CN104133974A - 基于仿真的锗硅异质结双极晶体管抗单粒子效应加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管抗单粒子效应加固方法，该方法构建三维损伤模型，校准模型的关键电学参数，通过设计的抗辐射加固方法，延伸器件集电极-衬底结，引入伪集电极，利用SRIM软件模拟单个离子入射器件，获取线性能量传输值随器件深度的变化，编写线性能量传输值文件并嵌入器件模型，选取离子的典型入射位置，分别开展加固与未加固器件模型的单粒子效应仿真，将加固前器件模型作为参照，与加固后器件模型的单粒子响应进行对比，验证锗硅异质结双极晶体管单粒子效应的抗辐射加固效果。该方法解决了地面模拟试验成本较高、机时紧张的问题；有效提高了锗硅异质结双极晶体管的抗单粒子效应能力，同时弥补了工艺实验费用昂贵、周期较长的不足。

Description

基于仿真的锗硅异质结双极晶体管抗单粒子效应加固方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件抗单粒子效应加固方法，特别是涉及一种基于仿真的抗单粒子效应加固方法，属于微电子技术领域、抗辐射加固技术领域。

背景技术

半导体工艺和器件仿真工具(TCAD)是通过计算机模拟技术对半导体工艺条件和器件版图结构进行模拟的有效手段。随着半导体器件辐射效应研究的不断发展，将器件仿真工具与粒子输运模拟计算相结合的计算机仿真方法，解决了地面模拟试验成本较高、机时紧张的问题，同时可以弥补工艺实验费用昂贵以及周期较长的不足。

单粒子效应(SEE)是微电子器件和电路受到空间辐射环境中的高能射线粒子，如质子、中子、α粒子或其它重离子的辐照，由单个粒子与器件敏感区域相互作用而引起的辐射损伤效应。带电粒子与半导体材料的分子或者原子发生碰撞，形成电荷密度很高的电子-空穴对，这些电荷被灵敏器件的电极收集后，会造成器件逻辑状态非正常改变或器件损坏。空间辐射环境中的带电粒子会导致航天器电子系统中的半导体器件发生单粒子效应，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器系统的可靠性有重要影响。由于硅基能带工程的材料和器件结构的优势，锗硅异质结双极晶体管天然具有卓越的低温特性，对电离辐射总剂量效应和位移损伤效应具有较强的抗辐射能力。随着器件特征尺寸的越来越小，新的工艺和结构的不断更新换代，锗硅异质结双极晶体管表现出很低的线性能量传输值(LET)阈值和较大的错误饱和界面，使得单粒子效应成为影响锗硅异质结双极晶体管空间辐射环境可靠性的关键因素。

目前锗硅异质结双极晶体管单粒子效应抗辐射加固技术主要通过改变器件制造工艺实现，称为工艺加固(RHBP)，如背结加固和SOI技术。这些加固技术往往需要改变工艺流程，生产试制成本高，设计加固周期长。另一类是不改变制造工艺，仅在器件的版图布局上进行改善，称为设计加固(RHBD)，这种加固方法立足现有工艺，可以充分利用工艺进步带来的许多优点，已经逐渐成为主流的半导体抗辐射加固技术。

锗硅异质结双极晶体管单粒子效应抗辐射加固技术急需一种基于仿真的通过改变器件版图布局实现抗辐射的加固方法，以缩短设计加固周期，降低昂贵的加固设计成本。

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抗单粒子效应加固方法，该方法构建三维损伤模型，校准模型的关键电学参数，通过设计的抗辐射加固方法，延伸器件集电极-衬底结，引入伪集电极，利用SRIM软件模拟单个离子入射器件，获取线性能量传输值随器件深度的变化，编写线性能量传输值文件并嵌入器件模型，选取离子的不同入射位置，分别开展加固与未加固器件模型的单粒子效应仿真，将加固前器件模型作为参照，与加固后器件模型的单粒子响应进行对比，验证锗硅异质结双极晶体管单粒子效应的抗辐射加固效果。该方法旨在降低锗硅异质结双极晶体管在单粒子效应响应中各电极瞬态电流和电荷收集总量，缩小单粒子效应的敏感区域，相比于现行的改变器件工艺的加固方法，具有节省时间、经费，便于改进加固设计的优势。

