NPN型雙極晶體管半導體器件課程設計解讀

1、微電子器件課程設計報告 題 目： NPN型雙極晶體管 班 級： 微電0802班 學 號： 080803206 姓 名： 李子忠 指導老師： 劉劍霜 2011 年6月6日1、 目標結構NPN 型雙極晶體管2、 目標參數(shù)最終從IV曲線中提取出包括fT和 Gain在內的設計參數(shù). 三、在該例中將使用: （1）多晶硅發(fā)射雙極器件的工藝模擬； （2）在DEVEDIT中對結構網(wǎng)格重新劃分； （3）提取fT和peak gain. ATLAS中的解過程: 1. 設置集電極偏壓為2V. 2. 用 log語句用來定義Gummel plot數(shù)據(jù)集文件. 3.用 extract語句提取BJT的最大增益"ma

2、xgain"以及最大 ft,"maxft". Gummel plot:晶體管的集電極電流Ic、基極電流 Ib與基極-發(fā)射極電壓 Vbe關系圖(以半對數(shù)坐標的形式).四、制造工藝設計 4.1.首先在ATHENA中定義0.8um*1.0um的硅區(qū)域作為基底，摻雜為均勻的砷雜質，濃度為2.0e16/cm3,然后在基底上注入能量為18ev，濃度為4.5e15/cm3的摻雜雜質硼，退火，淀積一層厚度為0.3um的多晶硅，淀積過后，馬上進行多晶硅摻雜，摻雜為能量50ev，濃度7.5e15/cm3的砷雜質，接著進行多晶硅柵的刻蝕（刻蝕位置在0.2um處）此時形成N+型雜質（發(fā)射

3、區(qū)）。刻蝕后進行多晶氧化，由于氧化是在一個圖形化（即非平面）以及沒有損傷的多晶上進行的，所以使用的模型將會是fermi以及compress，進行氧化工藝步驟時分別在干氧和氮的氣氛下進行退火，接著進行離子注入，注入能量18ev，濃度2.5e13/cm3的雜質硼，隨后進行側墻氧化層淀積并進行刻蝕，再一次注入硼，能量30ev，濃度1.0e15/cm3，形成P+雜質（基區(qū)）并作一次鏡像處理即可形成完整NPN結構,最后淀積鋁電極。4.2.三次注入硼的目的：第一次硼注入形成本征基區(qū);第二次硼注入自對準(self-aligned)于多晶硅發(fā)射區(qū)以形成一個連接本征基區(qū)和 p+ 基極接觸的 connection

4、.多晶發(fā)射極旁的側墻(spacer-like)結構用來隔開 p+ 基極接觸和提供自對準.在模擬過程中,relax 語句是用來減小結構深處的網(wǎng)格密度,從而只需模擬器件的一半；第三次硼注入,形成p+基區(qū)。4.3.遇到的問題 經(jīng)常遇到這樣一種情況:一個網(wǎng)格可用于工藝模擬,但如果用于器件模擬效果卻不甚理想.在這種情況下,可以用網(wǎng)格產(chǎn)生工具DEVEDIT用來重建網(wǎng)格,從而以實現(xiàn)整個半導體區(qū)域內無鈍角三角形. 五、原胞版圖和工藝仿真結果：用工藝軟件ATHENA制作的NPN基本結構：用Cutline工具截取Boron的濃度分布圖如下：用Cutline工具截取Arsenic的濃度分布圖如下：用Cutline工

5、具截取凈摻雜的濃度分布圖如下：最后結果如圖. 可以看出:發(fā)射極、基極、集電極的凈摻雜濃度分別為 10 的 19、17(接觸處為 19)、16次方量級.參數(shù)提?。航Y深及方塊電阻的提取圖：運行結果：結深：bc-nxj=0.10218um,be-nxj=0.406303um方塊電阻：b-sheet=121.458ohm/square,e-sheet=103.565ohm/square電流方法倍數(shù)即電流增益和ft的提取圖：運行結果：peak collector current=0.000397951 A peak gain=83.1365 ，max fT=7.69477e+09 特征頻率:使集電極電流

6、與基極電流之比下降到 1 的信號頻率,也就是無法將輸入信號放大時的頻率.因此也稱截至頻率. 六、實驗心得體會近一周的微電子器件課程設計結束了，通過本次設計，我們學會了用silvaco進行器件仿真，并且懂得了NPN基本結構的工藝流程以及如何提取器件參數(shù)，培養(yǎng)了我們獨立分析問題和解決問題的能力，懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識

