微电子工艺课程设计报告书

1、微电子工艺课程设计一、摘 要仿真( simulation )这一术语已不仅广泛出现在各种科技书书刊上， 甚至已 频繁出现于各种新闻媒体上。 不同的书刊和字典对仿真这一术语的定义性简释大 同小异，以下 3 种最有代表性， 仿真是一个系统或过程的功能用另一系统或过程 的功能的仿真表示； 用能适用于计算机的数学模型表示实际物理过程或系统； 不同实验对问题的检验。 仿真(也即模拟)的可信度和精度很大程度上基于建 模( modeling )的可信度和精度。建模和仿真( modeling and simulation)是研究自然科学、工程科学、人文科学和社会科学的重要方法，是开发产品、制 定决策的重要手段

2、。 据不完全统计， 目前，有关建模和仿真方面的研究论文已占 各类国际、国内专业学术会议总数的 10% 以上，占了很可观的份额。集成电路仿真通过集成电路仿真器( simulator )执行。集成电路仿真器由 计算机主机及输入、输出等外围设备(硬件)和有关仿真程序(软件)组成。按 仿真内容不同，集成电路仿真一般可分为： 系统功能仿真、 逻辑仿真、电路仿真、器件仿真及工艺仿真等不同层次 （level ）的仿真。 其中工艺和器件的仿真， 国际 上也常称作“集成电路工艺和器件的计算机辅助设计” （Technology CAD of IC ）， 简称“IC TCAD ”。二、综述这次课程设计要求是：设计一

3、个均匀掺杂的 pnp 型双极晶体管，使 T=346K 时，=173 。VCEO =18V ，VCBO =90V ，晶体管工作于小注入条件下，最大集电极 电流为 IC=15mA 。设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。要求我们先进 行相关的计算，为工艺过程中的量进行计算。然后通过 Silvaco-TCAD 进行模 拟。TCAD 就是 Technology Computer Aided Design，指半导体工艺模拟以及器件模拟工具，世界上商用的 TCAD 工具有 Silvaco 公司的 Athena 和Atlas ， Synopsys 公司的 TSupprem 和 Medici 以及 ISE

4、公司（已经被 Synopsys 公 司收购）的 Dios 和 Dessis 以及 Crosslight Software 公司的 Csuprem 和 APSYS 。这次课程设计运用 Silvaco-TCAD 软件进行工艺模拟。通过具体的工 艺设计，最后使工艺产出的 PNP 双极型晶体管满足所需要的条件三、方 案设计与分析各区掺杂浓度及相关参数的计算对于击穿电压较高的器件，在接近雪崩击穿时，集电结空间电荷区已扩展至均匀掺 杂的外延层。因此，当集电结上的偏置电压接近击穿电压V 时， 集 电结可用突变313结近似，对于 Si 器件击穿电压为 VB 6 10 （NBC） ，集电区杂质浓度为：13 4N

5、C (6BV1C0BO )3 ( n 1136 1013BVCEO由于 BV CBO =90 所以 Nc=5.824*10 15cm -3 一般的晶体管各区的浓度要满足 NE>>NB>NC 设 NB=10N C;N E =100N B 则：Nc=5.824*10 15cm -3； NB =5.824*10 16cm-3；NE=5.824*10 18cm -3 根据室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系，得到少子迁移率：1300cm2 /V s ；22P 330cm2 /V s ； E N 150cm2 / V s；根据公式可得少子的扩散系数：DCkTqC =0.03 

6、5;1300=39 cm 2 / sDBkTq2B =0.03 × 330=9.9 cm / sE =0.03×150=4.5cm2 / s根据掺杂浓度与电阻率的函数关系，可得到不同杂质浓度对应的电阻率：C 1.17 cm B 0.1 cmE 0.014 cmC、 B 和 E1.1 10 6 s根据少子寿命与掺杂浓度的函数关系，可得到各区的少子寿命C 3.5 10 6 sB 9 10 7 s根据公式得出少子的扩散长度：LCDC C = 39 3.5 10 6 1.17 10 2cmL BD B B = 9.9 9.0 10 7 2.98 10 3 cmLEDE E = 4.

