实验六NPN器件设计与特性模拟实验

1、实验六 NPN器件TCAD模拟实验一、 实验调查掌握NPN器件的特性，转移特性曲线，IV特性曲线，放大倍数等二、实验目的1. 熟悉Silvaco TCAD的仿真模拟环境；2、掌握NPN器件设计流程2. 掌握器件特性的仿真流程3. 掌握使用Tonyplot观察仿真仿真结果三、实验要求1、实验前必须仔细调查实验调查的内容2、根据程序完成NPN器件的设计仿真四、实验指导器件结构设计步骤：1、 创建一个初始网格结构 2、初始化硅衬底 3、进行 Boron离子注入 4、进行 Boron扩散 5、淀积多晶硅栅 6、进行Polysilicon掺杂 7、刻蚀多晶硅 8、多晶硅氧化 9、 退火 10、进行二次

2、Boron离子注入 11、形成侧氧 12、进行三次 Boron离子注入与退火 13、镜像得到完整NPN结构 14、形成发射级和基极接触 15、定义电极 16、 保存ATHENA结构文件 图一 NPN三极管器件仿真步骤：1、结构说明 2、材料模型说明 3、数学计算方法的说明 4、解析条件说明 5、结果分析 图二 NPN三极管转移特性图三 NPN三极管IV特性五、实验仿真程序结构仿真程序：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、实验任务1、完成实验指导4和仿真程序5的内容；修改基区注入离子的浓度基区离子的浓度放大倍数七、实验结果分析与体会附录：NPN三极管器件仿真操作启动Deckbuild，同时调用ATHENA工具包，在终端输入命令deckbuild an&实验三：用ATHENA创建一个多晶硅发射级NPN三极管1、 创建一个初始网格结构 目的，创建一个0.8um*1.0um模拟区域及一个非均匀网格 在工具栏右键点击Commands选Mesh Define.输入坐标及间距go athena# Polysilicon Emitter Bipola

16、r(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、初始化硅衬底 （如图一）目的，得到均匀掺杂砷浓度为21016atom/cm3、(100)方

17、向的硅衬底打开ATHENA Mesh Initialize菜单：右键点击Commands Mesh Initialize。输入下面选项Material：siliconOrientation：100Impurity：ArsenicConcentration：2.0 x 1016 atom/cm3Dimensionality：AutoComment：Initial Silicon Structure 3、进行 Boron离子注入（如图二） 图一目的：本征基区离子注入选“CommandsProcessImplant.”打开ATHENA Implant菜单，选择或输入以下:impurity: Boro

18、nDose: 2.51013Energy: 18Model: Daul PearsonTilt: 7Rotation: 30Material Type: CrystallineComment: Implant Boron 图（二）4、进行 Boron扩散（如图三） 目的：Boron离子扩散形成区选“Commands Process Diffuse.”打开ATHENA Diffuse菜单，选择或输入以下:Time: 60Temperature: 920Ambient: NitrogenGas Pressure: 1Comment: Diffuse Boron 图三5、淀积多晶硅栅并保存结构目的：

19、淀积形成多晶硅栅薄膜，（如图四）首先打开ATHENA Deposit菜单依次选“ProcessDepositDeposit.”即可，选择或输入以下:Type:conformal (默认选项)Material: PolysiliconThickness: 0.3Total number of grid layers: 6Comment: Deposit Polysilicon 图（四）依次选“CommandsFile I/OSave”输入文件名poly_bjt.str保存结构如图（图五） 图（五）6、进行Polysilicon掺杂并保存结构（如图六） 目的：多晶硅发射级掺杂选“CommandsP

20、rocessImplant.”打开ATHENA Implant菜单，选择或输入以下:impurity: ArsenicDose: 7.51015Energy: 50Model: Daul PearsonTilt: 7Rotation: 30Material Type: Crystalline 图（六）Comment: Implant to Dope Polysilicon结构文件保存为dopepoly_bjt.str7、刻蚀多晶硅并保存结构文件目的：刻蚀不需要区域的多晶硅材料（我们将刻蚀x=0.2um以右的区域）如图七依次选择“Commands Process Etch Etch.”打开ATH

21、ENA Etch菜单，选择输入以下:Etch Method: Geometrical (默认选项)Geometrical type: RightMaterial: PolysiliconEtch location (um): 0.2Comment: Pattern Polysilicon 结构文件保存为etchpoly_bjt.str 图七8、 多晶硅氧化 并保存结构文件目的：形成掩蔽层如图八首先打开ATHENA Diffuse菜单:依次选择“CommandsProcessDiffuse.”即可，选择和输入以下:Time: 25Temperature: 920Ambient: Dry O2Ga

