АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ КРЕМНИЕВЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ MICROELECTRONIC DEVICES AND SYSTEMS

УДК 621.3.049.77

Анализ и моделирование кремниевых вертикальных комплементарных биполярных транзисторов

М.О. Храпов, В.А. Гридчин, С.В. Калинин

Новосибирский государственный технический университет

Analysis and Simulation of Silicon Vertical Complementary Bipolar Transistors

M.O. Hrapov, V.A. Gridchin, S.V. Kalinin

Novosibirsk State Technical University

Проанализированы особенности современных комплементарных биполярных технологий (СВ-технологий) для аналоговых применений. Рассмотрены основные тенденции их развития. На основе двух параметров качества комплементарности - добротности ф-VA) и параметра Джонсона (BVCEO-fT) -проведено сравнение различных индустриальных CB-технологий. Методом двумерного численного моделирования в среде TCAD Sentaurus для вертикальных n-p-n- и p-n-p-транзисторов исследована р-эпитаксиально-планарная CB-технология. Тщательная калибровка параметров технологических и электрофизических 2D-моделей на основе тестовых структур показала достаточную для практики точность использованной методики.

Ключевые слова: CB-технологии; кремниевые комплементарные n-p-n-и p-n-p-транзисторы; p-эпитаксия; 2D-моделирование; TCAD Sentaurus.

The features of the state-of-the industry complementary bipolar (CB) technology for analog applications have been analyzed and the main trends of their development have been considered. Based on two parameters of the complementary quality - p-VA (factor of quality) and BVCEO-fT (Johnson parameter) different industrial CB technologies have been compared. By the method of 2D -numerical simulation in TCAD Sentaurus medium for vertical NPN and PNP transistors the p-epitaxial-planar CB technology has been investigated. The quality calibration of the electrical and technological parameters of the 2D-models based on the data of the test structure has shown the adequate accuracy of simulation for practical use.

Keywords: CB-technology; silicon complementary VNPN and VPNP transistors; p-epitaxy; 2D-simulation; TCAD Sentarius.

© М.О. Храпов, В.А. Гридчин, С.В. Калинин, 2016

Введение. Аналоговые интегральные схемы широко применяются в электронных системах. Среди них особое место занимают прецизионные высокоскоростные широкополосные интегральные операционные усилители (ИОУ) [1]. Они используются в интерфейсах микропроцессоров и АЦП при обработке сигналов, в системах управления, а также в системах связи и телекоммуникаций, радарной технике, измерительных системах и др. В электронных системах, выполненных по технологии «система на кристалле», значение ИОУ будет только возрастать [2].

Технические требования к ИОУ постоянно усложняются. Прежде всего это относится к увеличению полосы пропускания (в перспективе - до сотен гигагерц) и динамического диапазона при одновременном понижении потребляемой мощности, напряжения питания и величины паразитных спектральных составляющих. Комплексное решение всех этих задач возможно только на основе комплементарных биполярных технологий (СВ-технологий).

СВ-технологии основываются на биполярных или БиКМОП-технологиях. Главная их особенность состоит в том, что в Сопроцессе используются высококачественные р-п-р-транзисторы с вертикальной структурой [3-5], которые образуют с п-р-п-транзисторами полноценную комплементарную пару. В традиционных БиКМОП-технологиях основные усилия разработчиков в биполярной части сосредоточены на улучшении параметров и характеристик вертикального п-р-п-транзистора в различных его модификациях, тогда как горизонтальные р-п-р-транзисторы изготавливаются без каких-либо дополнительных технологических операций на основе уже существующих [5].

