實(shí)驗(yàn)六NPN器件設(shè)計(jì)與特性模擬實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)六 NPN器件TCAD模擬實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)調(diào)查掌握NPN器件的特性，轉(zhuǎn)移特性曲線，IV特性曲線，放大倍數(shù)等二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉Silvaco TCAD的仿真模擬環(huán)境；2、掌握NPN器件設(shè)計(jì)流程2. 掌握器件特性的仿真流程3. 掌握使用Tonyplot觀察仿真仿真結(jié)果三、實(shí)驗(yàn)要求1、實(shí)驗(yàn)前必須仔細(xì)調(diào)查實(shí)驗(yàn)調(diào)查的內(nèi)容2、根據(jù)程序完成NPN器件的設(shè)計(jì)仿真四、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟：1、 創(chuàng)建一個(gè)初始網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 2、初始化硅襯底 3、進(jìn)行 Boron離子注入 4、進(jìn)行 Boron擴(kuò)散 5、淀積多晶硅柵 6、進(jìn)行Polysilicon摻雜 7、刻蝕多晶硅 8、多晶硅氧化 9、 退火 10、進(jìn)行二次

2、Boron離子注入 11、形成側(cè)氧 12、進(jìn)行三次 Boron離子注入與退火 13、鏡像得到完整NPN結(jié)構(gòu) 14、形成發(fā)射級(jí)和基極接觸 15、定義電極 16、 保存ATHENA結(jié)構(gòu)文件 圖一 NPN三極管器件仿真步驟：1、結(jié)構(gòu)說(shuō)明 2、材料模型說(shuō)明 3、數(shù)學(xué)計(jì)算方法的說(shuō)明 4、解析條件說(shuō)明 5、結(jié)果分析 圖二 NPN三極管轉(zhuǎn)移特性圖三 NPN三極管IV特性五、實(shí)驗(yàn)仿真程序結(jié)構(gòu)仿真程序：go athena# Polysilicon Emitter Bipolar (NPN)line x loc=0.00 spac=0.03line x loc=0.2 spac=0.02line x loc=0.

3、24 spac=0.015line x loc=0.3 spac=0.015line x loc=0.8 spac=0.15#line y loc=0.00 spac=0.01line y loc=0.12 spac=0.01line y loc=0.3 spac=0.02line y loc=0.5 spac=0.06line y loc=1 spac=0.35# Initial Silicon Structureinit silicon c.arsenic=2e16 orientation=100#struct outfile=init_bjt.str# Implant Boronimpl

4、ant boron dose=2.5e13 energy=18 crystal# Diffuse Borondiffus time=60 temp=920 nitro#struct outfile=implant1_bjt.str# Deposit Polysilicondeposit polysilicon thick=0.3 divisions=6#struct outfile=poly_bjt.str# Implant to Dope Polysiliconimplant arsenic dose=7.5e15 energy=50 crystal#struct outfile=dopep

5、oly_bjt.str# Pattern Polysiliconetch polysilicon right p1.x=0.2#struct outfile=etchpoly_bjt.str# Polysilicon Oxidationmethod fermi compressdiffus time=25 temp=920 dryo2 press=1.00#struct outfile=polyox_bjt.str# Annealing Processdiffus time=50 temp=900 nitro press=1.00#struct outfile=anneal_bjt.str#

6、Second Boron Implantationimplant boron dose=2.5e13 energy=18 crystal#struct outfile=implant2_bjt.str# Deposit Spacerdeposit oxide thick=0.4 divisions=10#struct outfile=depositspacer_bjt.str# etch the Spacer Backetch oxide dry thick=0.50#struct outfile=etchspacer_bjt.str# Forming P+ Base Regionimplan

7、t boron dose=1e15 energy=30 crystal#struct outfile=implant3_bjt.str# Second Annealing Processdiffus time=60 temp=900 nitro press=1.00#struct outfile=anneal2_bjt.str#struct mirror left#struct outfile=full_bjt.str# Put down Aluminum and Etch to form the Emitter/Base Contactsdeposit aluminum thick=0.05

8、 divisions=2#struct outfile=deposit_Al_bjt.str# etch the Left Hand Side Shaded Regionetch aluminum start x=-0.16 y=-0.35etch cont x=-0.16 y=0.1etch cont x=-0.6 y=0.1etch done x=-0.6 y=-0.35#struct outfile=etchleft_bjt.str# etch the Right Hand Side Shaded Regionetch aluminum right p1.x=0.15#struct ou

