CN111490096A - 一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型 - Google Patents

一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，属于半导体集成电路技术领域，包括本征NPN晶体管单元，寄生衬底PNP晶体管单元，衬底匹配网络单元，BC寄生等效电路单元，BE寄生等效电路单元，以及发射区、基区和集电区寄生等效电阻。本发明能精确反映异质结双极晶体管器件物理本质，准确的模拟器件特性，且参数少、提取过程简单，同时可以将所建立的等效电路模型嵌入仿真软件，适用于模拟高频集成电路仿真设计。

Description

一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路 模型
技术领域
本发明涉及一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，属于半导体集成电路技术领域。
背景技术
太赫兹集成电路是各种固态太赫兹系统应用的核心，是一个典型的交叉研究前沿领域，该领域具体涉及太赫兹及集成电路两个方面。其中，集成电路芯片是整个电子产业的心脏，而在毫米波太赫兹方面，太赫兹集成电路的工作频率是现有常见集成电路芯片的数千倍，在如此高的频率，太赫兹集成电路的设计、加工、测试都极富挑战性。作为太赫兹集成电路的核心的太赫兹器件，已成为未来信息技术和半导体产业发展的关键。
关于太赫兹器件，现有通过在基区和集电区区域引入单轴应力来实现一种小尺寸复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管，将Si基双极结型晶体管(BJT)的基区加入了少量的Ge组分，从而实现器件各个区域均为应变结构，每个区域所施加的单轴应力均可以大幅提高纵向少数载流子的迁移率，从而提高器件的高频特性，应力的引入提高集电结的击穿电压，进而提高器件的功率特性。
但能精确表征小尺寸复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管集约模型和建模方法仍然缺失。硅基太赫兹集成电路的设计实现在接近晶体管截止频率处进行，一般晶体管截止频率为300GHz-1THz，但已有模型结果仍集中在几十个GHz左右，无法准确支持太赫兹频段集成电路的仿真设计。因此，建立能精确反映器件物理本质的输运增强的小尺寸（尺寸小于100nm定义为小尺寸）复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型可以准确的模拟器件特性，同时将所建立的等效电路模型嵌入仿真软件，还可用于硅基太赫兹器件的集成电路设计与仿真，有望填补硅基太赫兹器件仿真的空白。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，能精确反映异质结双极晶体管器件物理本质，准确的模拟器件特性，且参数少、提取过程简单，同时可以将所建立的等效电路模型嵌入仿真软件， 适用于模拟高频集成电路仿真设计。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，包括本征NPN晶体管单元T1、寄生衬底PNP晶体管单元T2、衬底匹配网络单元、BC寄生等效电路单元、BE寄生等效电路单元，以及发射区等效电阻RE、集电区等效电阻RC和寄生基区等效电阻；
本征NPN晶体管单元T1的基极、集电极和发射极分别和第一基区端B’、第一集电区端C’以及发射极E相连；
寄生衬底PNP晶体管单元T2的基极、集电极和发射极分别和第一集电区端C’、第二衬底端S’以及第一基区端B’相连；
衬底匹配网络单元并联于衬底端S和第二衬底端S’之间；
BC寄生等效电路单元由内BC寄生结电流ijBCX1、内BC寄生电容CBCP1、外BC寄生结电流ijBCX2、外BC寄生电容CBCP2、STI-BC寄生电容 CBCP3组成，内BC寄生结电流ijBCX1和内BC寄生电容CBCP1并联于第一基区端B’和第一集电区端C’之间，外BC寄生结电流 ijBCX2和外BC寄生电容CBCP2并联于第二基区端B”和第一集电区端C’之间，STI-BC寄生电容 CBCP3位于基极端B和第一集电区端C’之间；
BE寄生等效电路单元位于第二基区端B”和发射极端E之间；
发射区等效电阻RE位于发射极端E和第一发射区端E’之间；
集电区等效电阻RC位于集电极端Ｃ和第一集电区端C’之间；