В большинстве случаев горизонтальный р-п-р-транзистор формируется на основе технологических операций, применяемых для п-р-п-транзистора. Так, в качестве слоя базы р-п-р-транзистора применяется п-эпитаксиальный слой, а для эмиттера и коллектора используется база п-р-п-транзистора. Контакт к базе р-п-р-транзистора обычно подлегируется п-слоем эмиттера и-р-и-транзистора. Основная технологическая проблема для горизонтального р-п-р-транзистора заключается в значительных вариациях толщины базы из-за плохо управляемой горизонтальной диффузии бора и возможного рассовмещения края маски. В совокупности сопротивление базы получается значительным, что приводит к малым величинам коэффициента усиления (в < 10) и малым рабочим частотам (¡т < 10 МГц). Поскольку при переключении в процессе нарастания и спада тока участвуют п-р-п- и р-п-р-транзисторы, быстродействие схемы в значительной степени определяется менее быстродействующим р-п-р-транзистором, что ограничивает возможности использовать эти приборы для высококачественных аналоговых приложений. С помощью новых дорогостоящих технологических нововведений теоретически возможно увеличение граничной частоты /т вплоть до гигагерцовой частотной области, однако стоимость таких процессов слишком высока, что ограничивает их применение для индустриального производства.

Таким образом, прецизионные ИОУ целесообразно проектировать и изготавливать только на основе СВ-технологии. Только эта технология дает возможность изготавливать высококачественные вертикальные биполярные п-р-п- и р-п-р-транзисторы со сбалансированными параметрами, обеспечивающими максимальное приближение параметров ИОУ к параметрам идеального операционного усилителя.

Показатели качества современной СВ-технологии. При разработке конкретного технологического СВ-маршрута необходимо обеспечивать компромисс между основными электрическими параметрами биполярных транзисторов, определяемыми областью применения. Прежде всего это коэффициент усиления в, напряжение пробоя

ВУсео, напряжение Эрли Ул, граничная частота /т, шумовые и тепловые характеристики. Внутренняя взаимосвязь между этими параметрами противоречива и сложна. В процессе разработки технологического маршрута требования к электрическим параметрам необходимо трансформировать в требования к конструктивно-технологическим параметрам слоев, из которых состоит структура классического вертикального биполярного транзистора. В частности, к толщине вертикальных слоев эмиттера/базы/коллектора и удельному количеству легирующих примесей в квадратном сантиметре (аналог дозы для КМОПТ), содержащихся в этих слоях. Традиционно в биполярных технологиях для описания введенного в слои количества примеси используют либо числа Гуммеля QE, QB, Qc, либо поверхностные сопротивления слоев Де, Дв, Дс, которые обратно пропорциональны числам Гуммеля [6].

Для количественной оценки качества СВ-технологии предлагается в развитие подходов, намеченных в [4], применять два интегральных показателя: добротность $-Ул и фундаментальный параметр, или параметр Джонсона ВУсео/т. Первый связан с характеристиками транзистора при его работе со стационарным сигналом, второй - с переменным сигналом. Тогда комплементарность пары п-р-п- и р-п-р-транзисторов может быть описана как численная близость этих показателей.

Графическая визуализация интегральных показателей удобна для анализа и позволяет сравнивать различные индустриальные СВ-технологии (рис.1).

100000

м 10000

1000

.НЩ13]

•АСЦТЕ| 12| • \Г1Р-3[4]

Настоящая работа

• Х1-СВ[10] .Р35ХХ •СВ4036

• СШС-\'[11|*и111м|9]

100..................

0 40 80 120 160 180

/гусе0> ггц в

а

100000

СП

10000

1000

100

> НУКСяп

• У1Р-3[4]

Настоящая работа .АСЦТЕ[12]

СВ4036 * •Н.Щ13]

• • Х1'С13[ 10] Р35ХХ

• иИГ-][1)]

• СШС-\'[11|

—I-'-I-'—I—

-'-1-1-1-1—1—

О 40 80 120 160 180 /Г'"(/.'• ГГц В б

Рис.1. Показатели качества современных индустриальных СВ-технологий [4, 7-11]: а - п-р-п-транзистор; б - р-п-р-транзистор

Основные особенности моделируемого комплементарного технологического процесса. Для численного ТСАО-исследования параметров и характеристик комплементарной биполярной пары, изготовленной по отечественной СВ-технологии, выбрана индустриальная технология, разработанная АО «НПП «Восток» (г. Новосибирск) [12]. При этом в вычислительных экспериментах использован технологический маршрут, обеспечивающий формирование комплементарной пары: вертикальные п-р-п-и р-п-р-транзисторы с классической планарно-эпитаксиальной структурой слоев (рис.2). Маршрут состоит из двух частей: заготовительной и основной (табл.1).