7、5 1.1 10 6 2.22 10 3cm集电区厚度 Wc 的选择Wc 的最大值受串联电阻 Rcs 的限制。增大集电区厚度会使串联电阻 Rcs 增加，饱和 压降 VCES 增大，因此 WC 的最大值受串联电阻限制。综合考虑这两方面的因素，故选择 WC=8 mWb： 基区宽度的最大值可按下式估计：WB L2nb 12取 为 4 可得MAX 4.31umWB2 0 SNAqND (ND NA)1BVCBO 2可得-4MIN 0.381*10 -4由于N ENB ，所以 E-B 耗尽区宽度（ WEB ）可近视看作全部位于基区内，又由B，NB NC ，得到大多数 C-B 耗尽区宽度 （ WCB ）位

8、于集电区内。 因为 C-B 结轻掺杂一侧的 掺杂浓度比 E-B 结轻掺杂一侧的浓度低， 所以WCB > WEB 。另外注意到 WB是基区宽度， W 是基区中准中性基区宽度； 也就是说， 对于 PNP 晶体管， 有：WB W xnEB xnCB ，所以 基区宽度为 WB 3.6 m ，满足条件 0.381um< WB <4.31um 。其中 xnEB和xnCB分别是位于 N 型区内的 E-B 和C-B 耗尽区宽度，在 BJT 分析中W 指的就是准中性基区宽度。扩散结深 ：在晶体管的电学参数中，击穿电压与结深关系最为密切，它随结深变浅，曲率半径减 小而降低，因而为了提高击穿电压，

9、 要求扩散结深一些。 但另一方面， 结深却又受条宽限制， 由于基区积累电荷增加，基区渡越时间增长，有效特征频率就下降，因此，通常选取：反射结结深为 X je WB 3.6um集电结结深为 X jc 2 WB 7.2um芯片厚度和质量本设计选用的是电阻率为 的 P 型硅，晶向是 <111> 。硅片厚度主要由集电结深、 集电区 厚度、衬底反扩散层厚度决定。基区相关参数的计算过程A、预扩散时间PNP 基区的磷预扩散的温度取 1080 ，即 1353K 。 单位面积杂质浓度：16 15 4 12 2Q(t) (NB NC) Xjc (5.824 1016 5.824 1015) 7.2 1

10、0 4 4.61 1012 cm 2由上述表 1 可知磷在硅中有： DO 3.85cm2 / sEa 3.66eV所以， D D0 exp( Ea ) 3.85 exp(3.665) 8.97 10 14cm2/s0 k T 8.614 10 5 1353为了方便计算，取 CS 5 1018 cm 3由公式 Q（t ）2CS Dt ，得出基区的预扩散时间：t Q2 (t) t 4CS2 D13 24.61 1013 3.142 743.94s 12.40 min4 5 1018 2 8.97 10 14氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散（ 1353K ）的时间 t=964.84s 来决定的，

11、且服从余误差分布， 并根据假设可求 xmin4.6 DSiO2 t ，由一些相关资料可查出磷P）在温度 1080 时在 SiO2中的扩散系数： DSiO2 2.2 10 14cm2 /s所以， xmin04.6 DSiO2t 4.6 2.2 10 14 743.94 1.860 10 5cm 1.860 A0考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为 6000 A 。基区再扩散的时间PNP 基区的磷再扩散的温度这里取 1200 。由一些相关资料可查出磷的扩散系数： D 6 1012 cm 2 / s由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，X jC X .再扩 7 m由再扩散结深公式： X再扩 2 D

12、t ln CCSBNC 5.824 1015cm 3Q(t) (NB NE) X je (5.82410165.824 1018) 3.5 10 42.06 1015 cm 2由上述表 1 可知硼在硅中有：DO0.76cm2 /sEa 3.46eV所以， D D0exp( kETa ) 0.76exp(3.465.824 10 5 1223) 5.315 210 cm /s故可整理为：X 2 再扩Q4Dt lnCBDttlnt2t lnQX 再扩02DCBD1242即tln t 2tln5.25 1012710 405.82410153.14 61210 1226 1012经过化简得：tln