所述寄生基区等效电阻由寄生内基区等效电阻RBP1和寄生外基区等效电阻RBP2组成，寄生内基区等效电阻RBP1位于第一基区端和B’第二基区端B”之间，寄生外基区等效电阻RBP2位于第二基区端B”和基极端B之间。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述本征NPN晶体管单元T1由传输电流iT、BC结击穿电流iAVL、BE结复合电流iBhrec、BC结扩散电容CdC、BE结扩散电容CdE、BC结势垒电容CjCi、BE结势垒电容CjEi、BC结电流 ijBCi、BE结电流ijBEi、BE结穿通电流iBEti、发射区电流集边等效电容CRBi和本征基区电阻RBi组成，传输电流iT位于第一集电区端C’和第一发射区端E’之间，BC结击穿电流iAVL、BC结扩散电容CdC、BC结势垒电容CjCi和BC结电流 ijBCi并联于第一集电区端C’和内基区端B*之间，BE结复合电流iBhrec、BE结扩散电容CdE、BE结势垒电容CjEi、BE结电流ijBEi和BE结穿通电流iBEti并联于第一发射区端E’和内基区端B*之间，发射区电流集边等效电容CRBi和本征基区电阻RBi并联于和第一基区端B’和内基区端B*之间。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述寄生衬底PNP晶体管单元T2由寄生衬底PNP晶体管传输电流iTS、寄生衬底PNP晶体管集电结势垒电容Cjs、寄生衬底PNP晶体管发射结扩散电容Cds和寄生衬底PNP晶体管基区电流ijSC组成，寄生衬底PNP晶体管传输电流iTS位于第二衬底端S’和第一基区端B’之间，寄生衬底PNP晶体管基区电流ijSC和寄生衬底PNP晶体管集电结势垒电容Cjs并联于第二衬底端S’和第一集电区端C’之间，寄生衬底PNP晶体管发射结扩散电容Cds位于第一基区端B’和第一集电区端C’之间。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述衬底匹配网络单元由衬底匹配电阻RS和衬底匹配电容CS组成，衬底匹配电阻RS和衬底匹配电容CS均并联于衬底端S和第二衬底端S’之间。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述BE寄生等效电路单元由BE寄生等效电容CBEP组成。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
基于一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管器件，建立了可用于集成电路设计的复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型。模型包括本征NPN晶体管单元，寄生衬底PNP晶体管单元，衬底匹配网络单元，BC寄生等效电路单元，BE寄生等效电路单元，以及发射区、基区和集电区寄生等效电阻，该等效电路模型能精确反映器件物理本质，准确的模拟器件特性，且参数少、提取过程简单，同时可以将所建立的等效电路模型嵌入仿真软件， 适用于模拟高频集成电路仿真设计。
附图说明
图1是本发明复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管剖面示意图；
图2是本发明复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路示意图；
图3是本发明本征NPN晶体管单元等效电路示意图；
图4是本发明寄生衬底PNP晶体管单元等效电路示意图；
其中，001、N型集电区，002、非本征内基区，003、嵌入式SiGe非本征外基区，004、侧墙氧化层，005、P型SiGe基区，006、Si帽层，007、多晶Si发射区，100、本征NPN晶体管T1，101、传输电流iT，102、BC结击穿电流iAVL，103、BE结复合电流iBhrec，104、BC结扩散电容CdC，105、BE结扩散电容CdE，106、BC结势垒电容CjCi，107、BE结势垒电容CjEi，108、BC结电流 ijBCi，109、BE结电流ijBEi，110、BE结穿通电流iBEti，111、发射区电流集边等效电容CRBi，112、本征基区电阻RBi，200、寄生衬底PNP晶体管T2，201、寄生衬底PNP晶体管传输电流iTS，202、寄生衬底PNP晶体管集电结势垒电容Cjs，203、寄生衬底PNP晶体管发射结扩散电容Cds，204、寄生衬底PNP晶体管基区电流ijSC，301、内BC寄生结电流ijBCX1，302、内BC寄生结电流ijBCX1，303、外BC寄生结电流ijBCX2，304、外BC寄生电容CBCP2，305、STI-BC寄生电容 CBCP3，400、BE寄生等效电容CBEP，501、衬底匹配电阻RS，502、衬底匹配电容CS，601、寄生外基区等效电阻RBP2，602、寄生内基区等效电阻RBP1，603、发射极等效电阻RE，604、集电极等效电阻RC。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，为一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管剖面示意图，所述异质结双极晶体管器件由N型集电区001、非本征内基区002、嵌入式SiGe非本征外基区003、侧墙氧化层004、P型SiGe基区005、Si帽层006、多晶Si发射区007组成。N型集电区001的上部两端分别形成非本征内基区002和嵌入式SiGe非本征外基区003，通过嵌入式SiGe非本征外基区003，在非本征内基区002和N型集电区001引入单轴应力，N型集电区001的上表面中部分别形成P型SiGe基区005、 Si帽层006、多晶Si发射区007，进而形成了本征NPN异质结双极晶体管，侧墙氧化层004主要起到了P型SiGe基区005、 Si帽层006、多晶Si发射区007和嵌入式SiGe非本征外基区003之间的电学隔离作用。
