纳米CMOS工艺中高性能BJT研究与建模

论文摘要

随着CMOS技术的不断进步,其特征尺寸越来越小,目前的发展方向是在12英寸硅片上实现32nm的制造技术。硅CMOS工艺由于其高性能,高集成度,低功耗以及低成本等优点,已经在数字电路,混合信号电路,以及射频集成电路中被广泛应用。硅CMOS器件的低频1/f噪声是困扰CMOS器件应用的问题之一,1/f噪声会显著降低如mixer之类RF模块的性能。双极型晶体管在速度,电流驱动能力和噪声性能等方面具有明显优势,因此,在电路中同时使用CMOS技术与双极型技术可以大大改善电路性能,而同时制作这两种器件的BiCMOS工艺成本高,工艺复杂。利用硅CMOS工艺制作双极型晶体管器件不仅可以提高电路性能,而且也可以达到提高电路集成度、降低制作成本等目的。为此,本文利用中芯国际（SMIC）先进的130nm和90nm RFCMOS工艺研究制作了横向和纵向两种结构的高性能双极型晶体管。通过结构优化与工艺优化改善了器件性能,特别是在90nm CMOS工艺中,晶体管基区宽度达到了100nm的量级。这些高性能双极型晶体管器件的研究开发可提高电路的性能并节省成本,同时也有助于RF ESD保护电路的设计。本文的主要研究包括:（1）优化设计横向和纵向双极型晶体管,根据所采用SMIC 130nm和90nmRF CMOS工艺设计并制造了横向和纵向双极型晶体管。（2）对所设计的各种结构的双极型晶体管进行了直流特性测试与表征,得到了各类器件的电流-电压特性,根据测试结果,分析得到了晶体管结构,基区掺杂浓度,基区宽度（特征尺寸）,发射极形状与面积等因素对晶体管特性,特别是直流电流放大系数β的影响规律。（3）对所设计的新型CMOS双极型晶体管进行了建模研究,在测试结果的基础上建立了双极型晶体管的SPICE模型,所采用的模型是双极型晶体管的Gummel-Poon模型,建立的模型能较好的拟合器件的测试性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 CMOS双极型晶体管的研究现状
• 1.1.1 横向CMOS双极型晶体管的研究现状
• 1.1.2 纵向CMOS双极型晶体管的研究现状
• 1.2 本文研究意义及主要内容
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 研究内容
• 第二章 双极型晶体管工作原理及其在ESD电路设计中的应用
• 2.1 双极型晶体管工作原理介绍
• 2.2 影响双极型晶体管直流电流放大系数的因素
• 2.3 双极型晶体管反向击穿特性参数
• 2.4 双极型晶体管在ESD电路设计中的应用
• 第三章 纳米CMOS工艺中高性能双极型晶体管设计
• 3.1 横向结构CMOS双极型晶体管结构设计
• 3.2 纵向结构CMOS双极型晶体管结构设计
• 3.3 CMOS双极型晶体管工艺设计
• 第四章 纳米CMOS工艺高性能双极型晶体管测试与分析
• 4.1 测试设备与方法
• 4.1.1 NPN型晶体管的测试方法
• 4.1.2 PNP型晶体管的测试方法
• 4.2 测试结果与分析
• 4.2.1 90nm NPN型横向CMOS双极型晶体管直流特性
• 4.2.2 90nm PNP型横向CMOS双极型晶体管直流特性
• 4.2.3 0.13um NPN型横向CMOS双极型晶体管直流特性
• 4.2.4 0.13um NPN型纵向CMOS双极型晶体管直流特性
• 第五章 纳米CMOS工艺高性能双极型晶体管建模与分析
• 5.1 双极型晶体管的埃伯斯-莫尔模型
• 5.2 双极型晶体管的Gummel-Poon模型
• 5.3 纳米CMOS工艺中高性能双极型晶体管建模与分析
• 5.3.1 0.13um CMOS工艺中高性能纵向双极型晶体管建模与分析
• 5.3.2 90nm CMOS工艺中横向双极型晶体管建模与分析
• 结束语
• 参考文献
• 致谢