专利名称：锗硅hbt雪崩外延层有效厚度计算方法及雪崩电流模型的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)雪崩外延层的有效厚度计算方法及相应的晶体管雪崩电流仿真模型。
背景技术：
锗硅技术是驱动诸如数字无线手机等低价、轻便、个人化的通讯器材以及 数字机顶盒、卫星直播、汽车防撞系统、PDA等娱乐信息科技产品迅猛发展的 强大力量。它的核心技术是锗硅异质结双极晶体管(简称SiGe HBT),这种器于传统双极型晶体管也同时优于硅基CMOS晶体管。为SiGeHBT提供模型支持，是射频集成电路设计仿真中不可缺少的环节， 因而在目前领先的锗硅工艺节点上对高速SiGe HBT进行Mextram模型的参数提 取与优化进行探索性研究，对于高频集成电路的设计开发有着非常重要的意义 和广泛的应用价值。在为SiGe HBT建立的模型之中，对SiGe HBT的雪崩电流进行模型建立是其中尤为重要的一个方面。在SiGeHBT进入大电流工作状态之后，载流子碰撞引起的雪崩电流将极大地影响晶体管基极电流以及集电极电流的大小，进而影 响晶体管的放大系数，改变整个晶体管的输入输出特性。建立准确的SiGeHBT雪崩电流模型对于建立准确的SiGe HBT模型进行射频集成电路仿真设计意义重大。业界目前所广泛使用的SiGe HBT模型为Mextram模型，它是从双极晶体管 模型的工业标准Spice-Gummel-Poon模型基础上发展而来，是目前业界所应用 最为广泛的 一种针对双极型晶体管的先进紧凑模型，它提供了对锗硅工艺的支持。它采用如下几个公式表述SiGe HBT的雪崩电流模型L =/ (ir)^ .义.exp(-exp(其中，^表示雪崩电流；/"表示除去雪崩电流影响之后的晶体管集电极电流(集电极电流为/ 与/。,,之和)；加和&表示晶体管的雪崩常数；^为处于雪崩外延 层空间电荷区内的空间电场强度最大值；义表示由位于集电极内的空间电荷区内 电场强度为零处至基极-集电极结中电场强度最大处的线性位移；K为基极-集电 极结的空间电荷区宽度，且^的计算公式为其中，^4M为独立的模型参数，不受环境温度影响。该模型在温度不变的情况下对SiGe HBT进行仿真与实际测量结果拟合情 况良好，然而随着温度变化它所模拟的SiGeHBT雪崩电流却无法随着温度变化 而变化。图1显示了 SiGe HBT的正向early电压图形vs f^曲线，和晶体管雪崩 电流L,的大小。图4为使用Mextram模型在进行模型参数提取之后在25。C、 50°C、 75°C、 100。C和125。C下对正向early电压图形厶vs f"曲线进^f亍仿真与实际测量曲线 拟合的情况，从图中可以看出，在大电流条件下温度越高Mextram仿真曲线与 实际测量曲线间的差异越明显。这表明不同温度下雪崩电流/av,的实际测量数值 并不相同，而Mextram模型并未提供^4W的温度变化规则，即说明旧有SiGe HBT模型中的雪崩电流模型存在局限性，它无法描述SiGe HBT的雪崩电流随 温度不同而变化的特性。本发明所解决的技术问题在于提供一种能准确计算锗硅异质结双极晶体管 雪崩外延层有效厚度的方法，以及一种特性可随温度变化的，具有清晰的物理 意义及高度准确性的锗硅异质结双极晶体管的雪崩电流模型。为了解决上述技术问题，本发明提供一种锗硅异质结双极晶体管雪崩外延 层有效厚度计算方法，该方法在测量得到一参考温度下雪崩外延层有效厚度的 基础上增添修正项，对晶体管雪崩外延层的有效厚度随环境温度变化的情况进发明内容行修正，该修正项为晶体管所处的环境温度与参考温度的差的二阶或者二阶以 上多项表达式，其相应系数通过采用传统双极晶体管模型对锗硅异质结双极晶 体管在不同温度下进行参数提取而得到。进一步地，采用晶体管所处的环境温度re附;7与参考温度7Ve/的差的二阶多项式来表示雪崩外延层的有效厚度p^iw:,具体表达式为固r丄=股 < -(r， - 7>e/).固 -(r， - 7>e/)2.固pxr2; 其中，固^^,表示参考温度下的雪崩外延层的有效厚度，脇w^表示雪崩外延 层的有效厚度随温度线性变化的一阶温度系数，固w^表示雪崩外延层的有效 厚度随温度线性变化的二阶温度系数。