13、t13.5t 39167 0而且 CS， CBS Dt解得基区再扩散的时间： t=7560s=2.1hB 、发射区相关参数的计算过程预扩散时间PNP 发射区的硼预扩散的温度这里取 950 ，即 1223K 。单位面积杂质浓度：为了方便计算，取 CS 8 10 2 154 8 1020 2 5.3 10 15氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散（ 1353K ）的时间 t=1683s 来决定的，且服从余误差分布， 并根据假设可求 xmin 4.6 DSiO2t ，由一些相关资料可查出硼 （B）在温度 950 时在 SiO2中的扩散系数： DSiO2 6 10 15cm2 /s所以， xmin 4

14、.6 D SiO2t 1.246 10 5cm 1246 A 0考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为 7000 A 。cm由公式 Q（t）2 CS Dt，得出发射区的预扩散时间：t Q2 (t) t 4CS2D15 22.06 1015 2 3.14982s 16.4 min发射区再扩散的时间PNP 基区的磷再扩散的温度这里取 1170 ，即 1443K ，则D0 exp(EakT0.76 exp(3.46 )5)5.824 10 5 14435.8 10 13cm2 /s由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故， X je X .再扩 3.5 mC 由再扩散结深公式： X 再扩 2 Dt ln

15、 SCB ，而且 CS Q ，CB NB 5.824 1016cm 3 S Dt B B故可整理为：X 2 再扩4Dt lnQCBDttlnt2t lnQCB DX 2 再扩2D即 tln t2t ln2.4 10153.54210 4经过化简得：5.8241610163.14 6.3 10132 6.3 1013t ln t 20.26t 97222 0解得基区再扩散的时间：C 、氧化时间的计算t=7200s=2.0h基区氧化时间0由前面得出基区氧化层厚度是 6000 A ，可以采用干氧湿氧干氧的工艺0将 6000 A 的氧化层的分配成如下的比例进行氧化工艺：干氧：湿氧：干氧 =1 ：4：1

16、000即先干氧1000A ( 0.1um），再湿氧 4000 A （ 0.4um ），再干氧1000 A0.1um )取干氧和湿氧的氧化温度为 1200 干氧氧化10000A 的氧化层厚度需要的时间为：t1 0.34h20.4min湿氧氧化40000A 的氧化层厚度需要的时间为：t2 0.27h16.2min所以，基区总的氧化时间为： t 2t1 t2 2 20.4 16.2 57min发射区氧化时间0 由前面得出发射区氧化层厚度是 7000 A ，可以采用干氧湿氧干氧的0工艺 ,将 7000 A的氧化层的分配成如下的比例进行氧化工艺：干氧：湿氧：干氧 =1 ：5 ：10即先干氧 1000 A

17、 （ 0.1um ），再湿氧005000 A （0.5um ），再干氧 1000 A0.1um ）干氧氧化10000A的氧化层厚度需要的时间为：t1 0.34h20.4min湿氧氧化50000A的氧化层厚度需要的时间为：t2 0.4h24min取干氧和湿氧的氧化温度为 1200 ， 由图 7 可得出：所以，发射区总的氧化时间为：2 20.4 24 64.8min四、方 案综合评价与结论# Go atlas#meshx.m l=0 spacing=0.15x.m l=0.8 spacing=0.15x.m l=1.5 spacing=0.12x.m l=2.0 spacing=0.15#y.m

18、l=0.0 spacing=0.006y.m l=0.06 spacing=0.005y.m l=0.30spacing=0.02y.m l=1.0spacing=0.12#region num=1 siliconelectrode num=1 name=emitter left length=0.8electrode num=2 name=baseright length=0.5 y.max=0electrode num=3 name=collector bottom#doping reg=1 uniform n.type conc=5e15doping reg=1 gaussn.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2doping reg=1 gaussp.type conc=1e18 peak=0.05 junc