9、tfile=etchfight_bjt.str#electrode name=emitter x=0.00#electrode name=base x=-0.65#electrode name=collector backside#struct outfile=bjt.str性能仿真程序：go atlas#mesh infile=bjt.str#material number=2 taun0=5e-06 taup0=5e-06 #models auger consrh conmob fldmob b.electrons=2 b.holes=1 evsatmod=0 hvsatmod=0 bol

10、tzman bgn print temperature=300#contact name=emitter n.poly surf.rec#method newton itlimit=25 trap atrap=0.5 maxtrap=4 autonr nrcriterion=0.1 tol.time=0.005 dt.min=1e-25solve initsolve vcollector=0.025solve vcollector=0.1solve name=collector vcollector=0.25 vfinal=2 vstep=0.25 solve vbase=0.025solve

11、 vbase=0.1solve vbase=0.2log outf=bjt_0.logsolve name=base vbase=0.3 vfinal=1 vstep=0.05 tonyplot bjt_0.log log offsolve init# Ramping base voltage solve vbase=0.025 solve vbase=0.05 solve vbase=0.1 vstep=0.1 vfinal=0.7 name=base # Switch to Current Boundary Conditions contact name=base current # ra

12、mp base current and save the solutions solve ibase=1.e-6 save outf=bjt_1.str master solve ibase=2.e-6 save outf=bjt_2.str master solve ibase=3.e-6 save outf=bjt_3.str master solve ibase=4.e-6 save outf=bjt_4.str master solve ibase=5.e-6 save outf=bjt_5.str master # Load in each initial guess file an

13、d ramp Vce load inf=bjt_1.str master log outf=bjt_1.log solve vcollector=0.0 vstep=0.1 vfinal=5.0 name=collector load inf=bjt_2.str master log outf=bjt_2.log solve vcollector=0.0 vstep=0.1 vfinal=5.0 name=collector load inf=bjt_3.str master log outf=bjt_3.logsolve vcollector=0.0 vstep=0.1 vfinal=5.0

14、 name=collector load inf=bjt_4.str master log outf=bjt_4.log solve vcollector=0.0 vstep=0.1 vfinal=5.0 name=collector load inf=bjt_5.str master log outf=bjt_5.log solve vcollector=0.0 vstep=0.1 vfinal=5.0 name=collector # Plot Family of Ic/Vce curve tonyplot -overlay bjt_1.log bjt_2.log bjt_3.log bj

15、t_4.log bjt_5.log -set bjt_1.setquit六、實(shí)驗(yàn)任務(wù)1、完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)4和仿真程序5的內(nèi)容；修改基區(qū)注入離子的濃度基區(qū)離子的濃度放大倍數(shù)七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與體會(huì)附錄：NPN三極管器件仿真操作啟動(dòng)Deckbuild，同時(shí)調(diào)用ATHENA工具包，在終端輸入命令deckbuild an&實(shí)驗(yàn)三：用ATHENA創(chuàng)建一個(gè)多晶硅發(fā)射級(jí)NPN三極管1、 創(chuàng)建一個(gè)初始網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 目的，創(chuàng)建一個(gè)0.8um*1.0um模擬區(qū)域及一個(gè)非均勻網(wǎng)格 在工具欄右鍵點(diǎn)擊Commands選Mesh Define.輸入坐標(biāo)及間距go athena# Polysilicon Emitter Bi

16、polar(NPN)line x loc=0.00 spac=0.03line x loc=0.2 spac=0.02line x loc=0.24 spac=0.015line x loc=0.3 spac=0.015line x loc=0.8 spac=0.15#line y loc=0.00 spac=0.01line y loc=0.12 spac=0.01line y loc=0.3 spac=0.02line y loc=0.5 spac=0.06line y loc=1.0 spac=0.352、初始化硅襯底 （如圖一）目的，得到均勻摻雜砷濃度為2×1016atom/

17、cm3、(100)方向的硅襯底打開(kāi)ATHENA Mesh Initialize菜單：右鍵點(diǎn)擊Commands Mesh Initialize。輸入下面選項(xiàng)Material：siliconOrientation：100Impurity：ArsenicConcentration：2.0 x 1016 atom/cm3Dimensionality：AutoComment：Initial Silicon Structure 3、進(jìn)行 Boron離子注入（如圖二） 圖一目的：本征基區(qū)離子注入選“CommandsProcessImplant.”打開(kāi)ATHENA Implant菜單，選擇或輸入以下:impu