进一步地，所述晶体管所处的环境温度r^^的取值范围为O"C至125°C。 本发明的另一方案是提供一种雪崩电流模型，应用于对锗硅异质结双极晶 体管的器件电学仿真中，该模型采用上述的锗硅HBT雪崩外延层有效厚度计算 方法，根据锗硅HBT各端点的偏压条件和所处环境温度计算该晶体管雪崩电流。 进一步地，所述的晶体管雪崩电流U由以下公式决定"="t)^ ."xp(-層。[1 + ^宇,其中/ 表示除去雪崩电流影响之后的晶体管集电极电流； *和&表示晶体管的雪崩常数；为处于雪崩外延层空间电荷区内的空间电场强度峰值，由以下公式决定= 一腺FI 犯c+F^+JW丄 其中，^表示集电极-基极节扩散电压，F^表示集电极和基极之间电压降， K4K表示晶体管雪崩电流的曲率决定电压，f^4PX表示晶体管雪崩外延层的 有效厚度；A表示由位于集电极内的空间电荷区内电场强度为零处至基极-集电极结中电场强度最大处的线性位移，由以下公式决定離"A+4 2腿 &其中，4表示晶体管发生热载流子现象的临界电流；K为基极-集电极结的空间电荷区宽度，由以下公式决定:<formula>formula see original document page 7</formula>进一步地，对于NPN晶体管，^7=7.05xl05cm", S"=1.23xl06V/cm;对于 PNP晶体管，*=1.58xl06cm-1， S"=2.04xl06V/cm。本发明在传统双极型晶体管模型基础上提出了雪崩外延层有效厚度随温度 变化的计算方法和新的雪崩电流温度变化参数，对SiGe异质结双极晶体管雪崩 电流受温度影响的特性进行了表述，采用本发明的雪崩电流模型可以大大提高 双极型晶体管模型对不同温度下SiGe双极型晶体管进行模拟仿真的精确度。本 发明的雪崩电流模型具有清晰的物理意义，适用于0 °C至12 5 °C之间的温度范围。
通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具 体结构特征和优点。其中，附图为图1为用于测量双极晶体管雪崩电流U的正向early电压图形/4 vs f^曲线。图2为SiGe异质结双极晶体管处于工作状态时基极-集电极PN结中的电场 分布情况。图3为使用传统双极晶体管模型对SiGe异质结双极晶体管在不同温度下进 行参数提取后得到的不同温度下f^4W:的数值。图4为使用传统双极晶体管模型对SiGe异质结双极晶体管在参考温度下进 行参数提取后在25。C、 50°C、 75°C、 100。C和125。C下进行仿真得到的正向early 电压图形/6 vs &8曲线仿真与测量曲线拟合情况。图5为使用本发明提出的模型对SiGe异质结双极晶体管在25°C、 50°C、 75°C、 100。C和125。C下进行参数提取后进一步在这5个不同温度下进行仿真得 到的正向early电压图形/6 vs rCB曲线仿真与测量曲线拟合情况。
具体实施方式
以下将对本发明的锗硅异质结双极晶体管雪崩外延层有效厚度计算方法及相应的雪崩电流模型作进一步的详细描述。如图2所示，本发明的SiGe异质结双极晶体管的温度可变雪崩电流模型主 要用途在于利用SiGe异质结双极晶体管的雪崩外延层空间电荷区内空间电场强 度峰值、位于集电极内的空间电荷区内电场强度为零处至基极-集电极结中电 场强度最大处的线性位移;i 、以及基极-集电极结的空间电荷区宽度『,三个主要 物理量结合晶体管的所处环境温度对晶体管的雪崩电流L,进行计算。参见图3，通过使用传统双极晶体管模型对SiGe异质结双极晶体管在不同 温度下进行参数提取，发现晶体管雪崩外延层的有效厚度^4PX的提取数值随着 温度的变化而变化，具体数值可见图中标识，这可以理解为基极-集电极结间空 间电荷区受温度上升影响而变窄。为了准确描述雪崩外延层有效厚度^4n随温度变化的规律，本发明在测量 得到一参考温度7Ve/下雪崩外延层有效厚度f^W^,的基础上增添修正项来计算,该修正项为晶体管所处的环境温度r柳;7与参考温度rw/的差的二阶或者二阶以上多项表达式，其相应系数通过采用传统双极晶体管模型对锗硅异质结 双极晶体管在不同温度下进行参数提取而得到。