基于以上一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管，建立了可用于集成电路设计的一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，如图2所示，该大信号等效电路模型包括本征NPN晶体管单元T1100、寄生衬底PNP晶体管单元T2200、衬底匹配网络单元、BC寄生等效电路单元、BE寄生等效电路单元，以及发射区等效电阻RE603、集电区等效电阻RC604和寄生基区等效电阻。
衬底匹配网络单元并联于衬底端S和第二衬底端S’之间，所述衬底匹配网络单元由衬底匹配电阻RS501和衬底匹配电容CS502组成，衬底匹配电阻RS501和衬底匹配电容CS502均并联于衬底端S和第二衬底端S’之间
BC寄生等效电路单元由内BC寄生结电流ijBCX1301、内BC寄生电容CBCP1302、外BC寄生结电流 ijBCX2303、外BC寄生电容CBCP2304、STI-BC寄生电容 CBCP3305组成，内BC寄生结电流ijBCX1301和内BC寄生电容CBCP1302并联于第一基区端B’和第一集电区端C’之间，外BC寄生结电流 ijBCX2303和外BC寄生电容CBCP2304并联于第二基区端B”和第一集电区端C’之间，STI-BC寄生电容 CBCP3305位于基极端B和第一集电区端C’之间。
所述BE寄生等效电路单元由BE寄生等效电容CBEP400组成，BE寄生等效电路单元位于第二基区端B”和发射极端E之间。
所述寄生基区等效电阻由寄生内基区等效电阻RBP1602和寄生外基区等效电阻RBP2601组成，寄生内基区等效电阻RBP1602位于第一基区端和B’第二基区端B”之间，寄生外基区等效电阻RBP2601位于第二基区端B”和基极端B之间；发射区等效电阻RE603位于发射极端E和第一发射区端E’之间；集电区等效电阻RC604位于集电极端Ｃ和第一集电区端C’之间。
如图3所示，本征NPN晶体管单元T1100的基极、集电极和发射极分别和第一基区端B’、第一集电区端C’以及发射极E相连，所述本征NPN晶体管单元T1100由传输电流iT101、BC结击穿电流iAVL102、BE结复合电流iBhrec103、BC结扩散电容CdC104、BE结扩散电容CdE105、BC结势垒电容CjCi106、BE结势垒电容CjEi107、BC结电流 ijBCi108、BE结电流ijBEi109、BE结穿通电流iBEti110、发射区电流集边等效电容CRBi111和本征基区电阻RBi112组成，传输电流iT101位于第一集电区端C’和第一发射区端E’之间，BC结击穿电流iAVL102、BC结扩散电容CdC104、BC结势垒电容CjCi106和BC结电流 ijBCi108并联于第一集电区端C’和内基区端B*之间，BE结复合电流iBhrec103、BE结扩散电容CdE105、BE结势垒电容CjEi107、BE结电流ijBEi109和BE结穿通电流iBEti110并联于第一发射区端E’和内基区端B*之间，发射区电流集边等效电容CRBi111和本征基区电阻RBi112并联于和第一基区端B’和内基区端B*之间。
如图4所示，寄生衬底PNP晶体管单元T2200的基极、集电极和发射极分别和第一集电区端C’、第二衬底端S’以及第一基区端B’相连，所述寄生衬底PNP晶体管单元T2200由寄生衬底PNP晶体管传输电流iTS201、寄生衬底PNP晶体管集电结势垒电容Cjs202、寄生衬底PNP晶体管发射结扩散电容Cds203和寄生衬底PNP晶体管基区电流ijSC204组成，寄生衬底PNP晶体管传输电流iTS201位于第二衬底端S’和第一基区端B’之间，寄生衬底PNP晶体管基区电流ijSC204和寄生衬底PNP晶体管集电结势垒电容Cjs202并联于第二衬底端S’和第一集电区端C’之间，寄生衬底PNP晶体管发射结扩散电容Cds203位于第一基区端B’和第一集电区端C’之间。
