NPN型双极晶体管(半导体器件课程设计)

微电子器件课程设计报告

题目：NPN型双极晶体管

班级：微电0802班

学号：080803206

姓名：李子忠

指导老师：刘剑霜

2011 年6月6日

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一、目标结构

NPN 型双极晶体管

二、目标参数

最终从IV曲线中提取出包括fT和Gain在内的设计参数.

三、在该例中将使用:

（1）多晶硅发射双极器件的工艺模拟；

（2）在DEVEDIT中对结构网格重新划分；

（3）提取fT和peak gain.

ATLAS中的解过程:

1. 设置集电极偏压为2V.

2. 用log语句用来定义Gummel plot数据集文件.

3.用extract语句提取BJT的最大增益"maxgain"以及最大ft,"maxft". Gummel plot:晶体管的集电极电流Ic、基极电流Ib与基极-发射极电压Vbe关系图(以半对数坐标的形式).

四、制造工艺设计

4.1.首先在ATHENA中定义0.8um*1.0um的硅区域作为基底，掺杂为均匀的砷杂质，浓度为2.0e16/cm3,然后在基底上注入能量为18ev，浓度为4.5e15/cm3的掺杂杂质硼，退火，淀积一层厚度为0.3um的多晶硅，淀积过后，马上进行多晶硅掺杂，

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掺杂为能量50ev，浓度7.5e15/cm3的砷杂质，接着进行多晶硅栅的刻蚀（刻蚀位置在0.2um处）此时形成N++型杂质（发射区）。刻蚀后进行多晶氧化，由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，所以使用的模型将会是fermi以及compress，进行氧化工艺步骤时分别在干氧和氮的气氛下进行退火，接着进行离子注入，注入能量18ev，浓度2.5e13/cm3的杂质硼，随后进行侧墙氧化层淀积并进行刻蚀，再一次注入硼，能量30ev，浓度1.0e15/cm3，形成P+杂质（基区）并作一次镜像处理即可形成完整NPN结构,最后淀积铝电极。

4.2.三次注入硼的目的：

第一次硼注入形成本征基区;第二次硼注入自对准(self-aligned)于多晶硅发射区以形成一个连接本征基区和p+ 基极接触的connection.多晶发射极旁的侧墙(spacer-like)结构用来隔开p+ 基极接触和提供自对准.在模拟过程中,relax 语句是用来减小结构深处的网格密度,从而只需模拟器件的一半；第三次硼注入,形成p+基区。

4.3.遇到的问题

经常遇到这样一种情况:一个网格可用于工艺模拟,但如果用于器件模拟效果却不甚理想.在这种情况下,可以用网格产生工具DEVEDIT用来重建网格,从而以实现整个半导体区域内无钝角三角形.

五、原胞版图和工艺仿真结果：

用工艺软件ATHENA制作的NPN基本结构：

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用Cutline工具截取Boron的浓度分布图如下：

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用Cutline工具截取Arsenic的浓度分布图如下：

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用Cutline工具截取净掺杂的浓度分布图如下：

最后结果如图. 可以看出:发射极、基极、集电极的净掺杂浓度分别为10 的19、17(接触处为19)、16次方量级.

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参数提取：

结深及方块电阻的提取图：

运行结果：

结深：bc-nxj=0.10218um,be-nxj=0.406303um

方块电阻：b-sheet=121.458ohm/square,e-sheet=103.565ohm/square

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电流方法倍数即电流增益和ft的提取图：

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运行结果：

peak collector current=0.000397951 A

peak gain=83.1365 ，max fT=7.69477e+09

特征频率:使集电极电流与基极电流之比下降到1 的信号频率,也就是无法将输入信号放大时的频率.因此也称截至频率.

六、实验心得体会

近一周的微电子器件课程设计结束了，通过本次设计，我们学会了用silvaco进行

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器件仿真，并且懂得了NPN基本结构的工艺流程以及如何提取器件参数，培养了我们独立分析问题和解决问题的能力，懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，希望自己在今后的学习中不断加强理论和实践相结合，提高自己各方面能力。在此感谢老师的耐心指导和队友的默契合作。

附录：

模拟程序：

工艺模拟：

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=0.24 spacing=0.015

line x loc=0.3 spacing=0.015

line x loc=0.8 spacing=0.15

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#

line y loc=0.0 spacing=0.01

line y loc=0.07 spacing=0.01

line y loc=0.1 spacing=0.01

line y loc=0.12 spacing=0.01

line y loc=0.3 spacing=0.02

line y loc=0.5 spacing=0.06

line y loc=1.0 spacing=0.35

#

init c.arsenic=2e16

#

implant boron energy=18 dose=2.5e13 diffuse time=60 temp=920

# deposit polysilicon

deposit poly thick=0.3 divisions=6 min.space=0.05 # Implant to dope polysilicon

implant arsenic dose=7.5e15 energy=50

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# Pattern the poly

etch poly right p1.x=0.2

relax y.min=.2 x.min=0.2

relax y.min=.2 x.min=0.2

method compress fermi

diffuse time=25 temp=920 dryo2

diffuse time=50 temp=900 nitrogen

implant boron dose=2.5e13 energy=18

# deposit spacer

deposit oxide thick=0.4 divisions=10 min.space=0.1 # etch the spacer back

etch oxide dry thick=0.5

implant boron dose=1e15 energy=30

diffuse time=60 temp=900 nitrogen

# put down Al and etch to form contacts

deposit alum thick=0.05 div=2

etch alumin start x=0.15 y=-10

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etch continue x=0.15 y=10

etch continue x=0.6 y=10

etch done x=0.6 y=-10

structure 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 with the 'CONTACT' statement....

electrode x=0.0 name=emitter

electrode x=-0.7 name=base

electrode backside name=collector

electrode x=0.7 name=base1

# Save the final structure

structure outfile=bjtex03_0.str

# Completely remesh the structure without obtuse triangles in the semiconductor # Use the Sensitivity & Minspacing parameters to adjust the mesh density....

# .. the smaller the Sensitivity, the denser the mesh...

go devedit

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base.mesh height=0.25 width=0.25

bound.cond apply=false max.ratio=300

constr.mesh max.angle=90 max.ratio=300 max.height=1 max.width=1 \ min.height=0.0001 min.width=0.0001

constr.mesh type=Semiconductor default

constr.mesh type=Insulator default max.angle=170

constr.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" sensitivity=0.5

imp.refine imp="Boron" sensitivity=0.5

# now mesh the structure....

mesh

#

struct outfile=bjtex03_1.str

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tonyplot bjtex03_1.str -set bjtex03_1.set

#

##################### Gummel Plot Test ###########################

器件模拟

go atlas

# set material models etc.

material taun0=5e-6 taup0=5e-6

contact name=emitter n.poly surf.rec

contact name=base common=base1 short

models bipolar print

# initial solution

solve init

# change to two carriers

method newton autonr trap

solve prev

# set the collector bias

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solve vcollector=2 local

# start ramping the base

solve vbase=0.1

# Ramp the base to 0.9 volts....

log outf=bjtex03_2.log master

solve vbase=0.2 vstep=0.05 vfinal=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.ho

save outf=bjtex03_3.str

# Now extract some design parameters...

extract name="peak collector current" max(curve(abs(v."base"),abs(i."collector"))) extract name="peak gain" max(i."collector"/ i."base")

extract name="max fT" max(g."collector""base"/(2*3.1415*c."base""base"))

# plot the results

tonyplot bjtex03_2.log -set bjtex03_2.set

quit

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