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抗辐射加固方法，按下列步骤进行：

一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管抗单粒子效应抗辐射加固方法，其特征在于：按下列步骤进行：

a、构建锗硅异质结双极晶体管单粒子效应三维损伤器件模型；

b、将步骤a建立的锗硅异质结双极晶体管器件模型进行半导体特征数值计算，校准其关键电学参数；

c、将步骤b建立的锗硅异质结双极晶体管器件模型进行单粒子效应的抗辐射设计加固，延伸锗硅异质结双极晶体管集电极-衬底结的版图布局，N+埋层引入伪集电极并与集电极-衬底结互连；

d、将步骤c经过加固的锗硅异质结双极晶体管器件模型，利用SRIM软件模拟单个离子入射，获取线性能量传输值随器件深度的变化，编写线性能量传输值文件并嵌入锗硅异质结双极晶体管器件模型；

e、将步骤d得到的锗硅异质结双极晶体管器件模型选取离子的不同入射位置，分别开展加固与未加固锗硅异质结双极晶体管器件模型单粒子效应仿真，获取各电极电流和电荷收集随时间的变化；

f、将步骤e得到的加固与未加固锗硅异质结双极晶体管器件模型各电极电流和电荷收集随时间的变化进行对比，分析伪集电极对电荷收集机制的影响，验证锗硅异质结双极晶体管的单粒子效应抗辐射加固效果。

步骤a所述的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应三维损伤器件模型按照实际器件的材料，几何结构，掺杂参数建立，其中材料包括建立锗硅异质结双极晶体管单粒子效应三维损伤器件模型时设置的单晶硅、二氧化硅、硅、锗硅；几何结构包括发射区，基区，集电区，衬底，引出电极各区域的分布；掺杂参数包括发射区，基区，集电区，衬底，引出电极的掺杂浓度。

步骤b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c所述锗硅异质结双极晶体管器件模型单粒子效应抗辐射加固方法通过三维建模编辑语言在器件的版图布局上进行加固。

步骤d所述利用SRIM软件模拟单个离子入射锗硅异质结双极晶体管器件模型，获取线性能量传输值随器件深度的变化，并将线性能量传输值随器件深度的变化嵌入锗硅异质结双极晶体管器件模型。

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抗辐射加固方法与现有加固技术相比其优点为：

(1)、本发明提出的基于仿真的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应抗辐射加固技术避免了地面模拟单粒子试验技术中重离子束流机时紧张，实验经费昂贵的问题。

(2)、本发明根据国产锗硅异质结双极晶体管的材料结构、几何结构、掺杂等参数构建合理的单粒子效应三维损伤模型，保证了建模的准确性，提供了更真实的模拟环境，从而得到更符合实际的器件单粒子效应损伤。

(3)、本发明利用半导体器件仿真工具与粒子输运模拟计算相结合的混合模拟仿真方法，模拟粒子输运得到随器件深度变化的一系列线性能量传输值(LET)值，编写线性能量传输值(LET)文件嵌入器件三维物理模型，实现不同种类、不同能量的离子入射锗硅异质结双极晶体管三维物理模型，弥补了地面模拟试验中离子种类有限和线性能量传输值(LET)不够高的缺点，节省了试验经费和时间。

(4)、本发明提出的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应抗辐射加固方法仅在器件的版图布局上进行改善，不改变工艺流程，也不会产生面积损失，因为按照设计规则，器件之间有几个微米大的间隔可以用来引入伪集电极。这种加固方法不仅试制成本低，设计加固周期短，还有效提高了锗硅异质结双极晶体管抗单粒子效应的能力。

附图说明

图1为本发明技术流程图；

图2(A)为本发明内部结构二维示意图,为X-Y平面二维示意图，其中(1)为发射极，(2)为基极，(3)为集电极，(4)为衬底电极，(5)为衬底，(6)为集电极-衬底结，(7)为浅槽隔离区；

图2(B)为本发明内部结构二维示意图,为X-Z平面二维示意图，其中(1)为发射极，(2)为基极，(3)为集电极，(4)为重掺P型隔离墙，(5)为衬底电极，(6)为集电极-衬底结，(7)为浅槽隔离区；

图3(A)为本发明关键电学参数校准图，为器件仿真Gummel特性与测试Gummel特性对比,其中(1)为实验测得集电极电流，(2)为仿真集电极电流，(3)为实验测得基极电流，(4)为仿真基极电流；