本发明基于一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管，建立了可用于集成电路设计的一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，大信号等效电路模型本征NPN晶体管单元T1100、寄生衬底PNP晶体管单元T2200、衬底匹配网络单元、BC寄生等效电路单元、BE寄生等效电路单元，以及发射区等效电阻RE603、集电区等效电阻RC604和寄生基区等效电阻，该等效电路模型能精确反映异质结双极晶体管器件物理本质，准确的模拟异质结双极晶体管器件特性，且参数少、提取过程简单，同时可以将所建立的等效电路模型嵌入仿真软件， 适用于模拟高频集成电路仿真设计。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计思路的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，其特征在于：包括本征NPN晶体管单元T1（100）、寄生衬底PNP晶体管单元T2（200）、衬底匹配网络单元、BC寄生等效电路单元、BE寄生等效电路单元，以及发射区等效电阻RE（603）、集电区等效电阻RC（604）和寄生基区等效电阻；
本征NPN晶体管单元T1（100）的基极、集电极和发射极分别和第一基区端B’、第一集电区端C’以及发射极E相连；
寄生衬底PNP晶体管单元T2（200）的基极、集电极和发射极分别和第一集电区端C’、第二衬底端S’以及第一基区端B’相连；
衬底匹配网络单元并联于衬底端S和第二衬底端S’之间；
BC寄生等效电路单元由内BC寄生结电流ijBCX1（301）、内BC寄生电容CBCP1（302）、外BC寄生结电流 ijBCX2（303）、外BC寄生电容CBCP2（304）、STI-BC寄生电容 CBCP3（305）组成，内BC寄生结电流ijBCX1（301）和内BC寄生电容CBCP1（302）并联于第一基区端B’和第一集电区端C’之间，外BC寄生结电流 ijBCX2（303）和外BC寄生电容CBCP2（304）并联于第二基区端B”和第一集电区端C’之间，STI-BC寄生电容 CBCP3（305）位于基极端B和第一集电区端C’之间；
BE寄生等效电路单元位于第二基区端B”和发射极端E之间；
发射区等效电阻RE（603）位于发射极端E和第一发射区端E’之间；
集电区等效电阻RC（604）位于集电极端Ｃ和第一集电区端C’之间；
所述寄生基区等效电阻由寄生内基区等效电阻RBP1（602）和寄生外基区等效电阻RBP2（601）组成，寄生内基区等效电阻RBP1（602）位于第一基区端和B’第二基区端B”之间，寄生外基区等效电阻RBP2（601）位于第二基区端B”和基极端B之间。
2.根据权利要求1所述的一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，其特征在于：所述本征NPN晶体管单元T1（100）由传输电流iT（101）、BC结击穿电流iAVL（102）、BE结复合电流iBhrec（103）、BC结扩散电容CdC（104）、BE结扩散电容CdE（105）、BC结势垒电容CjCi（106）、BE结势垒电容CjEi（107）、BC结电流 ijBCi（108）、BE结电流ijBEi（109）、BE结穿通电流iBEti（110）、发射区电流集边等效电容CRBi（111）和本征基区电阻RBi（112）组成，传输电流iT（101）位于第一集电区端C’和第一发射区端E’之间，BC结击穿电流iAVL（102）、BC结扩散电容CdC（104）、BC结势垒电容CjCi（106）和BC结电流 ijBCi（108）并联于第一集电区端C’和内基区端B*之间，BE结复合电流iBhrec（103）、BE结扩散电容CdE（105）、BE结势垒电容CjEi（107）、BE结电流ijBEi（109）和BE结穿通电流iBEti（110）并联于第一发射区端E’和内基区端B*之间，发射区电流集边等效电容CRBi（111）和本征基区电阻RBi（112）并联于和第一基区端B’和内基区端B*之间。
3.根据权利要求1所述的一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，其特征在于：所述寄生衬底PNP晶体管单元T2（200）由寄生衬底PNP晶体管传输电流iTS（201）、寄生衬底PNP晶体管集电结势垒电容Cjs（202）、寄生衬底PNP晶体管发射结扩散电容Cds（203）和寄生衬底PNP晶体管基区电流ijSC（204）组成，寄生衬底PNP晶体管传输电流iTS（201）位于第二衬底端S’和第一基区端B’之间，寄生衬底PNP晶体管基区电流ijSC（204）和寄生衬底PNP晶体管集电结势垒电容Cjs（202）并联于第二衬底端S’和第一集电区端C’之间，寄生衬底PNP晶体管发射结扩散电容Cds（203）位于第一基区端B’和第一集电区端C’之间。
4.根据权利要求1所述的一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，其特征在于：所述衬底匹配网络单元由衬底匹配电阻RS（501）和衬底匹配电容CS（502）组成，衬底匹配电阻RS（501）和衬底匹配电容CS（502）均并联于衬底端S和第二衬底端S’之间。
5.根据权利要求1所述的一种复合应变Si/SiGe异质结双极晶体管大信号等效电路模型，其特征在于：所述BE寄生等效电路单元由BE寄生等效电容CBEP（400）组成。
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