以二阶为例，晶体管雪崩外延层的有效厚度rxPT随温度变化的表达式可写为假n =脇KLrre/ _ (r， - 7Ve/).脇 _ (r， - 7>e/)2.脇 采用数据拟合软件，例如matlab、 kaleidagraph等进行拟合，可以提取出雪崩外 延层的有效厚度随温度线性变化的 一 阶温度系数固和雪崩外延层的有效厚 度随温度线性变化的二阶温度系数固PZn 。图3是以25。C为参考温度，采用传统双极晶体管模型对锗硅异质结双极晶 体管在不同温度下进行参数提取后得到的不同温度下的際PX数值，并采用拟合 软件拟合得到〖ww:随温度变化的曲线，其中，参考温度下雪崩外延层的有效厚 度f^4M^ = 1.27e-7m，通过参数提取得到的一阶、二阶温度系数『^^^ = 4.8e-10m/。C, ^4PXn = -3.17e-12m/。C2,从而可以得到随温度变化的表达式。当然，也可采用(r柳p-7><)的二阶以上的多项式来表示PTv4K丄，以更精确地 描述『JKL受温度影响的特性，其参数提取方法如上，在此不再赘述。通过晶体管雪崩外延层的有效厚度P^4M、晶体管雪崩电流的曲率决定电压 K4PX、集电极-基极结扩散电压^、集电极和基极之间电压降^，利用雪崩外延层空间电荷区内的空间电场强度峰值计算公式<formula>formula see original document page 0</formula> 可以得到Em.进一步地，通过WAVL、 VAVL、 Vdc, VCB和晶体管发生热载流子现象的临界电流Ihc ，利用基极-集电极结的空间电荷区宽度Wd计算公式<formula>formula see original document page 0</formula>可以得到Wd。进一步地，通过WAVL、 VAVL、 Ihc和除去雪崩电流影响之后的晶体管集电极电流In, 利用位于集电极内的空间电荷区内电场强度为零处至基极-集电极结中电场强度最大处的线性位移A计算公式<formula>formula see original document page 0</formula>可以得到y.进一步地，通过晶体管的雪崩常数An和Bn、 In、 Em、 Wd、y，利用SiGe异质结晶体管的雪崩电流计算公式<formula>formula see original document page 0</formula>最终可以得到晶体管的雪崩电流Iavl。其中，对于NPN晶体管，An取值为 7.05xl05cm-1，加取值为1.23x106V/cm;对于PNP晶体管，An取值为1.58x106 cm-1, Bn取值为2.04xl06V/cm。参见图5,其为使用本发明提出的雪崩电流模型对SiGe异质结双极晶体管 在25。C、 50°C、 75°C、 100。C和125。C下进行参数提取后进一步在这五个不同温 度下进行仿真得到的正向early电压图形Ih vs rCB曲线仿真与测量曲线拟合情况。与图4所示的现有模型相比，采用本发明的模型仿真出的曲线与实际测量 曲线的吻合程度要高得多。综上所迷，本发明的雪崩电流模型对SiGe异质结双极晶体管雪崩电流受温 度影响的特性进行了表述，在传统双极型晶体管模型基础上添加了雪崩外延层 的有效厚度脇FI的温度变化公式和新的雪崩电流温度变化参数，最终实现了 SiGe异质结双极晶体管的温度可变雪崩电流模型。经本模型仿真计算得到的各 温度下雪崩电流仿真数据与实际测量数据吻合得很好，提高了双极型晶体管模 型对不同温度下SiGe双极型晶体管进行模拟仿真的精确度。
权利要求
1、一种锗硅异质结双极晶体管(HBT)雪崩外延层有效厚度计算方法，其特征在于，在测量得到一参考温度下雪崩外延层有效厚度的基础上增添修正项，对晶体管雪崩外延层的有效厚度随环境温度变化的情况进行修正，该修正项为晶体管所处的环境温度与参考温度的差的二阶或者二阶以上多项表达式，其相应系数通过采用传统双极晶体管模型对锗硅异质结双极晶体管在不同温度下进行参数提取而得到。
