Effect of Trench Isolation on the Self-heating Phenomenon in Advanced Radio Frequency SiGe Heterojunction Bipolar Transistor

Abstract

Робота спрямована на визначення впливу ізоляції канавок на самонагрівання та електричні характеристики біполярного транзистора з гетеропереходом (HBT) SiGe, розглянута структура відповідає 0,25 мкм технології BiCMOS7G. Вдосконалення технології SiGe досягається в основному зменшенням розмірів пристрою та розробкою його архітектури для поліпшення радіочастотної ємності. Цікавою розробкою є впровадження ізоляції мілких та глибоких канавок. Вона дозволяє значно зменшити паразитні ємності та забезпечити плоску топографію після епітаксії основи SiGe. Недоліком такого впровадження є підвищення температури в пристрої через явище самонагрівання. Це відповідає внутрішньому тепловиділенню на транзисторних переходах. Для оптимізації цього ефекту ми розглянемо модель неізотермічного енергетичного балансу (NEB), засновану на методі кінцевих елементів та двовимірному тепловому моделюванні. Ця модель враховує, зокрема, температуру носіїв та надлишкові ефекти, що виникають у діапазоні розмірів розглянутих пристроїв. Потім проводиться аналіз впливу ізоляції канавок (мілких та глибоких) на електричні характеристики радіочастотного HBT SiGe з урахуванням теплового переносу носіїв. Для реалізації електротермічного моделювання використовували програмне забезпечення SILVACO-TCAD, яке поєднує модуль Athena (технологічний процес) та модуль Atlas. Ми змоделювали статичний коефіцієнт підсилення, динамічні характеристики (fT, fmax) та проаналізували розподіл тепла з ізоляцією канавок та без неї. Показано, що в сучасних структурах HBT SiGe з ізоляцією канавок та при режимах високої потужності температура решітки може значно перевищувати 300 К, і тому електричні характеристики β, fT, fmax значно погіршуються. Отримані результати узгоджуються з деякими опублікованими експериментальними даними.

This work aims to determine the effect of the trench isolation on the self-heating and electrical performances of SiGe heterojunction bipolar transistor (HBT), the considered structure corresponds to BiCMOS7G 0.25 µm technology. Advanced SiGe technologies are essentially achieved with downscaling of the device dimensions and developing its architecture to improve the radio frequency capacity of the device. An interesting development is the introduction of the Shallow and Deep Trench isolation (STI, DTI). These make it possible to reduce considerably the parasitic capacitances and to provide a flat topography after SiGe base epitaxy. The drawback of this is the temperature rise in the device through the self-heating phenomenon. This corresponds to the internal heat dissipation at the transistor junctions. To optimize this effect, we consider the non-isothermal energy balance (NEB) model based on the finite element method and two-dimensional thermal simulations. This model takes into account, particularly, the temperature of the carriers and the overshoot effects which occur in the range of dimensions of the considered devices. Analysis of the effect of trench isolation (shallow and deep trench isolation) on electrical performances of radio frequency SiGe HBT is then carried out considering thermal transfer of the carriers. The software SILVACO-TCAD coupling Athena module (technological process) and Atlas module were used to achieve electro-thermal modeling. We simulated the static gain, the dynamic characteristics (fT, fmax) and analyzed the heat distribution with and without trench isolation. It is shown that in these modern SiGe HBT structures with trench isolation and for high power regimes, the lattice temperature can greatly exceed 300 K and so the electrical performances β, fT, fmax are significantly degraded. The obtained results agree with some published experimental data.