18、rity: BoronDose: 2.5×1013Energy: 18Model: Daul PearsonTilt: 7Rotation: 30Material Type: CrystallineComment: Implant Boron 圖（二）4、進(jìn)行 Boron擴(kuò)散（如圖三） 目的：Boron離子擴(kuò)散形成區(qū)選“Commands Process Diffuse.”打開(kāi)ATHENA Diffuse菜單，選擇或輸入以下:Time: 60Temperature: 920Ambient: NitrogenGas Pressure: 1Comment: Diffuse Boron 圖三

19、5、淀積多晶硅柵并保存結(jié)構(gòu)目的：淀積形成多晶硅柵薄膜，（如圖四）首先打開(kāi)ATHENA Deposit菜單依次選“ProcessDepositDeposit.”即可，選擇或輸入以下:Type:conformal (默認(rèn)選項(xiàng))Material: PolysiliconThickness: 0.3Total number of grid layers: 6Comment: Deposit Polysilicon 圖（四）依次選“CommandsFile I/OSave”輸入文件名poly_bjt.str保存結(jié)構(gòu)如圖（圖五） 圖（五）6、進(jìn)行Polysilicon摻雜并保存結(jié)構(gòu)（如圖六） 目的：多晶硅

20、發(fā)射級(jí)摻雜選“CommandsProcessImplant.”打開(kāi)ATHENA Implant菜單，選擇或輸入以下:impurity: ArsenicDose: 7.5×1015Energy: 50Model: Daul PearsonTilt: 7Rotation: 30Material Type: Crystalline 圖（六）Comment: Implant to Dope Polysilicon結(jié)構(gòu)文件保存為dopepoly_bjt.str7、刻蝕多晶硅并保存結(jié)構(gòu)文件目的：刻蝕不需要區(qū)域的多晶硅材料（我們將刻蝕x=0.2um以右的區(qū)域）如圖七依次選擇“Commands Pr

21、ocess Etch Etch.”打開(kāi)ATHENA Etch菜單，選擇輸入以下:Etch Method: Geometrical (默認(rèn)選項(xiàng))Geometrical type: RightMaterial: PolysiliconEtch location (um): 0.2Comment: Pattern Polysilicon 結(jié)構(gòu)文件保存為etchpoly_bjt.str 圖七8、 多晶硅氧化 并保存結(jié)構(gòu)文件目的：形成掩蔽層如圖八首先打開(kāi)ATHENA Diffuse菜單:依次選擇“CommandsProcessDiffuse.”即可，選擇和輸入以下:Time: 25Temperature

22、: 920Ambient: Dry O2Gas pressure: 1HCL(uncheck)Diffusion Models: FermiOxidation Models: CompressibleComment: Polysilicon Oxidation 圖八結(jié)構(gòu)文件保存為polyox_bjt.str9、 退火并保存結(jié)構(gòu)文件 （圖九）目的：使Arsenic離子擴(kuò)散形成發(fā)射區(qū)打開(kāi)ATHENA Diffuse菜單, “Commands Process Diffuse.”即可,選擇或輸入以下:Time: 50Temperature: 900Ambient: NitrogenGas Pressu

23、re: 1Comment: Annealing Process 圖九結(jié)構(gòu)文件保存為anneal_bjt.str10、進(jìn)行二次 Boron離子注入（如圖10） 目的：形成本征基區(qū)與P+接觸的連接區(qū)域 選“Commands Process Implant.”打開(kāi)ATHENA Implant菜單，選擇或輸入以下:impurity: BoronDose: 2.5×1013Energy: 18Model: Daul PearsonTilt: 7Rotation: 30Material Type: CrystallineComment: Second Boron Implantation 結(jié)構(gòu)文

24、件保存為implant2_bjt.str 圖1011、 形成側(cè)氧 A、淀積側(cè)氧（圖11）目的：形成側(cè)氧化層 首先打開(kāi)ATHENA Deposit菜單:依次選擇“CommandsProcessDepositDeposit.”即可，選擇和輸入以下:Material: OxideThickness: 0.4Total number of grid layer:10Comment: Deposit Spacer結(jié)構(gòu)文件保存為depositspacer_bjt.str 圖11 B、刻蝕側(cè)氧（圖12）目的：刻蝕得到側(cè)氧化區(qū)域依次選擇“CommandsProcessEtchEtch.”打開(kāi)ATHENA Et

