锗硅异质结双极晶体管单粒子效应物理模型仿真，获取锗硅异质结双极晶体管在单粒子入射下的基极、发射极、集电极、衬底四个掺杂区及硅、锗硅两种材料中的电势变化，以及基极、发射极、集电极和衬底四个电极电流和电荷收集随时间的变化；

e、通过分析不同位置下各电极电流和电荷收集与时间的关系，以及不同位置漏斗势的变化，得出锗硅异质结双极晶体管对单粒子效应的敏感位置；

f、在单粒子效应敏感位置附近选取更密集的入射点，重复步骤d和步骤e开展单粒子效应半导体器件数值仿真，精确定位单粒子效应敏感区域和大小，实现锗硅异质结双极晶体管单粒子效应特性检测。

步骤a所述设定掺杂参数应在锗硅的基区和pn结区处编辑详细的掺杂文件，嵌入输入文件中。

步骤a所述构建网格应在锗硅异质结双极晶体管有源区和重离子入射径迹附近建立较密集的网格，其余部分建立较少网格。

步骤c所述关键电学参数包括双极晶体管Gummel特性曲线和输出特性曲线。

步骤c所述关键电学参数校准采用仿真器件电学特性与测试器件电学特性相对比的方法进行校准。

步骤d所述典型入射位置是采用重离子在器件中穿过基极、发射极、集电极、衬底四个掺杂区，获取硅或锗硅两种材料。

步骤e所述根据各电极电流和电荷收集与时间的关系判定锗硅异质结双极晶体管对单粒子效应的敏感区域。

本发明所述的一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应检测方法，该方法包括以下步骤：

设定锗硅异质结双极晶体管器件的实际三维几何结构、区域材料、掺杂参数，构建合理的器件模型和网格；

嵌入所需的物理模型和数值方法，进行半导体器件特性数值仿真，求解泊松方程、载流子连续方程、以及波尔兹曼输运方程方程，获取器件的电学特征曲线；

所述泊松方程、载流子连续方程、以及波尔兹曼输运方程如下所示：

其中：J是指电流密度；E是指电场密度；n是电子密度；p是空穴密度；q为电子电量；μ是载流子的迁移率；D是载流子的扩散系数；ρ_s是表面电荷密度；

开展锗硅异质结双极晶体管器件模型关键电学参数校准，使仿真的器件电学特性与测试的器件电学特性相符合；所述关键电学参数包括双极晶体管Gummel特性曲线和输出特性曲线。

在锗硅异质结双极晶体管器件模型表面选取典型入射位置，开展单粒子效应仿真模拟，获取锗硅异质结双极晶体管在单粒子入射下不同时刻的内部电势变化情况，以及电流和电荷收集随时间的变化情况。

通过分析不同位置下各电极电流和电荷收集与时间的关系，以及不同位置漏斗势的变化情况，得出锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）对单粒子效应的敏感位置。

在单粒子效应敏感位置附近选取更密集的入射点，重复在锗硅异质结双极晶体管器件模型表面选取典型入射位置，开展单粒子效应仿真模拟，获取锗硅异质结双极晶体管在单粒子入射下不同时刻的内部电势变化情况，以及电流和电荷收集随时间的变化情况，通过分析不同位置下各电极电流和电荷收集与时间的关系，以及不同位置漏斗势的变化情况，得出锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）对单粒子效应的敏感位置，开展单粒子效应仿真模拟，精确定位单粒子效应敏感区域和大小，实现SiGe HBT单粒子效应特性检测。

本发明所述一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应检测方法与现有技术相比其优点为：

1、本发明提出了基于三维器件仿真的锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）单粒子效应敏感区域定位技术，可以实现锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）器件结构和掺杂分布与单粒子效应敏感性的关系，可以在设计阶段就实现单粒子效应性能的验证。

2、本发明提出了通过仿真实现锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）单粒子效应敏感区域定位技术，解决了基于地面模拟试验的单粒子效应敏感区域定位技术中重离子束流时间紧张，及实现微米级束流复杂的问题，弥补了地面模拟试验中粒子LET值不足够高的缺点，节省了试验经费和时间。

3、本发明采用三维半导体器件仿真工具，相比于传统的二维器件仿真和准三维器件仿真，可以更准确的构建器件结构模型，更精确的模拟半导体器件内部的载流子输运情况，从而得到更符合实际的器件单粒子效应损伤结果。

4、本发明提出了关键电学特性校准的方法，采用模拟电学特性与实验测量的电学特性对比的方法，回避了常规器件模型复杂的模型校准问题，保证了单粒子效应器件模型校准的效率和准确度。

5、本发明提出了在锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）器件仿真模型上选取典型入射位置的方法，根据离子在SiGe HBT中径迹穿过不同的结构和材料选取入射位置，提高了单粒子效应数值仿真的效率，同时保证了仿真结果的准确性。

