專利名稱：鍺硅hbt雪崩外延層有效厚度計(jì)算方法及雪崩電流模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(SiGe HBT)雪崩外延層的有效厚度計(jì)算方法及相應(yīng)的晶體管雪崩電流仿真模型。
背景技術(shù)：
鍺硅技術(shù)是驅(qū)動(dòng)諸如數(shù)字無(wú)線手機(jī)等低價(jià)、輕便、個(gè)人化的通訊器材以及 數(shù)字機(jī)頂盒、衛(wèi)星直播、汽車防撞系統(tǒng)、PDA等娛樂(lè)信息科技產(chǎn)品迅猛發(fā)展的 強(qiáng)大力量。它的核心技術(shù)是鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(簡(jiǎn)稱SiGe HBT),這種器于傳統(tǒng)雙極型晶體管也同時(shí)優(yōu)于硅基CMOS晶體管。為SiGeHBT提供模型支持，是射頻集成電路設(shè)計(jì)仿真中不可缺少的環(huán)節(jié)， 因而在目前領(lǐng)先的鍺硅工藝節(jié)點(diǎn)上對(duì)高速SiGe HBT進(jìn)行Mextram模型的參數(shù)提 取與優(yōu)化進(jìn)行探索性研究，對(duì)于高頻集成電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有著非常重要的意義 和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在為SiGe HBT建立的模型之中，對(duì)SiGe HBT的雪崩電流進(jìn)行模型建立是其中尤為重要的一個(gè)方面。在SiGeHBT進(jìn)入大電流工作狀態(tài)之后，載流子碰撞引起的雪崩電流將極大地影響晶體管基極電流以及集電極電流的大小，進(jìn)而影 響晶體管的放大系數(shù)，改變整個(gè)晶體管的輸入輸出特性。建立準(zhǔn)確的SiGeHBT雪崩電流模型對(duì)于建立準(zhǔn)確的SiGe HBT模型進(jìn)行射頻集成電路仿真設(shè)計(jì)意義重大。業(yè)界目前所廣泛使用的SiGe HBT模型為Mextram模型，它是從雙極晶體管 模型的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Spice-Gummel-Poon模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是目前業(yè)界所應(yīng)用 最為廣泛的 一種針對(duì)雙極型晶體管的先進(jìn)緊湊模型，它提供了對(duì)鍺硅工藝的支持。它采用如下幾個(gè)公式表述SiGe HBT的雪崩電流模型L =/ (ir)^ .義.exp(-exp(其中，^表示雪崩電流；/"表示除去雪崩電流影響之后的晶體管集電極電流(集電極電流為/ 與/。,,之和)；加和&表示晶體管的雪崩常數(shù)；^為處于雪崩外延 層空間電荷區(qū)內(nèi)的空間電場(chǎng)強(qiáng)度最大值；義表示由位于集電極內(nèi)的空間電荷區(qū)內(nèi) 電場(chǎng)強(qiáng)度為零處至基極-集電極結(jié)中電場(chǎng)強(qiáng)度最大處的線性位移；K為基極-集電 極結(jié)的空間電荷區(qū)寬度，且^的計(jì)算公式為其中，^4M為獨(dú)立的模型參數(shù)，不受環(huán)境溫度影響。該模型在溫度不變的情況下對(duì)SiGe HBT進(jìn)行仿真與實(shí)際測(cè)量結(jié)果擬合情 況良好，然而隨著溫度變化它所模擬的SiGeHBT雪崩電流卻無(wú)法隨著溫度變化 而變化。圖1顯示了 SiGe HBT的正向early電壓圖形vs f^曲線，和晶體管雪崩 電流L,的大小。圖4為使用Mextram模型在進(jìn)行模型參數(shù)提取之后在25。C、 50°C、 75°C、 100。C和125。C下對(duì)正向early電壓圖形厶vs f"曲線進(jìn)^f亍仿真與實(shí)際測(cè)量曲線 擬合的情況，從圖中可以看出，在大電流條件下溫度越高M(jìn)extram仿真曲線與 實(shí)際測(cè)量曲線間的差異越明顯。這表明不同溫度下雪崩電流/av,的實(shí)際測(cè)量數(shù)值 并不相同，而Mextram模型并未提供^4W的溫度變化規(guī)則，即說(shuō)明舊有SiGe HBT模型中的雪崩電流模型存在局限性，它無(wú)法描述SiGe HBT的雪崩電流隨 溫度不同而變化的特性。本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種能準(zhǔn)確計(jì)算鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 雪崩外延層有效厚度的方法，以及一種特性可隨溫度變化的，具有清晰的物理 意義及高度準(zhǔn)確性的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的雪崩電流模型。