Three-dimensional simulation of total ionizing dose effect on SiGe heterojunction bipolor transistor

Jin-Xin Zhang,Juan Feng,Pei Li,Xian-Xiang Wu,Xin Wang,Hong-Xia Guo,Hui Wang,Yun-Yi Yan,Ling Lü

doi:10.7498/aps.71.20211795

Abstract

The damage mechanism of the total ionizing dose (TID) effect of SiGe heterojunction bipolor transistar (SiGe HBT) is explored by using three-dimensional simulation of semiconductor device (TCAD).In the simulation, the trapped charge defects are introduced into different locations of oxidationin SiGe HBT to simulate the TID effect. Then the degradation characteristics of the forward Gummel characteristic and the reverse Gummel characteristic of the device are analyzed, and the TID damage law of SiGe HBT is obtained. Finally, the simulation results are compared with the 60Co γ irradiation test results, showing that the trapped charges introduced by TID irradiation in SiGe HBT device mainly affect the Si/SiO2 interface near the p-n junction, resulting in the change in the depletion region of the p-n junction and the increase of carrier recombination. Eventually, the base current increases and the gain decreases. The trapped charges generated in the EB spacer oxide layer mainly affect the forward Gummel characteristics, and the trapped charges in the LOCOS isolation oxide layer are the main factor causing the reverse Gummel characteristics to degrade. The experimental results on 60Co γ irradiation under different biases are consistent with those from the total dose effect damage law of SiGe HBT obtained by numerical simulation analysis.

Highlights

the trapped charge defects are introduced into different locations of oxidationin SiGe HBT to simulate the total ionizing dose (TID) effect
the simulation results are compared with the 60Co g irradiation test results
that the trapped charges introduced by TID irradiation in SiGe HBT device mainly affect the Si

Summary

SiGe HBT 器件建模

数值仿真基于 SiGe HBT 实际结构建立器件模型, 该样品采用垂直型双极晶体管工艺制造, 其结构如图 1 所示. 在掺杂浓度约为 5 × 1015 cm–3 的大面积 p 型衬底和 n 型集电区上方, 外延硅层并掺入组分渐变的锗作为基区. 引入的 Ge 含量从发射极/基极结 (E/B 结) 和基极/集电极结 (B/C 结) 处的 0% 向基区中央缓慢变化至 20%, 形成缓变异质结, pn 结处的带隙差使基区实现厚度薄 (约 0.08 μm)、掺杂浓度高 (掺入约 1 × 1019 cm–3 的硼 (B)) 的特性, 提高器件响应频率的同时降低基区电阻. 基区上生长氧化层, 随后采用自对准工艺刻蚀淀积多晶硅制作发射区, 掺入 1.5 × 1020 cm–3 的砷 (As) 形成 n 型发射极. 其他重要结构包括: 在重掺 B 的 p 型外延基区下方集电区内采用 LOCOS 工艺制造的隔离氧化层, 这种氧化隔离工艺会在基区内形成较短的一部分薄氧化层, 称为“鸟嘴效应” 区; 重掺 As 形成 n+层引出集电极电极; 以及在接近器件边缘处, 采用离子注入工艺注入硼离子并推进形成的环状重掺 p 型隔离墙, 作为衬底电极的引出接触. Schematic device cross section of SiGe HBT. 因此模拟计算中一方面应在本征基区、pn 结区、EB spacer 与 LOCOS 氧化层的 Si/SiO2 界面处设置较精细的网格提高计算精度, 另一方面为了节约计算时间与成本, 器件结构模型简化去掉了衬底结构, 设计为发射区、基区和集电区的垂直结构. 在前期工作 [20] 中, 我们通过 60Co g 射线辐照实验分析认为, g 辐照在 SiGe HBT 的发射极/基极 (E/B) 结和基极/集电极 (B/C) 结连接的两处氧化层, 即 EB spacer 氧化层和 LOCOS 氧化层内. Device model of simulation: (a) Three dimensional (3D) structure; (b) two dimensional (2D) cross section of SiGe HBT. 同时, 根据实验结果分析认为, 不同偏置在 EB 结耗尽区附近的 EB spacer 氧化层、BC 结耗尽区附近的 LOCOS 隔离氧化层中形成的电场方向不同, 造成氧化物陷阱电荷与界面陷阱电荷的分布与积累有所差异, 最终导致工作于不同偏置状态下的 SiGe HBT 的电离辐射总剂量效应损伤程度并不相同, 且正向 Gummel 特性和反向 Gummel 特性对辐照偏置的响应情况也并不一致 [20,21]. 同时, 根据实验结果分析认为, 不同偏置在 EB 结耗尽区附近的 EB spacer 氧化层、BC 结耗尽区附近的 LOCOS 隔离氧化层中形成的电场方向不同, 造成氧化物陷阱电荷与界面陷阱电荷的分布与积累有所差异, 最终导致工作于不同偏置状态下的 SiGe HBT 的电离辐射总剂量效应损伤程度并不相同, 且正向 Gummel 特性和反向 Gummel 特性对辐照偏置的响应情况也并不一致 [20,21]. 因此, 为探讨电离辐射在 SiGe HBT 内部诱发陷阱电荷驻留差异对总剂量效应的影响机制, 数值模拟中根据不同偏置电场下电离载流子在 SiO2 层中的输运方向, 选取的 traps 模型添加位置具体为: 1#样品在本征基区 In-base 与 EB spacer 界面添加上述 traps; 2#样品在本征基区 In-base 与 EB spacer 界面、本征基区 In-base 与 LOCOS 隔离氧化层下界面添加 traps 模型; 3#样品在本征基区 In-base 与 LOCOS 隔离氧化层下界面添加 traps 模型 ; 4#样品在本征基区 In-base 与 LOCOS 隔离氧化层上界面添加 traps 模型; 5#样品在发射区和 EB spacer 界面添加 traps 模型; 6#样品在本征基区 In-base 与 LOCOS 隔离氧化层下界面、在集电区与 LOCOS 隔离氧化层下界面添加 traps 模型; 7#样品在本征基区 In-base 与 EB spacer 界面、本征基区 In-base 与 LOCOS 隔离氧化层上界面添加 traps 模型. 图 3 为不同 Si/SiO2 界面位置处添加 traps 模型的示意图

SiGe HBT 总剂量效应损伤机制数值仿真研究

SiGe HBT 总剂量效应陷阱电荷驻留分布对电学特性的影响机制仿真研究