Важным отличием данного маршрута, например, от маршрута Р35ХХ [1] является использование эпитаксиального слоя р-типа. Это связано с необходимостью максимально возможного улучшения электрофизических параметров р-п-р-транзистора с целью получения лучшей комплементарности биполярной пары транзисторов.

Рис.2. Структурный вертикальный разрез моделируемой биполярной пары транзисторов

Таблица 1

Маршрут формирования п-р-п- и р-п-р-транзисторов с классической планарно-эпитаксиальной структурой слоев

Часть Шаг Примесь в «-р-«-транзистор р-«-р-транзистор

маршрута слое

0 P Исходная пластина «-типа

1 B - Скрытый р-слой

Заготовитель- 2 В Скрытый р-карман -

ная 3 8Ь и P Скрытый «-слой -

4 8Ь и P Скрытый слой под разделительную диффузию

5 B р-эпитаксия

6 P «-коллектор -

7 P Разделительная диффузия

8 B - Глубокий коллектор

Основная 9 P Глубокий коллектор -

10 P - «-база

11 As Эмиттер -

12 B р-база -

13 B - Эмиттер

Приборно-технологическое моделирование в среде 8еп1аигш. Для согласования технологических и электрофизических параметров применялся лицензионный САПР приборно-технологического моделирования [13] - TCAD Sentaurus. По оценкам экспертов ITRS, применение этого САПР в процессе проектирования технологического маршрута обеспечивает в среднем экономию порядка 40 % по затрачиваемым ресурсам вследствие сокращения необходимого числа экспериментов и времени проектирования.

Для моделирования влияния режимов технологических операций на 2D-профили легирования использовалось приложение SProcess. Последующий электрофизический расчет параметров и выходных характеристик биполярных транзисторов выполнялся в приложении SDevice. Вычислительный эксперимент характеризуется следующими особенностями. Технологическая калибровка моделей осуществлялась на основе таких

традиционных параметров, как толщина термического окисла, глубина слоев р-п-переходов и поверхностного сопротивления, полученных на тестовых пластинах. Для повышения интегральной скорости вычислений применялась технология моделирования Ш-профилей с последующим переходом к двумерным. Ш-профили соответствовали основным сечениям биполярных транзисторов в областях коллектора, пассивной базы и эмиттера (см.рис.2). Результаты такого моделирования приведены на рис.3,а и 4,а для эмиттерного сечения п-р-п- ир-п-р-транзисторов соответственно. На рис.3,б и 4,б показана картина 2D-распределения легирующих примесей по всей структуре биполярных транзисторов.

Рис.3. Результаты моделирования профилей в структуре п-р-п-транзистора: а - Ш- и 2D-профили в сечении эмиттера, кривые 1 и 2 соответственно; б - 2D-распределение легирующих примесей

Рис.4. Результаты моделирования профилей в структуре р-п-р-транзистора: а - Ш- и 2D-профили в сечении эмиттера, кривые 1 и 2 соответственно; б - 2D-распределение легирующих примесей

Так как 2D-crpyKTypa характеризуется значительными топологическими размерами (50 х 50 мкм), при численном моделировании возникает дополнительная задача рационального построения вычислительной сетки. Для того чтобы строить мелкую сетку только в области больших градиентов концентраций легирующих примесей, а не равномерно по всей области, использовалась опция RefineBox (Adaptive).