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管雪崩外延 層有效厚度計(jì)算方法，該方法在測(cè)量得到一參考溫度下雪崩外延層有效厚度的 基礎(chǔ)上增添修正項(xiàng)，對(duì)晶體管雪崩外延層的有效厚度隨環(huán)境溫度變化的情況進(jìn)發(fā)明內(nèi)容行修正，該修正項(xiàng)為晶體管所處的環(huán)境溫度與參考溫度的差的二階或者二階以 上多項(xiàng)表達(dá)式，其相應(yīng)系數(shù)通過(guò)采用傳統(tǒng)雙極晶體管模型對(duì)鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶 體管在不同溫度下進(jìn)行參數(shù)提取而得到。進(jìn)一步地，采用晶體管所處的環(huán)境溫度re附;7與參考溫度7Ve/的差的二階多項(xiàng)式來(lái)表示雪崩外延層的有效厚度p^iw:,具體表達(dá)式為固r丄=股 < -(r， - 7>e/).固 -(r， - 7>e/)2.固pxr2; 其中，固^^,表示參考溫度下的雪崩外延層的有效厚度，脇w^表示雪崩外延 層的有效厚度隨溫度線性變化的一階溫度系數(shù)，固w^表示雪崩外延層的有效 厚度隨溫度線性變化的二階溫度系數(shù)。進(jìn)一步地，所述晶體管所處的環(huán)境溫度r^^的取值范圍為O"C至125°C。 本發(fā)明的另一方案是提供一種雪崩電流模型，應(yīng)用于對(duì)鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶 體管的器件電學(xué)仿真中，該模型采用上述的鍺硅HBT雪崩外延層有效厚度計(jì)算 方法，根據(jù)鍺硅HBT各端點(diǎn)的偏壓條件和所處環(huán)境溫度計(jì)算該晶體管雪崩電流。 進(jìn)一步地，所述的晶體管雪崩電流U由以下公式?jīng)Q定"="t)^ ."xp(-層。[1 + ^宇,其中/ 表示除去雪崩電流影響之后的晶體管集電極電流； *和&表示晶體管的雪崩常數(shù)；為處于雪崩外延層空間電荷區(qū)內(nèi)的空間電場(chǎng)強(qiáng)度峰值，由以下公式?jīng)Q定= 一腺FI 犯c+F^+JW丄 其中，^表示集電極-基極節(jié)擴(kuò)散電壓，F(xiàn)^表示集電極和基極之間電壓降， K4K表示晶體管雪崩電流的曲率決定電壓，f^4PX表示晶體管雪崩外延層的 有效厚度；A表示由位于集電極內(nèi)的空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為零處至基極-集電極結(jié)中電場(chǎng)強(qiáng)度最大處的線性位移，由以下公式?jīng)Q定離"A+4 2腿 &其中，4表示晶體管發(fā)生熱載流子現(xiàn)象的臨界電流；K為基極-集電極結(jié)的空間電荷區(qū)寬度，由以下公式?jīng)Q定:<formula>formula see original document page 7</formula>進(jìn)一步地，對(duì)于NPN晶體管，^7=7.05xl05cm", S"=1.23xl06V/cm;對(duì)于 PNP晶體管，*=1.58xl06cm-1， S"=2.04xl06V/cm。本發(fā)明在傳統(tǒng)雙極型晶體管模型基礎(chǔ)上提出了雪崩外延層有效厚度隨溫度 變化的計(jì)算方法和新的雪崩電流溫度變化參數(shù)，對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管雪崩 電流受溫度影響的特性進(jìn)行了表述，采用本發(fā)明的雪崩電流模型可以大大提高 雙極型晶體管模型對(duì)不同溫度下SiGe雙極型晶體管進(jìn)行模擬仿真的精確度。本 發(fā)明的雪崩電流模型具有清晰的物理意義，適用于0 °C至12 5 °C之間的溫度范圍。


