一种基于虚拟仿真的双极型晶体管制作与性能测试分析①

朱丽华, 陈心怡

(池州职业技术学院,安徽 池州 247000)

0 引 言

电子信息产业是实施创新驱动发展战略、推动产业结构优化调整、加快转型升级、培育发展新动能的重要支撑。如何紧贴地方产业发展打造优势专业群,构建电子信息类专业新型人才培养模式,探索课程改革与地方产教融合的契合点,体现校地校企耦合发展、共同打造高技能人才培养基地。王蓉等提出基于实践的电子电路翻转课堂建设,探究在翻转课程的建设过程中,如何把理论和实践课完全融合,以在线课程资源为基础,把理论的重、难点知识以实验实践内容展现,并将其作为翻转课程研讨的主要内容[1-2];王亚林等将电子技能大赛内容和知识点作为仿真实践项目,提出工程认证下电子实践课的研究与探索[3],现基于半导体产业链发展现状和职业院校人才培养实际,提出了基于虚拟仿真的电子技术课程教学改革实践。

1 建立面向虚拟仿真的成果导向体系

因地制宜创新教学教法,电子信息类专业人才培养模式总体框架:首先确定专业培养目标,然后根据培养目标确定课程体系,最后确定课程体系的实施和保障机制。这些过程都在企业的直接或间接参与下进行[4]。依据图1从外部产业需求和内部学校定位确定培养目标,搭建教学对象、教学支撑、教学过程、教学监测评价的闭环课程体系,构建基于成果导向(OBE)的教学模式,即确定教学目标、改进教学方法、完善考核评价等[5]。

图1 课程体系构建

2 虚拟仿真实验教学过程

为了展示虚拟仿真教学的过程和效果,现以半导体的虚拟制作仿真项目——双极型晶体管制作与性能测试为例,虚拟仿真实训过程分为:虚拟仿真制造和虚拟仿真测试两个部分。让学生通过真实的仿真过程,对双极性晶体管的制造工艺有深刻的理解,对进一步掌握半导体相关性能知识点起到促进作用。一般在理论授课的基础上,充分利用网络等资源,积极借助教学仿真软件及教学实训手段,达到教学任务和教学目标。

2.1 虚拟仿真制造

在课程设计中,抓住高职学生对理论知识兴趣点低、实践能力强的特点,匹配教学目标和教学内容,对接池州半导体企业建立课程的实训项目。在课程教授的过程中,鉴于微电子工艺技术需要专用设备进行实践,设备价格高昂且实训项目单一,课程采用电子信息仿真实验平台和HSLab软件进行微电子制造工艺仿真实训。

2.1.1 制作参数要求

利用实训设备制作一个具备电流放大功能的NPN型管,需注意以下几点:

(1)基极所在的阱区位置只能在集电极和发射极中间。

(2)集电极、基极和发射极所在衬底的掺杂浓度需满足NPN掺杂极性。

(3)各个极的深度满足:集电极的深度大于基区深度,基区深度大于发射极深度,发射区深度大于0。

(4)集电极、基极和发射极所在衬底表面掺杂浓度满足:N到P到N的连续变化。

2.1.2 工艺仿真制作过程

根据双极型晶体管的工艺要求,在多功能实验平台,选择本实验课程:微电子工艺教学,如图2所示。再打开HSLab软件进行制作。

图2 平台选择课程

(1)制作N型集电区

N型集电区的制作分为两个步骤,首先通过离子注入的方法注入N型离子。注入N型离子磷,具体参数为:注入剂量为1e14cm-2,注入能量为50kev,注入角度为0度,注入结果如图3所示。离子注入后,需要通过退火来激活离子,并修复晶格损伤,退火时间为30min,退火温度为1000℃,退火后的集电区掺杂如图4所示。