25、ch菜單，選擇輸入以下:Geometrical type : Dry thicknessMaterial: OxideThickness: 0.5Comment: Etch the Spacer Back結(jié)構(gòu)文件保存為etchspacer_bjt.str 圖1212、進(jìn)行三次 Boron離子注入與退火（如圖13，14）目的：形成基區(qū)接觸 A、進(jìn)行三次 Boron離子注入選“Commands Process Implant.”打開(kāi)ATHENA Implant菜單，選擇或輸入以下:impurity: BoronDose: 1.0×1015Energy: 30Model: Daul Pea

26、rsonTilt: 7Rotation: 30Material Type: CrystallineComment: Forming P+ Base Region 結(jié)構(gòu)文件保存為implant3_bjt.str圖13B、第二次退火打開(kāi)ATHENA Diffuse菜單, “Commands Process Diffuse.”即可,選擇或輸入以下:Time: 60Temperature: 900Ambient: NitrogenGas Pressure: 1Comment: Second Annealing Process結(jié)構(gòu)文件保存為anneal2_bjt.str圖1413、 鏡像得到完整NPN結(jié)

27、構(gòu)（圖15）目的：為了得到完整結(jié)構(gòu)，前面得到的只是Half NPN結(jié)構(gòu)。依次選“CommandsStructureMirror”打開(kāi)ATHENA Mirror菜單. 在彈出的窗口中選Left. 單擊WRITE及Cont.結(jié)構(gòu)文件保存為full_bjt.str14、形成發(fā)射級(jí)和基極接觸A、淀積金屬AL首先打開(kāi)ATHENA Deposit菜單:依次選擇“CommandsProcessDepositDeposit.”即可，選擇和輸入以下:Material: AluminumThickness: 0.05Total number of grid layer: 2Comment: Deposit Al結(jié)

28、構(gòu)文件保存為Deposit_Al_bjt.strB、刻蝕Al、刻蝕Al形成基極依次選擇“CommandsProcessEtchEtch.”打開(kāi)ATHENA Etch菜單，選擇輸入以下:Geometrical type : Any shapeMaterial: AluminumArbitrary pointsetch oxide start x=-0.16 y=-0.35etch cont x=-0.16 y=0.1etch cont x=-0.6 y=0.1etch done x=-0.6 y=-0.35Comment: Etch Al結(jié)構(gòu)文件保存為etchleft_bjt.str、刻蝕Al形

29、成發(fā)射級(jí)Geometrical type : RightMaterial: AluminumEtch location：0.15結(jié)構(gòu)文件保存為etchright_bjt.str15、定義電極依次選“CommandsStructure Electrode.”打開(kāi)ATHENA Electrode菜單，選擇或輸入以下:Electrode Type: Specified PositonName: emitterX Position: 0.0點(diǎn)擊WRITE。重復(fù)同樣的操作，定義基極、集電極Electrode Type: Specified PositonName: baseX Position: -0.

30、65點(diǎn)擊WRITE。Electrode Type: BacksideName: collector點(diǎn)擊WRITE。最后保存結(jié)構(gòu)文件bjt.strChapter4：用ATLAS仿真NPN三極管使用ATLAS模擬NPN器件，得到三極管的特征曲線 1、Ib=1uA、2uA、3uA、4uA、5uA時(shí)Vc-Ic關(guān)系曲線。1、結(jié)構(gòu)說(shuō)明 2、材料模型說(shuō)明 3、數(shù)學(xué)計(jì)算方法的說(shuō)明 4、解析條件說(shuō)明 5、結(jié)果分析1.添加結(jié)構(gòu)文件 go atlas#mesh infile=bjt.str2、材料模型說(shuō)明 A、設(shè)置載流子的壽命 a、選擇Commands Models Materialb、選擇Region ：2 （數(shù)字與器件材料一致silicon材料） c、 輸入SRH lifetime： 5e-6 （單擊WRITE） B、設(shè)置模型 a、選擇“Commands Models Models.” b、 Default： Bipolarc、單擊WRITE C、設(shè)置接觸模型 a、選擇“Commands Models Contacts.”b、 Electrode name ：emitterc、select n-polyd、選中Surface recombinatione、單擊WRITE3、數(shù)學(xué)計(jì)算方法的說(shuō)明 a、選擇“Com