图3(B)和图3(C)为本发明关键电学参数校准图，为器件仿真输出特性与测试输出特性对比，其中(1)为Vbe＝0.9V，(2)为Vbe＝0.8V，(3)为Vbe＝0.7V，(4)为Vbe＝0.6V，(5)为Vbe＝0.5V；

图4(A)为本发明经过加固的锗硅异质结双极晶体管器件模型内部结构二维示意图,为X-Y平面二维示意图，其中(1)为发射极，(2)为基极，(3)为集电极，(4)为衬底电极，(5)为衬底，(6)为集电极-衬底结，(7)为浅槽隔离区，(8)为伪集电极，(9)为伪集电极-衬底结；

图4(B)为本发明经过加固的锗硅异质结双极晶体管器件模型内部结构二维示意图,为X-Z平面二维示意图，其中(1)为发射极，(2)为基极，(3)为集电极，(4)为重掺P型隔离墙，(5)为衬底电极，(6)为集电极-衬底结，(7)为浅槽隔离区，(8)为伪集电极-衬底结，(9)为伪集电极；

图5为本发明嵌入器件模型不同种类、能量离子线性能量传输值随器件深度的变化，其中(1)为能量1989MeV的Bi离子，(2)为能量800MeV的Xe离子，(3)为能量1500MeV的Xe离子，(4)为能量800MeV的Kr离子，(5)为能量2100MeV的Kr离子，(6)为能量200MeV的Cl离子，(7)为能量145MeV的Si离子，(8)为能量88MeV的C离子；

图6(A)为本发明选取不同的离子入射位置，分别对加固前后锗硅异质结双极晶体管开展单粒子效应物理模型仿真，为加固前选取的典型离子入射位置；

图6(B)为本发明选取不同的离子入射位置，为加固后选取的典型离子入射位置，其中(1)为离子从器件发射极中心处入射，(2)为离子从CS结边缘处入射，(3)为离子从CS结外入射；

图7为本发明离子在器件发射极中心位置入射时各电极电流随时间的变化关系，(A)为加固前，(B)为加固后，其中(1)为集电极，(2)为发射极，(3)为基极，(4)为衬底；

图8为本发明离子在不同位置入射集电极电流随时间的变化关系图，其中(1)为离子在加固前器件发射极中心处入射，(2)为离子在加固前器件集电极-衬底(CS)结外入射，(3)为离子在加固前器件集电极-衬底(CS)结内边缘处入射，(4)为离子在加固后器件发射极中心处入射,(5)为离子在加固后器件集电极-衬底(CS)结外入射，(6)为离子在加固后器件集电极-衬底(CS)结内边缘处入射；

图9为本发明离子在不同位置入射伪集电极电荷收集量随时间的变化关系，其中(1)为离子在器件发射极中心处入射，(2)为离子在器件集电极-衬底(CS)结内边缘处入射，(3)为离子在器件集电极-衬底(CS)结外入射；

图10为本发明沿器件表面密集入射，加固前后集电极电荷收集量随入射位置的变化，其中(1)为加固前，(2)为加固后；

具体实施方式

以下结合附图进一步说明：

实施例

a、构建锗硅异质结双极晶体管单粒子效应三维损伤器件模型，选择锗硅异质结双极晶体管(清华大学研制)的内部几何结构、区域材料、掺杂分布，构建合理的网格和完整的器件模型，使用三维建模编辑语言编写器件结构的各项参数，其中发射区材料为多晶硅，三维结构尺寸为X1＝-0.2、X2＝0.2、Y1＝-0.17、Y2＝0.17、Z1＝15、Z2＝21,掺杂浓度达到5e19cm-3；基极材料为组分渐变的SiGe，三维结构尺寸为X1＝-0.8、X2＝0.8、Y1＝-0.08、Y2＝0.0、Z1＝12、Z2＝24,掺杂浓度达到1e19cm-3；集电极材料为N型硅，三维结构尺寸为X1＝-9、X2＝9、Y1＝-0.0、Y2＝0.89、Z1＝5、Z2＝31，掺杂浓度达到6e19cm-3；衬底材料为P型硅，三维结构尺寸为X1＝-22、X2＝22、Y1＝0.89、Y2＝23、Z1＝0、Z2＝36，掺杂浓度达到5e15cm-3；在整个器件顶部由N+埋层引出发射极、基极、集电极和衬底的电极接触；模拟中采用的模型包括：半经验载流子迁移率模型，与电场相关的载流子迁移率模型，Schockley-Read-Hall复合模型，Auger复合模型以及碰撞离化模型和禁带变窄模型；为了仿真不同种类、不同能量离子入射锗硅异质结双极晶体管的单粒子响应，编辑器件模型单粒子数据程序模块，使其能够嵌入外部单粒子数据(图2(A)和图2(B))；