7、理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，希望自己在今后的學習中不斷加強理論和實踐相結合，提高自己各方面能力。在此感謝老師的耐心指導和隊友的默契合作。附錄：模擬程序：工藝模擬：go athena#TITLE: Polysilicon Emitter Bipolar Example - Ssuprem4->Devedit->Spisces2# If you do not have Devedit: Please comment these lines out.line x loc=0.0 spacing=0.03 line x loc=0.2 spacing=0.02 line x loc=0

8、.24 spacing=0.015 line x loc=0.3 spacing=0.015 line x loc=0.8 spacing=0.15#line y loc=0.0 spacing=0.01line y loc=0.07 spacing=0.01 line y loc=0.1 spacing=0.01line y loc=0.12 spacing=0.01 line y loc=0.3 spacing=0.02 line y loc=0.5 spacing=0.06line y loc=1.0 spacing=0.35 #init c.arsenic=2e16#implant b

9、oron energy=18 dose=2.5e13diffuse time=60 temp=920# deposit polysilicondeposit poly thick=0.3 divisions=6 min.space=0.05 # Implant to dope polysiliconimplant arsenic dose=7.5e15 energy=50# Pattern the poly etch poly right p1.x=0.2relax y.min=.2 x.min=0.2relax y.min=.2 x.min=0.2method compress fermid

10、iffuse time=25 temp=920 dryo2 diffuse time=50 temp=900 nitrogenimplant boron dose=2.5e13 energy=18# deposit spacerdeposit oxide thick=0.4 divisions=10 min.space=0.1# etch the spacer backetch oxide dry thick=0.5 implant boron dose=1e15 energy=30diffuse time=60 temp=900 nitrogen# put down Al and etch

11、to form contactsdeposit alum thick=0.05 div=2 etch alumin start x=0.15 y=-10etch continue x=0.15 y=10etch continue x=0.6 y=10etch done x=0.6 y=-10structure reflect left stretch stretch.val=0.1 x.val=0.0# Name the electrodes for use with ATLAS.base and base1 will be slaved #during device simulation w

12、ith the 'CONTACT' statement.electrode x=0.0 name=emitterelectrode x=-0.7 name=baseelectrode backside name=collectorelectrode x=0.7 name=base1# Save the final structurestructure outfile=bjtex03_0.str# Completely remesh the structure without obtuse triangles in the semiconductor# Use the Sensi

13、tivity & Minspacing parameters to adjust the mesh density.# . the smaller the Sensitivity, the denser the mesh.go deveditbase.mesh height=0.25 width=0.25bound.cond apply=false max.ratio=300constr.mesh max.angle=90 max.ratio=300 max.height=1 max.width=1 min.height=0.0001 min.width=0.0001constr.me

14、sh type=Semiconductor defaultconstr.mesh type=Insulator default max.angle=170constr.mesh type=Metal default max.angle=180# Define the minimum mesh spacing globally.imp.refine min.spacing=0.025# Select a list of solution (impurity) gradients to refine upon.imp.refine imp="Arsenic" sensitivi

15、ty=0.5imp.refine imp="Boron" sensitivity=0.5# now mesh the structure.mesh#struct outfile=bjtex03_1.strtonyplot bjtex03_1.str -set bjtex03_1.set# Gummel Plot Test #器件模擬go atlas# set material models etc.material taun0=5e-6 taup0=5e-6contact name=emitter n.poly surf.reccontact name=base commo

16、n=base1 shortmodels bipolar print # initial solution solve init# change to two carriersmethod newton autonr trap solve prev# set the collector biassolve vcollector=2 local# start ramping the basesolve vbase=0.1 # Ramp the base to 0.9 volts. log outf=bjtex03_2.log mastersolve vbase=0.2 vstep=0.05 vfi

17、nal=0.9 name=base ac freq=1e6 aname=base# Now dump a structure file, for tonyplotting. but first decide what # you want in it, on top of the default quantities.output e.field flowlines jx.el jx.ho jy.el jy.hosave outf=bjtex03_3.str# Now extract some design parameters.extract name="peak collector current" max(curve(abs(v."base"),abs(i."collector&qu