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(modelingandsimulation)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，有关建模和仿真方面的

2、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”(TechnologyCADofIC),简称“ICTCAD”。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T=346K时，p=173V=18V,V=90V，晶体管

3、工作于小注入条件下，最大集电极CEOCBO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TechnologyComputerAidedDesign，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CrosslightSoftware公司的Csuprem和APSYS。这次课程设计运用Silva

4、co-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，集电结可用突变结近似，对于Si器件击穿电压为=6xl(Nbc)4，/6X101346X10134N=()3=()3集电区杂质浓度为：cBVcbon1+0BVceo由于BVcbo=90所以Nc=5.824*10i5cm-3一般的晶体管各区的浓度要满足NENBNC设叫=10叭；=100叫则：Nc=5.824*1015cm-3

5、；N=5.824*1016cm-3；N=5.824*1018cm-3BE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：p=1300cm2/V-s.二p二330cm2/V-s.p=p=150cm2/V-sCn；BP；EN根据公式可得少子的扩散系数：D=P=0.03X1300=39cm2/sCqCD=P=0.03X330=9.9cm2/sBqBD=P=0.03X150=4.5cm2/sEqE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p=1.17Q-cmp=0.10cmp=0.0140cmCBE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lc、TB和TEt

6、二3.5x10-6st二9x10-7st二1.1x10-6scBE根据公式得出少子的扩散长度：L=-Dt=J39x3.5x10-61.17x10-2cmcccL=Dt=.9x9.0 x10-7=2.98x10-3cmBBBL=Dt=q45xl.lxl0-6q2.22x10-3cmEEE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=8ymWb：基区宽度的最大值可按下式估计：VWVnb2Bp取九为4可得MAXQ4.31umWB2%JNqN（N+na）BVCBO可

7、得MINO.381*10-4由于NNB,所以E-B耗尽区宽度（WB）可近视看作全部位于基区内，又由NNC，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BCCB掺杂浓度比E-B结轻掺杂一侧的浓度低，所以WW。另外注意到W是基区宽度，WCBEBB是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于PNP晶体管，有：W=W+x+x所以BnEBnCB，基区宽度为Wn=3.6卩m，满足条件0.381umW4.31um。BB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，

8、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=W=3.6umjeB集电结结深为X=2xW=7.2umjcB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。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1080C，即1353K。单位面积杂质浓度：Q(t)二(N+N)xX二(5.824x1016+5.824x1015)x7.2x10-4二4.61xIO12cm-2BC

9、jc由上述表1可知磷在硅中有：D=3.85cm2/sE=3.66eVOa77Q所以，D=Dexp(一一)=3.85xexp(一)=8.97xl0-14cm2/s0kT8.614x10-5xl353为了方便计算，取Cs=5x1018cm-32,由公式Q(t)=，得出基区的预扩散时间:Q2(t)K(.61x1013)x3.14CM.t=fX=743.94s=12.40mm4C2D4x5x10182x8.97x10-14S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Si2误差分布，并根据假设可求x=4.6.Dt，由一些相关资料可查出磷(P)在温度108

10、0Cmin*SiOc时在SO中的扩散系数：D=2.2x10-14cm2/si2SiO2所以，x=4.6.Dt=4.6x、.22x10-14x743.94=1.860 x10-5cm=1.860AminSi2考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为6000A。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：D=6x1012cm2/s由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，X=X=7rmjC.再扩c由再扩散结深公式：X=2*Dtln再扩CB，而且CQ,C=N=5.824xlOi5cm-3S心DtBC故可整理为：X2再扩=4Dtln-tlnt2tlnB即tl

11、nt-2t-ln5.25xl0l2V5.824x1015x理3.14x6x10-12丿经过化简得：tlnt13.5t+391670+X2再扩=02D+x10-02x6x10-12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950C，即1223K。单位面积杂质浓度：Q(t)=(N+N)xX=(5.824x1016+5.824x1018)x3.5x10-4=2.06x1015cm-2BEje由上述表1可知硼在硅中有：DO=0.76cm2/sE=3.46eVa所以，DDexp(0EkT)0.76xexp(3.46)5.824x

12、10-5x1223)=5.3x10-15cm2/s为了方便计算，取C8x1020cm-3S2,由公式Q（t）=CD，得出发射区的预扩散时间:兀SQ2(t加9.06x1015x3.14ttX982s16.4mm4C2D4x8x10202x5.3x10-15S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=in4.：，由一些相关资料可查出硼（B）在温度950C时在SO中的扩散系数：D6x10-15cm2/si2SiO2所以，x4.6t1.246x10-5cm1246Amin*SiO2考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为7000A0

13、。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1443K,则D=Dexp(0EakT)=0.76xexp(-3.465.824x10-5x1443=5.8x10-13cm2/s由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，Xj=X=3.5卩mje.再扩C由再扩散结深公式：X=2Dtln4再扩1B，而且=Q，=N=5.824x10i6cm-3S而，BB故可整理为：X2再扩=4Dtlnf-tlnt-2tlnB即tInt-2t-ln2.4x10155.824x10i6xJ3.14x6.3x10-13丿.J兀D丿B丿3.5x10-4)八+=02x6.3x10-13+X2再扩=02D经过化简

14、得.tlnt20.26t+97222=0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由前面得出基区氧化层厚度是6000A，可以采用干氧一湿氧一干氧的工艺,将6000A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即先干氧1000A(0.1um)，再湿氧4000A(0.4um)，再干氧1000A0.1um)取干氧和湿氧的氧化温度为1200C干氧氧化1000A的氧化层厚度需要的时间为：t=0.34h=20.4min湿氧氧化4000A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=2+=2x204+16-2

15、=57min发射区氧化时间由前面得出发射区氧化层厚度是7000A0，可以采用干氧湿氧干氧的工艺,将7000A0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=1：5：1即先干氧1000A(o.lum),再湿氧5000A(0.5um),再干氧1000A(0.1um)取干氧和湿氧的氧化温度为1200C,由图7可得出:干氧氧化1000A的氧化层厚度需要的时间为：t=0.34h=20.4min1湿氧氧化5000A的氧化层厚度需要的时间为：t=0.4h=24min2所以，发射区总的氧化时间为：t=2t+1=2x20.4+24=64.8min12(UJsm交3芒解方案综合评价与结论#Goatla

16、s#meshx.ml=0spacing=0.15x.ml=0.8spacing=0.15x.ml=1.5spacing=0.12x.ml=2.0spacing=0.15#y.ml=0.0spacing=0.006y.ml=0.06spacing=0.005y.ml=0.30spacing=0.02y.ml=1.0spacing=0.12#regionnum=1siliconelectrodenum=1name=emitterleftlength=0.8electrodenum=2name=baserightlength=0.5y.max=0electrodenum=3name=collecto

17、rbottom#dopingreg=1uniformn.typeconc=5e15dopingreg=1gaussn.typeconc=1e18peak=1.0char=0.2dopingreg=1gaussp.typeconc=1e18peak=0.05junct=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术。