通過(guò)以下實(shí)施例并結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解其發(fā)明的目的、具 體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點(diǎn)。其中，附圖為圖1為用于測(cè)量雙極晶體管雪崩電流U的正向early電壓圖形/4 vs f^曲線。圖2為SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管處于工作狀態(tài)時(shí)基極-集電極PN結(jié)中的電場(chǎng) 分布情況。圖3為使用傳統(tǒng)雙極晶體管模型對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在不同溫度下進(jìn) 行參數(shù)提取后得到的不同溫度下f^4W:的數(shù)值。圖4為使用傳統(tǒng)雙極晶體管模型對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在參考溫度下進(jìn) 行參數(shù)提取后在25。C、 50°C、 75°C、 100。C和125。C下進(jìn)行仿真得到的正向early 電壓圖形/6 vs &8曲線仿真與測(cè)量曲線擬合情況。圖5為使用本發(fā)明提出的模型對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在25°C、 50°C、 75°C、 100。C和125。C下進(jìn)行參數(shù)提取后進(jìn)一步在這5個(gè)不同溫度下進(jìn)行仿真得 到的正向early電壓圖形/6 vs rCB曲線仿真與測(cè)量曲線擬合情況。
具體實(shí)施方式
以下將對(duì)本發(fā)明的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管雪崩外延層有效厚度計(jì)算方法及相應(yīng)的雪崩電流模型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖2所示，本發(fā)明的SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的溫度可變雪崩電流模型主 要用途在于利用SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的雪崩外延層空間電荷區(qū)內(nèi)空間電場(chǎng)強(qiáng) 度峰值、位于集電極內(nèi)的空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為零處至基極-集電極結(jié)中電 場(chǎng)強(qiáng)度最大處的線性位移;i 、以及基極-集電極結(jié)的空間電荷區(qū)寬度『,三個(gè)主要 物理量結(jié)合晶體管的所處環(huán)境溫度對(duì)晶體管的雪崩電流L,進(jìn)行計(jì)算。參見(jiàn)圖3，通過(guò)使用傳統(tǒng)雙極晶體管模型對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在不同 溫度下進(jìn)行參數(shù)提取，發(fā)現(xiàn)晶體管雪崩外延層的有效厚度^4PX的提取數(shù)值隨著 溫度的變化而變化，具體數(shù)值可見(jiàn)圖中標(biāo)識(shí)，這可以理解為基極-集電極結(jié)間空 間電荷區(qū)受溫度上升影響而變窄。為了準(zhǔn)確描述雪崩外延層有效厚度^4n隨溫度變化的規(guī)律，本發(fā)明在測(cè)量 得到一參考溫度7Ve/下雪崩外延層有效厚度f(wàn)^W^,的基礎(chǔ)上增添修正項(xiàng)來(lái)計(jì)算,該修正項(xiàng)為晶體管所處的環(huán)境溫度r柳;7與參考溫度rw/的差的二階或者二階以上多項(xiàng)表達(dá)式，其相應(yīng)系數(shù)通過(guò)采用傳統(tǒng)雙極晶體管模型對(duì)鍺硅異質(zhì)結(jié) 雙極晶體管在不同溫度下進(jìn)行參數(shù)提取而得到。以二階為例，晶體管雪崩外延層的有效厚度rxPT隨溫度變化的表達(dá)式可寫(xiě)為假n =脇KLrre/ _ (r， - 7Ve/).脇 _ (r， - 7>e/)2.脇 采用數(shù)據(jù)擬合軟件，例如matlab、 kaleidagraph等進(jìn)行擬合，可以提取出雪崩外 延層的有效厚度隨溫度線性變化的 一 階溫度系數(shù)固和雪崩外延層的有效厚 度隨溫度線性變化的二階溫度系數(shù)固PZn 。圖3是以25。C為參考溫度，采用傳統(tǒng)雙極晶體管模型對(duì)鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶 體管在不同溫度下進(jìn)行參數(shù)提取后得到的不同溫度下的際PX數(shù)值，并采用擬合 軟件擬合得到〖ww:隨溫度變化的曲線，其中，參考溫度下雪崩外延層的有效厚 度f(wàn)^4M^ = 1.27e-7m，通過(guò)參數(shù)提取得到的一階、二階溫度系數(shù)『^^^ = 4.8e-10m/。C, ^4PXn = -3.17e-12m/。C2,從而可以得到隨溫度變化的表達(dá)式。當(dāng)然，也可采用(r柳p-7><)的二階以上的多項(xiàng)式來(lái)表示PTv4K丄，以更精確地 描述『JKL受溫度影響的特性，其參數(shù)提取方法如上，在此不再贅述。