微电子工艺设计课程设计汇本

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。据不完全统计，目前，有关建模和

2、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”（Techno logy CAD ofIC）,简称 “ IC TCAD ”。二、综述这次课程设计要：设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T=346K时， B=173。

3、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 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 Dessis 以及 Crosslight So

4、ftware 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V时，集电结可用突变杂的外延层。因此，当集电结上的偏置电压接近击穿电压结近似，对于Si器件击穿电压为36 1013(Nbc)；集电区杂质浓度为:Nc (丄)BVCBO1346_10 _ )3n 1BVceo由于 BVcbo=90 所以 Nc=5.824*1015cm -3般的晶体管各区的浓度要

5、满足NENBNC设 Nb=10N c;Ne=100N b则：Nc=5.824*10 15cm-3; Nb=5.824*10 16cm-3 ; Ne=5.824*10 18 cm-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:C n 1300cm2 /V s .22B P 330cm /Vs. E N 150cm /V s;根据公式可得少子的扩散系数:DekTc =0.03X1300=39cm2 / sDbkTb =0.03X330=9.9cm2 / sDekTe =003X150=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:_IIIIO1i

6、o4l(J,Tiu211c、 B 和 Ee 1.17 cm B 0.1 cm E 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C 3.5 10 6s B 9 10 7s E 1.1 10 6s根据公式得出少子的扩散长度:LC. DC C = . 39 3.5 10 6 17 10 2cm73LB. DB B = . 9.9 9.0 10 7 -2.98 10 emLe . De E =4.5 1.1 10 6 2.22 10 em集电区厚度We的选择We的最大值受串联电阻 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

7、联电阻限制。综合考虑这两方面的因素，故选择WC=8呵Wb :2 nb基区宽度的最大值可按下式估计:WB可得 MAX X.31umWB2 0 sNaqND ( Nd Na)1BVcbo2可得 MIN 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Nb Nc ,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；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

8、.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

9、计算过程A、预扩散时间PNP基区的磷预扩散的温度取1080 C,即卩1353K。单位面积杂质浓度：Q(t) (NB NC) Xjc (5.824 1016 5.824 1015) 7.2 10 4 4.61 1012cm 22由上述表1可知磷在硅中有：Do3.85cm/sEa3.66eVE a3. 6614所以，D D0exo(-)3.85exp(5)8.97 10 cm /skT8.614 101353为了方便计算，取Cs 5 1018cm 3由公式 Q(t) ，得出基区的预扩散时间：t Q2(t)4G 1013 2 3.1 743.94s 12.40min10 144CSD4 5 1018

10、 2 8.97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Xmin4.6. DsQ2t ,由一些相关资料可查出磷(P)在温度1080 C时在SiO2中的扩散系数：Ds2142 ,2.2 10 cm /s所以，Xmin4.6.DSiO2t144.62.2 10 14 743.941.860 100cm 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 C。由一些相关资料可查出磷的扩散系数:D 6 1012cm2 /s由于预扩散的结深很浅，可将它忽

11、略,故,XjCX再扩由再扩散结深公式:X再扩而且CsDtCB Nc5.824 1015cm 3故可整理为:2再扩4Dt in C： Dttint2tin2X再扩 0 2D即 t in t 2tin12 .25 10155.824103.14126 10 127 10 4 22 6 10 12经过化简得: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PNP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) (Nb16184152Ne) Xje (5.824 105.824 10 ) 3.5 102

12、.06 10 cm由上述表1可知硼在硅中有:2DO 0.76cm / s Ea 3.46eV所以，DDoe)p(EakT0.76 exp(3.465.824 10 5 1223)152 5.3 10 cm /s203为了方便计算，取Cs 8 10 cm由公式Q（t）2 Cs Dt，得出发射区的预扩散时间：Vt Q2(t)4CSD15 22.06 10153.14982s 16.4 min20 2154 8 105.3 1015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 C时在SQ2中的扩散系数：Dso2 6 10 15cm2/s 0所以，Xmin4.6DsQ2t1 .24610 5 cm 1246 A0考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为7000