微电子工艺课程设计

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。 据不完全统

2、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 CADof IC），简称“ IC TCAD”。二、综述这次课程设计要求是：设计一个均匀掺杂的 pnp 型双极晶体管，使

3、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 公司（已经被 Synopsys 公司收购）的 Dios 和 Des

4、sis 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133Si 器件击穿电压为 VB结近似，对于6 10（NBC）4，6101346101343)3N C （） （集电区杂质浓度为：BVCBOn 1BVCEO由于 BV CBO

5、=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 N B =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：Cn1300cm2 / V s ； BP330cm2 / V s ； EN150cm2 / V s根据公式可得少子的扩散系数：DCkTC =0.03× 1300=39 cm2 / sqD BkTB =0.03 × 330=9.9 cm

6、 2 / sqD EkTE =0.03× 150=4.5 cm2 / sq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：.C1.17cmB0.1cmE0.014cm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、B和E：C3.5 10 6 sB9 10 7 sE1.1 10 6 s根据公式得出少子的扩散长度：LCDCC=393.510 6 1.1710 2 cmLBDBB=9.99.010 7 2.9810 3 cmLEDEE=4.51.110 6 2.2210 3 cm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

7、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：1WB L2nb 2取为 4可得 MAX 4.31um2 0 SNA1WB2BVCBO qND( ND NA)可得 MIN 0.381*10 -4.由于 N EN B ，所以E-B 耗尽区宽度（WEB ）可近视看作全部位于基区内，又由NBNC ，得到大多数C-B 耗尽区宽度（ WCB ）位于集电区内。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

8、基区宽度；也就是说，对于PNP 晶体管，有： WBWxnEBxnCB ，所以基区宽度为 WB3.6 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， 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 jeWB3.6um集电结结深为

9、X jc 2WB 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：Q(t ) ( N BNC )X jc(5.82410165.8241015 )7.2 10 44.61 1012 cm 2由上述表 1 可知磷在硅中有：DO3.85cm2 / sEa3.66eV所以， DD0 exp(Ea)3.85exp(8.6143.66) 8.97 10 14 cm2 / sk T10 51353为

10、了方便计算，取CS5 1018 cm 3由公式Q (t )2 CS Dt，得出基区的预扩散时间：.Q2(t )1324.61 103.14t4 510182743.94s 12.40 min4CS2 D8.97 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，且服从余误差分布， 并根据假设可求xmin4.6DSiO2t ，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：DS O2.2 10 14 cm2 / si22.2 10 1410 5 cm0所以， xmin4.6D SiO2 t4.6743.941.8601.86

11、0 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：D61012 cm 2 / s由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，X jCX .再扩7 m由再扩散结深公式：X 再扩2Dtln CSC B，而且 CSQ， CBNC5.824 1015 cm 3DtQQX2故可整理为：X 24Dt lnt ln t2tln再扩再扩C BC B0DtD2D即 t ln t 2tln5.251012710 42010153.14610 122610 125.824经过化简得：t ln t13.5t391670解

12、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：Q(t )( N BNE )X je(5.824 10165.824 1018 )3.5 10 42.06 1015 cm 2.由上述表 1 可知硼在硅中有：DO0.76/sEa3.46eVcm2Ea)0.76exp(3.46) 5.3 10152/ s所以， D D0 exp(10 5cmk T5.8241223为了方便计算，取CS8 1020cm 3由公式 Q (t )2CSDt，得出发射区的预扩散时间：2(t )1523.14Q

13、2.06 10982s 16.4 mint4810205.3 10 154CS2 D2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xmin4.6DSiO2t ，由一些相关资料可查出硼（B）在温度 950时在 Si O2 中的扩散系数：DSiO 2610 15cm2 / s10 5 cm 12460所以， x m in4 .6D SiO 2 t1 .246A0考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为7000 A 。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Ea)0.76 exp(3.46)5.

14、81013cm2/ sD D0 exp(5.82410 5k T1443由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，X jeX .再扩3.5m由再扩散结深公式：X 再扩2Dtln CSC B，而且 CSQCBNB16cm3，5.824 10DtQQX2故可整理为：X 2再扩4Dtlnt ln t2tln再扩0C BDtC BD2D2.4153.51042即 t ln t 2tln10010163.146.310 1326.310 135.824.经过化简得：t ln t20.26t972220解得基区再扩散的时间：t=7200s=2.0hC、氧化时间的计算基区氧化时间0由前面得出基区氧化层厚度是60

15、00 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： 1000即先干氧 1000 A （ 0.1um），再湿氧4000 A （ 0.4um），再干氧1000 A （ 0.1um）取干氧和湿氧的氧化温度为12000干氧氧化 1000A 的氧化层厚度需要的时间为：t 1 0.34h20.4min0湿氧氧化 4000A 的氧化层厚度需要的时间为：t 20.27h16.2min所以，基区总的氧化时间为：t 2t 1 t 2 220.416.257min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

16、干氧的工0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： 1000即先干氧 1000 A（0.1um），再湿氧 5000 A（0.5um），再干氧 1000 A（0.1um）取干氧和湿氧的氧化温度为1200， 由图 7 可得出：0干氧氧化 1000 A 的氧化层厚度需要的时间为：t1 0.34h 20.4min0湿氧氧化 5000 A 的氧化层厚度需要的时间为：t 2 0.4h 24min所以，发射区总的氧化时间为：t2t1t 2220.42464.8min.四、 方案综合评价与结论# Go atlas#meshx.m l=0spacing=0

17、.15x.m l=0.8spacing=0.15x.m l=1.5spacing=0.12x.m l=2.0spacing=0.15#y.m l=0.0spacing=0.006y.m l=0.06spacing=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

18、 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 junct=0.15pnp 型双极晶体管设计，通过查阅大量的资料，借鉴别人成功的设计，从中得到自己有用的东西， 自己慢慢吸收。 从知之甚少到一点点设计， 最终成功完成了本次设计，通过仿真软件仿真可以知道此次设计基本符合题目要求的参数值。由于自己理论知识较为匮乏，对实际生活中的工艺水平不怎么了解，所以设计还是存在一些问题，参数有着一些误差。五、 体验与展望在为期一周的时间里， 我们对于微电子工艺这门课程进行了相应的微电子工艺课程设计。 期间对于微电子工艺、 微电子器件物理、 微电子器件工艺和半导体物理的有关知识进行了复习， 在运用中更加深刻的理解了咱们电子与科学专业方向之一的微电子工艺方向的技