附图说明

图1为本发明基于三维器件仿真的SiGe HBT单粒子效应评估方法流程图；

图2为本发明中建立的SiGe HBT器件内部结构二维刨面示意图；

图3为本发明半导体器件模型校准基本流程图；

图4为本发明SiGe HBT仿真Gummel特性与测试Gummel特性对比图，其中-█-I_b实验结果，-●-I_c实验结果，-□-I_b仿真结果，-○-I_c仿真结果；

图5为本发明SiGe HBT仿真输出特性与测试输出特性对比图,其中(a)仿真计算的输出特性曲线；(b)测试获得的输出特性曲线，-★-V_be=0.9V，-▼-V_be=0.8V，-▲-V_be=0.7V，-●-V_be=0.6V，-█-V_be=0.5V；

图6为本发明SiGe HBT单粒子效应仿真中选取的典型入射位置示意图；

图7为本发明不同离子入射位置下典型的各电极电流和电荷收集与时间的关系，其中(a)(b)为离子从器件中心处入射，(c)(d)为离子从外延基区处入射，-█-基极，-●-集电极，-▲-发射极，-★-衬底；

图8为本发明各电极电荷收集量与不同离子入射位置的关系图，其中(a)为基极，(b)为集电极，(c)为衬底。

具体实施方式

实施例

本发明提供了一种基于三维器件仿真的锗硅异质结双极晶体管SiGe HBT单粒子效应敏感区域检测技术，实现了单粒子效应理论评估；

图1是基于三维器件仿真的SiGe HBT单粒子效应敏感区域检测技术流程图；

步骤a采用三维仿真软件特定的编辑语言实现锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）的实际三维几何结构、区域材料、掺杂分布，构建合理的网格和完整的器件模型，器件结构的各项参数使用软件编辑语言编辑入仿真输入文件中；为了有效精确的仿真器件单粒子效应，建立合理的网格非常重要，网格数量较少会影响仿真的精确性，网格过多会耗费大量时间，在器件有源区和重离子入射径迹附近建立较密集的网格，其余部分建立较少网格，建立的SiGe HBT模型关键区域的掺杂分布以两种方式实现，第一种方式为在输入文件的掺杂语句中将发射区、集电区和衬底的掺杂分布编辑设定为固定浓度高斯分布，其中衬底浅掺杂，环状结构的衬底接触引出处重掺杂会影响器件单粒子效应敏感性；第二种方式为编写y轴位置和掺杂浓度关系的掺杂文件，嵌入输入文件中，用以定义基区和结区处的掺杂分布，因为较薄基区和pn结处对单粒子效应影响较大，需要精细定义掺杂分布；

图2是本发明建立的包含区域材料、几何结构和掺杂分布的SiGe HBT二维剖面示意图；

几何结构和结区掺杂分布是影响器件性能和单粒子效应中电荷收集的重要因素，建立的SiGe HBT模型的关键结构包括厚度薄（0.08μm）且掺杂高（1e¹⁹cm^-3）的组分渐变的SiGe基区，这种异质结结构提升了双极晶体管的电流增益、Early电压和频率特性；基区外部集电极内的浅槽隔离(STI)氧化层，在单粒子效应中会起到阻隔扩散载流子的作用；多晶硅发射区；接近器件边缘处的重掺p型环状隔离墙引出衬底接触；

步骤b对半导体器件特性进行了仿真，获取步骤a所建器件模型的电学特征曲线,半导体器件仿真中的基本输运模型为泊松方程、载流子连续方程、以及波尔兹曼输运方程，如下所示：

在该方程中J和E是指电流和电场密度，n和p是电子、空穴密度。另外q为电子电量，μ和D分别是载流子的迁移率和扩散系数，ρ_s是表面电荷密度；

仿真模型中物理模型选择了philips统一迁移率模型、SRH复合模型、Auger复合模型、速率饱和模型和禁带变窄模型；philips统一迁移率模型可精确模拟双极器件中多子和少子的迁移率；SRH复合模型和Auger复合模型可以很好模拟高电场下电子和空穴浓度较高的情况；

步骤c开展锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）模型关键电学参数校准，使仿真的器件电学特性与测试的器件电学特性相符合；所述关键电学参数包括双极晶体管Gummel特性曲线和输出特性曲线；图3所示为仿真模型校准的示意图；

采用的锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT），其最卓越的电学特性在于可以同时满足增益大和Early电压高的要求，因而本发明主要考察的电学特性曲线为Gummel特性曲线和输出特性曲线，电学参数校准是指调整模型的结构参数和掺杂参数，使得模型的特性曲线与测试曲线一致；调整基区掺杂分布、集电区掺杂以及发射区面积实现电学特性曲线的校准，图4展示的是锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）Gummel特性曲线，用于表征晶体管电流增益特性；图5展示的是锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）输出特性曲线，用于表征晶体管Early电压特性；如图所示，仿真得到的电学特性曲线和测试得到的电学特性曲线符合的较好。