几何结构和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，本发明建立三维的锗硅异质结双极晶体管器件模型，其关键结构包括厚度薄(0.08μm)、掺杂高(1e19cm-3)的基区，浅槽隔离氧化层(STI)，由重掺p型环状隔离墙引出的衬底接触；多晶硅发射极在顶部引出电极接触；基极接触采用双多晶硅自对准工艺外延一层多晶硅掺硼掺锗引出电极接触；集电极接触由N+埋层引出电极接触；

b、将步骤a建立的锗硅异质结双极晶体管器件模型进行半导体特征数值计算，获取步骤a建立的器件模型电学特征曲线，并利用器件实测电学特征曲线校准器件模型，使器件电学特征符合理论预期；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；锗硅异质结双极晶体管Gummel特性曲线用于表征晶体管电流增益特性，图3中(A)为仿真Gummel特性与测试Gummel特性对比；锗硅异质结双极晶体管输出特性曲线用于表征晶体管Early电压特性，图3中(B)和(C)为仿真输出特性与测试输出特性对比；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；

c、将步骤b建立的锗硅异质结双极晶体管器件模型进行单粒子效应抗辐射加固，延伸锗硅异质结双极晶体管集电极-衬底结的版图布局，N+埋层引入伪集电极并与集电极-衬底结互连；通过三维建模编辑语言延伸该器件集电极-衬底结1至集电极-衬底结2，N+埋层引入伪集电极与集电极-衬底结2互连；伪集电极均匀对称的分布在集电极-衬底结2四周，形成伪集电极-衬底反偏结；图4给出了加固后器件模型材料边界、几何形状的内部视图；其中(A)为X-Y平面二维示意图，(B)为X-Z平面二维示意图；

d、将步骤c经过加固的锗硅异质结双极晶体管器件模型，利用SRIM软件模拟单个离子入射，设置不同种类、不同能量的离子入射器件模型，计算线性能量传输值随器件深度的变化，编写线性能量传输值文件嵌入已建立的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应三维损伤模型，图5是本发明通过SRIM软件计算得出的不同种类、能量离子线性能量传输值随器件深度的变化，选取2100MeV的Kr离子入射器件模型；

e、将步骤d得到的锗硅异质结双极晶体管器件模型选取离子的不同入射位置，同时开展加固前后锗硅异质结双极晶体管单粒子效应物理模型仿真，获取各电极电流和电荷收集随时间的变化，以及器件内部电势的变化；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，因此在开展锗硅异质结双极晶体管单粒子效应仿真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选取几个典型的入射位置；图6中(A)为该器件加固前选取的不同离子入射位置，(B)为加固后选取的不同离子入射位置，其中(1)为离子从器件中心位置入射，(2)为离子在集电极-衬底结内部边缘入射，(3)为离子在集电极-衬底结外部边缘入射；