22、s pressure: 1HCL(uncheck)Diffusion Models: FermiOxidation Models: CompressibleComment: Polysilicon Oxidation 图八结构文件保存为polyox_bjt.str9、 退火并保存结构文件 （图九）目的：使Arsenic离子扩散形成发射区打开ATHENA Diffuse菜单, “Commands Process Diffuse.”即可,选择或输入以下:Time: 50Temperature: 900Ambient: NitrogenGas Pressure: 1Comment: Annealin

23、g Process 图九结构文件保存为anneal_bjt.str10、进行二次 Boron离子注入（如图10） 目的：形成本征基区与P+接触的连接区域 选“Commands Process Implant.”打开ATHENA Implant菜单，选择或输入以下:impurity: BoronDose: 2.51013Energy: 18Model: Daul PearsonTilt: 7Rotation: 30Material Type: CrystallineComment: Second Boron Implantation 结构文件保存为implant2_bjt.str 图1011、

24、形成侧氧 A、淀积侧氧（图11）目的：形成侧氧化层 首先打开ATHENA Deposit菜单:依次选择“CommandsProcessDepositDeposit.”即可，选择和输入以下:Material: OxideThickness: 0.4Total number of grid layer:10Comment: Deposit Spacer结构文件保存为depositspacer_bjt.str 图11 B、刻蚀侧氧（图12）目的：刻蚀得到侧氧化区域依次选择“CommandsProcessEtchEtch.”打开ATHENA Etch菜单，选择输入以下:Geometrical type

25、 : Dry thicknessMaterial: OxideThickness: 0.5Comment: Etch the Spacer Back结构文件保存为etchspacer_bjt.str 图1212、进行三次 Boron离子注入与退火（如图13，14）目的：形成基区接触 A、进行三次 Boron离子注入选“Commands Process Implant.”打开ATHENA Implant菜单，选择或输入以下:impurity: BoronDose: 1.01015Energy: 30Model: Daul PearsonTilt: 7Rotation: 30Material Ty

26、pe: CrystallineComment: Forming P+ Base Region 结构文件保存为implant3_bjt.str图13B、第二次退火打开ATHENA Diffuse菜单, “Commands Process Diffuse.”即可,选择或输入以下:Time: 60Temperature: 900Ambient: NitrogenGas Pressure: 1Comment: Second Annealing Process结构文件保存为anneal2_bjt.str图1413、 镜像得到完整NPN结构（图15）目的：为了得到完整结构，前面得到的只是Half NPN结

27、构。依次选“CommandsStructureMirror”打开ATHENA Mirror菜单. 在弹出的窗口中选Left. 单击WRITE及Cont.结构文件保存为full_bjt.str14、形成发射级和基极接触A、淀积金属AL首先打开ATHENA Deposit菜单:依次选择“CommandsProcessDepositDeposit.”即可，选择和输入以下:Material: AluminumThickness: 0.05Total number of grid layer: 2Comment: Deposit Al结构文件保存为Deposit_Al_bjt.strB、刻蚀Al、刻蚀A

28、l形成基极依次选择“CommandsProcessEtchEtch.”打开ATHENA Etch菜单，选择输入以下: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结构文件保存为etchleft_bjt.str、刻蚀Al形成发射级Geometrical type : RightMateri

29、al: AluminumEtch location：0.15结构文件保存为etchright_bjt.str15、定义电极依次选“CommandsStructure Electrode.”打开ATHENA Electrode菜单，选择或输入以下:Electrode Type: Specified PositonName: emitterX Position: 0.0点击WRITE。重复同样的操作，定义基极、集电极Electrode Type: Specified PositonName: baseX Position: -0.65点击WRITE。Electrode Type: Backside

30、Name: collector点击WRITE。最后保存结构文件bjt.strChapter4：用ATLAS仿真NPN三极管使用ATLAS模拟NPN器件，得到三极管的特征曲线 1、Ib=1uA、2uA、3uA、4uA、5uA时Vc-Ic关系曲线。1、结构说明 2、材料模型说明 3、数学计算方法的说明 4、解析条件说明 5、结果分析1.添加结构文件 go atlas#mesh infile=bjt.str2、材料模型说明 A、设置载流子的寿命 a、选择Commands Models Materialb、选择Region ：2 （数字与器件材料一致silicon材料） c、 输入SRH lifetime： 5e-6 （单击WRITE） B、设置模型 a、选择“Commands Models Models.” b、 Default： Bipolarc、单击WRITE C、设置接触模型 a、选择“Commands Models Contacts.”b、 Electrode name ：emitterc、select n-polyd、选中Surface recombinatione、单击WRITE3、数学计算方法的说明 a、选择“Command