步骤d在器件模型表面选取典型的入射位置，开展锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）单粒子效应数值仿真，获取每个入射位置下各电极脉冲电流和电荷收集随时间的变化关系；

图6展示了本发明中单粒子效应仿真中选取的典型入射位置示意图；根据离子在器件中穿过不同区域、不同材料和不同结选取离子入射位置的方法；离子在不同材料中穿透能力不同，不同结构会促进或阻碍电荷收集，载流子在不同掺杂浓度的材料中复合能力不同，相似离子径迹引发的单粒子效应相近，因此在建立单粒子效应模型时无需费时的逐点入射离子，只需根据离子径迹在器件中穿过的不同结构，在锗硅异质结双极晶体管（SiGeHBT）器件模型表面固定z轴位置不变，沿x轴方向选取具有代表性的入射点进行单粒子仿真；利用这种方法，通过不同典型位置下器件各电极电流和电荷收集的变化情况，可以高效的定位器件对单粒子效应的敏感位置；

步骤e通过分析不同位置下各电极电流和电荷收集与时间的关系，以及不同位置漏斗势的变化情况，得出锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）对单粒子效应的敏感位置；

图7展示了本发明建立的单粒子效应模型在典型离子入射位置下各电极电流和电荷收集随时间变化的关系；当某一位置入射的离子引起电子空穴对，造成某一电极的电荷收集，这个电极的电流会出现一个瞬态的大电流脉冲，此电极最终收集的电荷也较多，结合器件结构，通过分析不同离子入射位置下，各电极的瞬态脉冲电流的大小，以及最终电荷收集量的多少，定位锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）对单粒子效应的敏感位置；

步骤f在已获取的锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）单粒子效应敏感位置附近选取更密集的入射点，重复步骤d在器件模型表面选取典型的入射位置，开展锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）单粒子效应数值仿真，获取每个入射位置下各电极脉冲电流和电荷收集随时间的变化关系和步骤e通过分析不同位置下各电极电流和电荷收集与时间的关系，以及不同位置漏斗势的变化情况，得出锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）对单粒子效应的敏感位置开展单粒子效应半导体器件数值仿真，精确定位单粒子效应敏感区域和大小，实现锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）单粒子效应特性评估；图8展示了电荷收集量与离子入射位置的关系，在获得器件理论的敏感区域后，对敏感区域内的未验证点进行单粒子效应仿真，获取电荷收集量与入射位置的关系，从而准确定位锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）单粒子效应的敏感区域和大小。

Claims (7)

1.一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应检测方法，其特征在于按下列步骤进行：

a、设定锗硅异质结双极晶体管器件的实际三维几何结构、区域材料、掺杂参数，构建器件模型和网格；

b、 对构建的锗硅异质结双极晶体管器件模型进行半导体器件特性仿真，获取器件的电学特征曲线；

c、开展锗硅异质结双极晶体管器件模型关键电学参数校准，使仿真的器件电学特性与测试的器件电学特性相符合；

d、在器件模型表面选取典型入射位置，开展锗硅异质结双极晶体管单粒子效应物理模型仿真，获取锗硅异质结双极晶体管在单粒子入射下的基极、发射极、集电极、衬底四个掺杂区及硅、锗硅两种材料中的电势变化，以及基极、发射极、集电极和衬底四个电极电流和电荷收集随时间的变化；

e、通过分析不同位置下各电极电流和电荷收集与时间的关系，以及不同位置漏斗势的变化，得出锗硅异质结双极晶体管对单粒子效应的敏感位置；

f、在单粒子效应敏感位置附近选取更密集的入射点，重复步骤d和步骤e开展单粒子效应半导体器件数值仿真，精确定位单粒子效应敏感区域和大小，实现锗硅异质结双极晶体管单粒子效应特性检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a所述设定掺杂参数应在锗硅的基区和pn结区处编辑详细的掺杂文件，嵌入输入文件中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a所述构建网格应在锗硅异质结双极晶体管有源区和重离子入射径迹附近建立较密集的网格，其余部分建立较少网格。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c所述关键电学参数包括双极晶体管Gummel特性曲线和输出特性曲线。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c所述关键电学参数校准采用仿真器件电学特性与测试器件电学特性相对比的方法进行校准。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤d所述典型入射位置是采用重离子在器件中穿过基极、发射极、集电极、衬底四个掺杂区，获取硅或锗硅两种材料。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤e所述根据各电极电流和电荷收集与时间的关系判定锗硅异质结双极晶体管对单粒子效应的敏感区域。

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