通過(guò)晶體管雪崩外延層的有效厚度P^4M、晶體管雪崩電流的曲率決定電壓 K4PX、集電極-基極結(jié)擴(kuò)散電壓^、集電極和基極之間電壓降^，利用雪崩外延層空間電荷區(qū)內(nèi)的空間電場(chǎng)強(qiáng)度峰值計(jì)算公式<formula>formula see original document page 0</formula> 可以得到Em.進(jìn)一步地，通過(guò)WAVL、 VAVL、 Vdc, VCB和晶體管發(fā)生熱載流子現(xiàn)象的臨界電流Ihc ，利用基極-集電極結(jié)的空間電荷區(qū)寬度Wd計(jì)算公式<formula>formula see original document page 0</formula>可以得到Wd。進(jìn)一步地，通過(guò)WAVL、 VAVL、 Ihc和除去雪崩電流影響之后的晶體管集電極電流In, 利用位于集電極內(nèi)的空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為零處至基極-集電極結(jié)中電場(chǎng)強(qiáng)度最大處的線性位移A計(jì)算公式<formula>formula see original document page 0</formula>可以得到y(tǒng).進(jìn)一步地，通過(guò)晶體管的雪崩常數(shù)An和Bn、 In、 Em、 Wd、y，利用SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管的雪崩電流計(jì)算公式<formula>formula see original document page 0</formula>最終可以得到晶體管的雪崩電流Iavl。其中，對(duì)于NPN晶體管，An取值為 7.05xl05cm-1，加取值為1.23x106V/cm;對(duì)于PNP晶體管，An取值為1.58x106 cm-1, Bn取值為2.04xl06V/cm。參見(jiàn)圖5,其為使用本發(fā)明提出的雪崩電流模型對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 在25。C、 50°C、 75°C、 100。C和125。C下進(jìn)行參數(shù)提取后進(jìn)一步在這五個(gè)不同溫 度下進(jìn)行仿真得到的正向early電壓圖形Ih vs rCB曲線仿真與測(cè)量曲線擬合情況。與圖4所示的現(xiàn)有模型相比，采用本發(fā)明的模型仿真出的曲線與實(shí)際測(cè)量 曲線的吻合程度要高得多。綜上所迷，本發(fā)明的雪崩電流模型對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管雪崩電流受溫 度影響的特性進(jìn)行了表述，在傳統(tǒng)雙極型晶體管模型基礎(chǔ)上添加了雪崩外延層 的有效厚度脇FI的溫度變化公式和新的雪崩電流溫度變化參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了 SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的溫度可變雪崩電流模型。經(jīng)本模型仿真計(jì)算得到的各 溫度下雪崩電流仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)吻合得很好，提高了雙極型晶體管模 型對(duì)不同溫度下SiGe雙極型晶體管進(jìn)行模擬仿真的精確度。
權(quán)利要求
1、一種鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)雪崩外延層有效厚度計(jì)算方法，其特征在于，在測(cè)量得到一參考溫度下雪崩外延層有效厚度的基礎(chǔ)上增添修正項(xiàng)，對(duì)晶體管雪崩外延層的有效厚度隨環(huán)境溫度變化的情況進(jìn)行修正，該修正項(xiàng)為晶體管所處的環(huán)境溫度與參考溫度的差的二階或者二階以上多項(xiàng)表達(dá)式，其相應(yīng)系數(shù)通過(guò)采用傳統(tǒng)雙極晶體管模型對(duì)鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在不同溫度下進(jìn)行參數(shù)提取而得到。
2、 如權(quán)利要求1所述的鍺硅HBT雪崩外延層有效厚度計(jì)算方法，其特征 在于，采用晶體管所處的環(huán)境溫度re，^與參考溫度7Ve/的差的二階多項(xiàng)式來(lái)表 示雪崩外延層的有效厚度^4F丄，具體表達(dá)式為<formula>formula see original document page 2</formula>;其中，^4W^,表示參考溫度下的雪崩外延層的有效厚度，^4P^,表示雪崩 外延層的有效厚度隨溫度線性變化的一階溫度系數(shù)，固W^表示雪崩外延層的 有效厚度隨溫度線性變化的二階溫度系數(shù)。