2、 如权利要求1所述的锗硅HBT雪崩外延层有效厚度计算方法，其特征 在于，采用晶体管所处的环境温度re，^与参考温度7Ve/的差的二阶多项式来表 示雪崩外延层的有效厚度^4F丄，具体表达式为<formula>formula see original document page 2</formula>;其中，^4W^,表示参考温度下的雪崩外延层的有效厚度，^4P^,表示雪崩 外延层的有效厚度随温度线性变化的一阶温度系数，固W^表示雪崩外延层的 有效厚度随温度线性变化的二阶温度系数。
3、 如权利要求1所述的锗硅HBT雪崩外延层有效厚度计算方法，其特征 在于所述晶体管所处的环境温度7>，的取值范围为0。C至125。C。
4、 一种雪崩电流;漠型，应用于对锗硅异质结双^l晶体管(HBT)的器件电 学仿真中，其特征在于，该模型采用权利要求1所述的锗硅HBT雪崩外延层有 效厚度计算方法，根据锗硅HBT各端点的偏压条件和所处环境温度计算该晶体 管雪崩电流。
5、 如权利要求4所述的雪崩电流模型，其特征在于，所述的晶体管雪崩电 流L,由以下7>式决定<formula>formula see original document page 2</formula> 其中表示除去雪崩电流影响之后的晶体管集电极电流； *和^表示晶体管的雪崩常数；五 为处于雪崩外延层空间电荷区内的空间电场强度峰值，由以下公式决定:<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^表示集电极-基极节扩散电压，^,表示集电极和基极之间电压降， PX表示晶体管雪崩电流的曲率决定电压，固PX表示晶体管雪崩外延层的有效厚度；;i表示由位于集电极内的空间电荷区内电场强度为零处至基极-集电极结中 电场强度最大处的线性位移，由以下今式决定2隠 &其中，/te表示晶体管发生热载流子现象的临界电流；K为基极-集电极结的空间电荷区宽度，由以下公式决定<formula>formula see original document page 0</formula>
6、 如权利要求4所述的雪崩电流模型，其特征在于对于NPN晶体管， j"=7.05xl05cm"， S"=1.23xl06V/cm;对于PNP晶体管，^"=1.58xl06 cm-1, S"=2.04xl06V/cm。
7、 如权利要求4所述的雪崩电流模型，其特征在于采用晶体管所处的环 境温度7>，与参考温度7>e/的差的二阶多项式来表示雪崩外延层的有效厚度具体公式为<formula>formula see original document page 0</formula>其中，『乂ra^表示参考温度下的雪崩外延层的有效厚度，^4W^表示雪崩外延层的有效厚度随温度线性变化的一阶温度系数，固W^表示雪崩外延层的有效厚度随温度线性变化的二阶温度系数。
8、 如权利要求4所述的雪崩电流模型，其特征在于所述的晶体管所处的 环境温度rmp的取值范围为(TC至125°C。
全文摘要
本发明提供一种锗硅异质结双极晶体管(HBT)雪崩外延层有效厚度计算方法及雪崩电流模型，可根据锗硅HBT的各端点偏压条件和所处环境温度计算该晶体管的雪崩电流。模型参数包括雪崩电流的曲率决定电压VAVL，晶体管雪崩常数An和Bn，集电极-基极结扩散电压V<sub>dc</sub>，晶体管发生热载流子现象的临界电流I<sub>hc</sub>，参考温度下雪崩外延层的有效厚度WAVL<sub>Tref</sub>以及该有效厚度随温度线性变化的一、二阶温度系数WAVL<sub>T1</sub>、WAVL<sub>T2</sub>。本模型结合传统双极晶体管的雪崩电流计算方法，创新性地提出雪崩外延层有效厚度的温度变化公式和雪崩电流温度变化参数，并进一步提出了可随温度变化的锗硅异质结双极晶体管雪崩电流数学模型，提高了对不同温度下锗硅双极型晶体管进行模拟仿真的精确度。
文档编号G06F17/50GK101251864SQ20081003511
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者铮 任, 胡少坚 申请人:上海集成电路研发中心有限公司