f、将步骤e得到的加固与未加固锗硅异质结双极晶体管器件模型各电极电流和电荷收集随时间的变化进行对比，比较该器件加固前后各电极电流和电荷收集随时间变化的关系，分析伪集电极电荷收集特征，验证加固锗硅异质结双极晶体管的单粒子效应抗辐射加固效果，伪集电极与衬底形成了一个更大的CS结，由该结来收集器件中的扩散电荷减少SiGe HBT实际集电极所收集的扩散电荷数量，提高SiGe HBT单粒子效应抗辐射能力；图7为本发明展示的离子在该器件发射极中心位置入射各电极电流随时间的变化关系，其中(A)为加固前各电极电流随时间的变化关系，(B)为加固后各电极电流随时间的变化关系；加固后集电极电流峰值减小最明显，由原来的7.09mA减小至2.46mA，基极、发射极电流峰值都有不同程度的减小、衬底电流峰值基本不变；图8为本发明锗硅异质结双极晶体管加固前后在不同离子入射位置集电极电荷收集量随时间的变化关系；其中(A)为离子从器件发射极中心位置入射，(B)为离子在集电极-衬底结内部边缘入射，(C)为离子在集电极-衬底结外部边缘入射；由图可知，离子在不同位置入射集电极电荷收集量都明显减少；图9为本发明伪集电极电荷收集量在不同离子入射位置随时间的变化关系；离子在器件不同位置入射，电荷收集曲线可分为两个不同的部分：漂移段和扩散段，加固前后锗硅异质结双极晶体管的电荷曲线在漂移段基本相同，漏斗势消失后残留在衬底中的电荷在浓度梯度的作用下开始向器件的其它部分不断扩散，加固后的锗硅异质结双极晶体管扩散电荷的收集主要由伪集电极-衬底结完成，这就会使器件本身的集电极-衬底结收集更少的电荷；如图所示，离子在不同位置入射，伪集电极电荷收集量随时间的变化趋势相似，主要通过扩散机制收集电荷来减少实际电极的电荷收集量；图10为本发明展示的离子沿器件表面密集入射，器件加固前后集电极电荷收集量随入射位置的变化；如图所示，加固方法不仅减小了集电极-衬底结及其附近区域的集电极电荷收集量，还缩小了集电极电荷收集敏感区域的范围。

通过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抗辐射加固方法，该方法不仅可以减小集电极-衬底结及其附近区域的集电极电荷收集量，还缩小了集电极电荷收集敏感区域的范围。在电路设计中，器件之间都留有几个微米的间隔，利用电路中相邻锗硅异质结双极晶体管之间用不上的硅面积引入伪集电极，伪集电极通过扩散机制收集电荷减少锗硅异质结双极晶体管实际集电极的电荷收集量，且不涉及额外的面积损失和复杂的版图设计，因此这种单粒子效应加固方法对锗硅异质结双极晶体管具体工艺结构不作要求，对于深沟槽隔离、浅槽隔离和LOCOS隔离结构的锗硅异质结双极晶体管的单粒子效应抗辐射加固都适用。

Claims (5)

1.一种基于仿真的锗硅异质结双极晶体管抗单粒子效应抗辐射加固方法，其特征在于：按下列步骤进行：

a、构建锗硅异质结双极晶体管单粒子效应三维损伤器件模型；

b、将步骤a建立的锗硅异质结双极晶体管器件模型进行半导体特征数值计算，校准其关键电学参数；

c、将步骤b建立的锗硅异质结双极晶体管器件模型进行单粒子效应的抗辐射设计加固，延伸锗硅异质结双极晶体管集电极-衬底结的版图布局，N+埋层引入伪集电极并与集电极 - 衬底结互连；

d、将步骤c经过加固的锗硅异质结双极晶体管器件模型，利用SRIM软件模拟单个离子入射，获取线性能量传输值随器件深度的变化，编写线性能量传输值文件并嵌入锗硅异质结双极晶体管器件模型；

e、将步骤d得到的锗硅异质结双极晶体管器件模型选取离子的不同入射位置，分别开展加固与未加固锗硅异质结双极晶体管器件模型单粒子效应仿真，获取各电极电流和电荷收集随时间的变化；

f、将步骤e 得到的加固与未加固锗硅异质结双极晶体管器件模型各电极电流和电荷收集随时间的变化进行对比，分析伪集电极对电荷收集机制的影响，验证锗硅异质结双极晶体管的单粒子效应抗辐射加固效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a所述的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应三维损伤器件模型按照实际器件的材料，几何结构，掺杂参数建立，其中材料包括建立锗硅异质结双极晶体管单粒子效应三维损伤器件模型时设置的单晶硅、二氧化硅、硅、锗硅；几何结构包括发射区，基区，集电区，衬底，引出电极各区域的分布；掺杂参数包括发射区，基区，集电区，衬底，引出电极的掺杂浓度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b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。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c所述锗硅异质结双极晶体管器件模型单粒子效应抗辐射加固方法通过三维建模编辑语言在器件的版图布局上进行加固。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤d所述利用SRIM软件模拟单个离子入射锗硅异质结双极晶体管器件模型，获取线性能量传输值随器件深度的变化，并将线性能量传输值随器件深度的变化嵌入锗硅异质结双极晶体管器件模型。