3、 如權(quán)利要求1所述的鍺硅HBT雪崩外延層有效厚度計(jì)算方法，其特征 在于所述晶體管所處的環(huán)境溫度7>，的取值范圍為0。C至125。C。
4、 一種雪崩電流;漠型，應(yīng)用于對(duì)鍺硅異質(zhì)結(jié)雙^l晶體管(HBT)的器件電 學(xué)仿真中，其特征在于，該模型采用權(quán)利要求1所述的鍺硅HBT雪崩外延層有 效厚度計(jì)算方法，根據(jù)鍺硅HBT各端點(diǎn)的偏壓條件和所處環(huán)境溫度計(jì)算該晶體 管雪崩電流。
5、 如權(quán)利要求4所述的雪崩電流模型，其特征在于，所述的晶體管雪崩電 流L,由以下7>式?jīng)Q定<formula>formula see original document page 2</formula> 其中表示除去雪崩電流影響之后的晶體管集電極電流； *和^表示晶體管的雪崩常數(shù)；五 為處于雪崩外延層空間電荷區(qū)內(nèi)的空間電場(chǎng)強(qiáng)度峰值，由以下公式?jīng)Q定:<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^表示集電極-基極節(jié)擴(kuò)散電壓，^,表示集電極和基極之間電壓降， PX表示晶體管雪崩電流的曲率決定電壓，固PX表示晶體管雪崩外延層的有效厚度；;i表示由位于集電極內(nèi)的空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為零處至基極-集電極結(jié)中 電場(chǎng)強(qiáng)度最大處的線性位移，由以下今式?jīng)Q定2隠 &其中，/te表示晶體管發(fā)生熱載流子現(xiàn)象的臨界電流；K為基極-集電極結(jié)的空間電荷區(qū)寬度，由以下公式?jīng)Q定<formula>formula see original document page 0</formula>
6、 如權(quán)利要求4所述的雪崩電流模型，其特征在于對(duì)于NPN晶體管， j"=7.05xl05cm"， S"=1.23xl06V/cm;對(duì)于PNP晶體管，^"=1.58xl06 cm-1, S"=2.04xl06V/cm。
7、 如權(quán)利要求4所述的雪崩電流模型，其特征在于采用晶體管所處的環(huán) 境溫度7>，與參考溫度7>e/的差的二階多項(xiàng)式來(lái)表示雪崩外延層的有效厚度具體公式為<formula>formula see original document page 0</formula>其中，『乂ra^表示參考溫度下的雪崩外延層的有效厚度，^4W^表示雪崩外延層的有效厚度隨溫度線性變化的一階溫度系數(shù)，固W^表示雪崩外延層的有效厚度隨溫度線性變化的二階溫度系數(shù)。
8、 如權(quán)利要求4所述的雪崩電流模型，其特征在于所述的晶體管所處的 環(huán)境溫度rmp的取值范圍為(TC至125°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)雪崩外延層有效厚度計(jì)算方法及雪崩電流模型，可根據(jù)鍺硅HBT的各端點(diǎn)偏壓條件和所處環(huán)境溫度計(jì)算該晶體管的雪崩電流。模型參數(shù)包括雪崩電流的曲率決定電壓VAVL，晶體管雪崩常數(shù)An和Bn，集電極-基極結(jié)擴(kuò)散電壓V_dc，晶體管發(fā)生熱載流子現(xiàn)象的臨界電流I_hc，參考溫度下雪崩外延層的有效厚度WAVL_Tref以及該有效厚度隨溫度線性變化的一、二階溫度系數(shù)WAVL_T1、WAVL_T2。本模型結(jié)合傳統(tǒng)雙極晶體管的雪崩電流計(jì)算方法，創(chuàng)新性地提出雪崩外延層有效厚度的溫度變化公式和雪崩電流溫度變化參數(shù)，并進(jìn)一步提出了可隨溫度變化的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管雪崩電流數(shù)學(xué)模型，提高了對(duì)不同溫度下鍺硅雙極型晶體管進(jìn)行模擬仿真的精確度。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101251864SQ20081003511
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者錚 任, 胡少堅(jiān) 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司