微电子实用工艺课程设计

1、微电子工艺课程设计摘要仿真( 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

2、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 ofIC),简称 “ IC TCAD'。综述这次课程设计要：设计一个均匀掺杂的 pnp型双

3、极晶体管，使T=346K时, B =173。VCe=18V, Vcb=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 Tech no logy Computer Aided Desig n ，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

4、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3结近似，对于Si器件击穿电压为VB6 10（ NBc） 4，134134z 610z 6103Nc （）3 （）3集电区杂质浓度为：BVcbo° 1 BVceo由于 B

5、V 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=10Nc;Ne=100Nb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.2p 330cm /V s. e2N 150cm /V s根据公式可得少子的扩散系数:DekT2C =0.03 X 1300=39 cm / sDbkTq2b=0.03 X 330=9.9 cm /sDekTq2 ,e=0.03X 1

6、50=4.5 cm /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:io1'l(JjTHP*IU|MIU2nc 1.17 cm B 0.1 cmE 0.014 cm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E 1.1 10 6sc 3.5 10 6sb 9 10 7s根据公式得出少子的扩散长度：LC. DC = 39 3.5 10 6 - 1.17 10 2cmLB. DB B = 9.9 9.0 10 7 - 2.98 10'emLeDe e = 4.5 1.1 10 6 - 2.22 10 'em集电区厚度Wc的选择Wc的最大值受串联

7、电阻 Res的限制。增大集电区厚度会使串联电阻 Res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卩mWb :基区宽度的最大值可按下式估计：Wb2 nb2可得MAX 4.31umWBNaqND (Nd Na)1BVcbo 2可得MIN 沁0.381*10-4由于Ne Nb，所以E-B耗尽区宽度（Web ）可近视看作全部位于基区，又由NbNc，得到大多数C-B耗尽区宽度（WCB ）位于集电区。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

8、；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Xje WB 3.6um集电结结深为Xjc 2 WB 7.2um芯片厚度

9、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 C，即 1353K。单位面积杂质浓度:Q(t) (NB Nc) Xjc(5.82410165.8241015)7.2 10 4 4.61 10 cm2由上述表1可知磷在硅中有:Do23.85cm /sEa3.66eV所以，D D°e）p（旦)3.853.66142 P Q7'nm2 / cexp(5)8.9710 cn / skT8.614101353为了方便计算，取Cs 5 1018cm 32

10、由公式Q（t） Cs.Dt ，得出基区的预扩散时间:tQ2(t)4CSD13 24.61 10133.144 5 1018 2 8.97 10 14743.94s 12.40 min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xmin 4.6 DSiO2t ，由一些相关资料可查出磷（P）在温度1080 C一142时在SiO2中的扩散系数：Dsq 2.2 10 cm /s所以,Xmin4.6 . DsQ2t4.6 , 2.2 1014743.941.860 105cm 1.860 A考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为06

11、000 A。基区再扩散的时间PNP基区的磷再扩散的温度这里取1200C。由一些相关资料可查出磷的扩散系数:6 1012cm2/s由于预扩散的结深很浅，可将它忽略,故,XjCX.再扩7 m由再扩散结深公式： X再扩而且Cs Q,CbNc 5.824 1015cm3.Dt故可整理为:X2再扩4Dt lnCb J Dttint2tX2再扩02D即 t In t 2t,5.25 1012ln 5.824 1015, 3.146 10 124 27 10 42 610 12经过化简得:t Int 13.5t39167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PN

12、P发射区的硼预扩散的温度这里取950 C,即卩 1223K。单位面积杂质浓度:Q(t) (Nb Ne) Xje (5.824 10165.824 1018) 3.510 42.06 1015cm 2由上述表1可知硼在硅中有：DO 0.76cm2/sEa 3.46eV所以，DDoe初第0.76 exp(3.46)5丿5.824 10 5 12235.3 1015cm2/s为了方便计算，取 CS 8 1020cm 3由公式Q（t）2Cs . Dt，得出发射区的预扩散时间:t Q2(t)4CSD2.06 1015 2 3.144 8 1020 2 5.3 1015982s 16.4min氧化层厚度氧

13、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Xmin4.6. DSiO2t，由一些相关资料可查出硼B）在温度950 C时在SQ中的扩散系数：Dsq2 6 10 15cm2/s所以,xmin 4.6Dsi°2t 1 .24610 5 cm01246 A0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1170C,即卩1443K,则D°exp(0.76 exp(3.46)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，Xj

14、e X.再扩3.5 mX再扩2 Dt由再扩散结深公式:故可整理为：X2再扩 4Dt lnQCb J Dttlnt 2t lnQCb帀X2再扩02D而且CsNB 5.824 1016cm3即 tin t 2t In2.4 10153.51042经过化简得:5.824 10163.14 6.3 10132 6.3 1013t Int 20.26t 972220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: 10(0.4

15、um),再干氧 1000 A (0.1um)0 0即先干氧1000 A (0.1um),再湿氧4000 A取干氧和湿氧的氧化温度为1200 C0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4000 A的氧化层厚度需要的时间为：t2 0.27h 16.2min所以，基区总的氧化时间为:t 2t1 t22 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 7000A，可以采用干氧一湿氧一干氧的工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： 10 0 0即先干氧 1000A（O.lum）

16、,再湿氧 5000A（0.5um）,再干氧 1000A（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1000A的氧化层厚度需要的时间为：X 0.34h 20.4min0湿氧氧化5000A的氧化层厚度需要的时间为：t2 0.4h 24min所以，发射区总的氧化时间为:t 2t, t22 20.4 2464.8min100.10.27 0 3*L010X化讨间寸(a)l（XJ1.05 A三三11四、方案综合评价与结论#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

17、 spacing=0.15#y.m l=0.0 spacing=0.006y.m l=0.06 spacing=0.005y.m l=0.30 spacing=0.02y.m l=1.0 spacing=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=5e15dopin

18、g reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2 doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15鼻Tl 阳 IFfl KliAV1沖宀IHr i-fir=2 u- u u 二三 HI陰二pnp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