實(shí)驗(yàn)六--NPN器件設(shè)計(jì)與特性模擬實(shí)驗(yàn)(共14頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(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

2、、 退火 10、進(jìn)行二次 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)說明 2、材料模型說明 3、數(shù)學(xué)計(jì)算方法的說明 4、解析條件說明 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=0.02

3、line 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 spac=0.35# Initial Silicon Structureinit silicon c.arsenic=2e16 orientation=100#struct outfile=init_bjt.str# Impl

4、ant Boronimplant 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

5、outfile=dopepoly_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=ann

6、eal_bjt.str# 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

7、 Regionimplant 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 alumin

8、um thick=0.05 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

9、.15#struct outfile=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 h

10、vsatmod=0 boltzman 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 vba

11、se=0.025solve 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

12、 current # ramp 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

13、guess file and 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

14、.1 vfinal=5.0 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

15、 bjt_3.log bjt_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# Polysilic

16、on Emitter Bipolar(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&#

17、215;1016atom/cm3、(100)方向的硅襯底打開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ATHENA Implant菜單

18、，選擇或輸入以下:impurity: 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ATHENA Diffuse菜單，選擇或輸入以下:Time: 60Temperature: 920Ambient: NitrogenGas Pressure: 1Comment: Dif

19、fuse Boron 圖三5、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)

20、構(gòu)（如圖六） 目的：多晶硅發(fā)射級(jí)摻雜選“CommandsProcessImplant.”打開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

21、擇“Commands Process Etch Etch.”打開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ATHENA Diffuse菜單:依次選擇“CommandsProcessDiffuse.”即可，選擇和輸入以下:Time:

22、25Temperature: 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ATHENA Diffuse菜單, “Commands Process Diffuse.”即可,選擇或輸入以下:Time: 50Temperature: 900Ambient: Nitro

23、genGas Pressure: 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 Imp

24、lantation 結(jié)構(gòu)文件保存為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

25、.”打開ATHENA Etch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ATHENA Implant菜單，選擇或輸入以下:impurity: BoronDose: 1.0×1015Energy: 30Mo

26、del: Daul PearsonTilt: 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141

27、3、 鏡像得到完整NPN結(jié)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

28、: Deposit Al結(jié)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_

29、bjt.str、刻蝕Al形成發(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

30、Position: -0.65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)說明 2、材料模型說明 3、數(shù)學(xué)計(jì)算方法的說明 4、解析條件說明 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)算方法的說明 a、選擇“Commands S