Для электрофизического моделирования применялась диффузионно-дрейфовая модель с учетом концентрационной, полевой и тепловой зависимости подвижностей электронов и дырок и аналогичных зависимостей для коэффициентов ударной ионизации. Тепловые процессы генерации и рекомбинации носителей заряда моделировались с помощью классической модели Шокли-Рида-Холла. Для процессов лавинного умножения использовались эмпирические модели Okuto-Crowell (для и-р-и-транзистора) и Overstraeten - de Man (для р-и-р-транзистора). Процессы генерации и переноса тепла рассматривались в рамках термодинамической модели. Вычисление граничной частоты проводилось путем AC-анализа (опция ACCoupled). Как показали проведенные многократные численные эксперименты, точность моделирования, полученная в рамках такого подхода, является вполне приемлемой с практической точки зрения. Поэтому применение более сложных гидродинамических моделей переноса носителей для данной задачи признано нецелесообразным.

Результаты моделирования. Основная цель вычислительных экспериментов заключалась в калибровке параметров используемых моделей путем сравнения результатов моделирования с результатами электрофизических измерений, полученных на основе тестовых структур. В качестве контрольных электрофизических параметров использовались главные параметры комплементарной пары биполярных транзисторов: в, BVceo, Va- Значения, полученные при моделировании, и экспериментальные данные приведены в табл.2.

Таблица 2

Электрофизические параметры, полученные при моделировании, и экспериментальные данные

и-р-и-тра нзистор р-и-р-тра нзистор

Параметр TCAD- моделирование Эксперимент TCAD- моделирование Эксперимент

Токовый коэффициент усиления в 190 197 76 62

Напряжение Эрли УА, В 46 38 46 62

Напряжение пробоя коллектор-эмиттер ВУсЕО, В 30 27 62 60

Напряжение пробоя коллектор-база ВУсвО, В 64 80 81 80

Напряжение пробоя база-эмиттер ВУВЕО, В 8,4 8,7 7,5 8,6

Граничная частота/Т, ГГц 0,019 - 0,38 -

Максимальная частота ,/тах, ГГц 0,022 - 0,822 -

Добротность в- УА, В 8740 7486 3496 3844

Параметр Джонсона /т-ВУсео, ГГц-В 0,66 - 23,56 -

Из таблицы видно, что погрешность моделирования коэффициента усиления в составляет 12 %, а для напряжения пробоя Усео - менее 2 %. При этом погрешности моделирования добротности составляют 16,7 и 9 % для п-р-п- и р-п-р-транзисторов соответственно, что подтверждает приемлемую для практики точность. Однако частотные характеристики для пары рассматриваемой технологии и показатели ком-плементарности пары также нуждаются в дальнейшем улучшении.

Экспериментальные и смоделированные выходные ВАХ п-р-п- и р-п-р-транзисторов показаны на рис.5.

Рис.5. Выходные ВАХ комплементарной пары биполярных транзисторов: а - п-р-п-транзистор, 1В = 1 мкА; б - р-п-р-транзистор, 1В = 10 мкА

В процессе моделирования для повышения значения пробивного напряжения ВУсео уточнены значения следующих технологических параметров: дозы легирования р- и п-скрытых слоев, времени отжига п-скрытого слоя, толщина эпитаксиального слоя и дозы легирования п-коллектора.

Заключение. В результате анализа особенностей современной комплементарной биполярной технологии, используемой для создания высокопроизводительных прецизионных аналоговых ИМС, установлены основные тенденции развития таких технологий, взаимосвязи между требованиями к схеме и электрофизическими параметрами биполярных транзисторов, а также между электрофизическими и технологическими параметрами. Понятие комплементарности биполярной пары можно описать с помощью обобщающих параметров добротности ф-¥А) и Джонсона (В¥сео-/т). В терминах этих параметров можно проанализировать и сравнить высоковольтные и высокочастотные комплементарные биполярные технологии, используемые для аналоговых применений.

Уточненные методом приборно-технологического моделирования численные значения параметров технологических режимов на примере классической р-эпитаксиально-планарной структуры обеспечивают изготовление комплементарной пары вертикальных биполярных п-р-п- и р-п-р-транзисторов отечественной сВ-технологии.