(2)制作P型基区

P型基区制作分三个步骤进行,首先进行沉积掩蔽层操作,沉积材料为氮化层,沉积厚度为0.1μm,结果如图5所示,其次进行P型基区的光刻,光刻窗口设置为x1=0.4,x2=0.9.光刻材料为沉积的掩蔽层,光刻后的效果如图6所示。接下来,进行基区离子注入操作,注入P型离子硼,注入剂量为1e14cm-2,注入能量为30kev,注入角度为0°,注入后的硼掺杂结果如图7所示。最后,将掩蔽氮化层全部刻蚀掉,刻蚀的厚度为之前的沉积厚度0.1μm,刻蚀后通过退火激活离子并修复离子注入的晶格损伤,退火时间为1min,退火温度为1000℃,退火后的P型硼掺杂如图8所示。

图3 注入N型离子磷

图4 退火后集电区掺杂图

图5 沉积掩蔽层

(3)制作N+型发射区

N+型发射区的制作与第二部分类似,首先,光刻的位置为N+型发射区的位置0.7-0.8μm。故光刻参数为x1=0.7,x2=0.8。其次,注入的杂质为N型杂质磷,掺杂浓度为5e14cm-2,能量为10kev,角度为0度。最终的发射区N+磷掺杂情况如图9所示。从图中可看出,该掺杂满足设计要求。

图6 P型基区的光刻

图7 注入P型离子硼

(4)制作N+型集电区和P+型基区欧姆接触

N+型集电区和P+型基区欧姆接触的制作过程与第三部分类似,光刻窗口分别设计在集电极窗口所在位置0.1-0.2μm和0.5-0.6μm,光刻的参数分别为为x1=0.1μm, x2=0.2μm和x1=0.5μm. x2=0.6μm。磷离子注入后的掺杂情况如图14左所示,硼离子掺杂情况如图10右所示。可以看到,左边红色区域为集电极所在位置,右边红色区域为发射极所在位置,该掺杂满足实验设计要求。

图8 退火后的基区掺杂图

图9 发射区N+磷掺杂情况

(5)制作C (集电极)、B (基极)、E (发射极)三端金属电极

图11 金属电极光刻效果

图12 电势分布

上述过程为前道工序(FEOL),现进行后道工序(BEOL),即金属电极的制作,根据当前的器件结构,先沉积0.1um的氧化层作为介质绝缘层,再进行介质层和电极的光刻,最后光刻的效果如图11所示,电势分布如图12所示。那么,至此双极型晶体管整个制作工艺流程就完成了。

图13 NPN型和PNP型的晶体管

图14 晶体管参数表

图15 晶体管放大特性

图16 晶体管阻抗特性

2.2 虚拟仿真测试

为了探究双极型晶体管特性,先利用HSLab软件中两种NPN型和PNP型的晶体管,如图13所示,选择NPN型晶体管,其特性如图14晶体管参数表所示,通过调节正向放大系数BF,可观察其放大特性的变化情况,如图15所示。在三极管的理论知识学习过程中,要三极管具有放大特性,必须要满足两个条件:

(1)发射结正偏:UBE>0。

(2)集电结反偏:UBC<0,通常用UCE>UBE来表示。 显然,3个电极的电位关系为VE

晶体管放大倍数须满足:β≈IC/IB。晶体管的阻抗特性是指基极电阻、集电极电阻和发射极电阻对输入特性的影响,在本仿真实验中,通过调节发射极电阻和基极电阻,可观察其阻抗特性的变化对于器件输入特性的影响,如图16所示。通过仿真软件HSLab演示双极型晶体管特性实验,让抽象的晶体管特性具体化,仿真过程中通过调节部分参数,观察其特性变化。

3 结 语

针对职业院校电子信息类专业教学与一线产业需求存在脱节,现有教学设施跟不上新技术、新工艺等,提出闭环课程体系下的虚拟仿真教学改革,即专业人才培养方案应耦合地方产业升级发展,课程标准和培养同步于人才培养方案的动态调整,探索将虚拟仿真技术和实训项目引入课程教学。虚拟仿真数据模型和场景来自于工业界,最大程度与产业界接轨,基于工业级器件、工艺和电路的虚拟仿真器,可进行真实器件特性和工艺特性的模拟,学生在仿真过程中可以调整相关设置和参数,避免传统虚拟仿真过程单一化、简单化,实训结果理想化的问题,进而探索了职业院校培养技能型人才的方法途径,仿真平台还可以继续延伸至信息化教学,适应了线上教学的需求。