В процессе технологического моделирования двумерной структуры биполярного транзистора на основе данных контрольных пластин осуществлена калибровка используемых технологических моделей из БРюсеББ. Предложенная методика последовательной схемы расчетов в сочетании с рациональным выбором узлов сетки в области больших градиентов повышает вычислительную эффективность расчетов, что обеспечивает сокращение реального времени моделирования.

Калибровка электрофизических моделей для SDevice проводилась на основе главных электрофизических параметров биполярных и-р-и- и р-и-р-транзисторов: в, BVCEO, VA и fT. Дальнейшая экспериментальная проверка результатов моделирования показала их достаточную для практики точность.

Авторы выражают благодарности А.А. Зарубанову и О.Ю. Пензину за полезные дискуссии в процессе работы.

Литература

1. Савченко Е. М. Высокоскоростные операционные усилители с токовой обратной связью и высоким уровнем динамической точности: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 2011. - 27 с.

2. Monticelli D. M. The future of complementary bipolar // Proc. of the IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology. - 2004. - P. 21-25.

3. Alvarez A. R. BiCMOS technology and applications. - 2nd Ed. - Springer Science, 1993. - 119 p.

4. A 40 volt silicon complementary bipolar technology for high-precision and high-frequency analog circuits / R. Bashir, J. De Santis, D. Chen et al. // Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting: Proc. of the 1994. - IEEE. - 1994. - С. 225-228.

5. A complementary bipolar technology family with a vertically integrated PNP for high-frequency analog applications / R. Bashir, F. Hebert, J. De Santis et al. // IEEE Tran. On Electron Dev. - 2001. - Vol. ED-48. -N. 11. - P. 2525-2534.

6. Nakamura T., Nishizawa H. Recent progress in bipolar transistor technology // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1995. - Vol. 42. - N. 3. - С. 390-398.

7. UHF-1: A very high speed complementary bipolar analog process on SOI / C. Davis, G. Bajor, J. Butter et al. // Bipolar Circuits and Technology Meeting. - 1992. - P. 260-263.

8. XFCB: A high speed complementary bipolar process on bonded SOI / S. Feindt, J.-J. J. Hajjar, J. Lapham et al. // Bipolar Circuits and Technology Meeting. - 1992. - P. 264-267.

9. CBIC-V, A new very high speed complementary silicon bipolar IC process / A. Feygenson, J.W. Osenbach, W.L. Buchanan et al. // Bipolar Circuits and Technology Meeting. - 1989. - P. 173-177.

10. ACUTE: A high performance analog complementary poly-silicon emitter bipolar technology / R.C. Jerome, I.R.C. Post, T.G. Travnicek et al. // SO1 Conference. - 1993. - P. 100-101.

11. A 12Volt, 12GHz complementary bipolar technology for high frequency analogue applications / M.C. Wilson, S. Nigrin, S. Harrington et al. // Solid-State Device Research European Conference - ESSDERC, 2002.

12. http://www.vostok.nsk.su/ (дата обращения: 10.01.2016).

13. Виноградов Р.Н., Дроздов Д.Г., Корнеев С.В. Оптимизация комплементарного биполярного технологического процесса изготовления ИМС с использованием САПР TCAD // Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. - 2009. - № 1. - С. 58-64.

Статья поступила 11 января 2016 г.

Храпов Михаил Олегович - аспирант кафедры полупроводников и микроэлектроники Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Область научных интересов: математическое моделирование полупроводниковых устройств, TCAD-моделирование.

Гридчин Виктор Алексеевич - доктор технических наук, профессор кафедры полупроводников и микроэлектроники НГТУ. Область научных интересов: микросистемная техника, микроэлектроника, исследование тепловых сенсоров.

Калинин Сергей Васильевич - доцент кафедры полупроводников и микроэлектроники НГТУ. Область научных интересов: математическое моделирование полупроводниковых устройств, TCAD-моделирование. E-mail: kalinin55@yandex.ru