微電子工藝設計課程設計匯本

1、微電子工藝課程設計一、摘要仿真(simulation )這一術語已不僅廣泛出現(xiàn)在各種科技書書刊上，甚至已頻繁出現(xiàn)于各種新聞媒體上。不同的書刊和字典對仿真這一術語的定義性簡釋小 異，以下3種最有代表性，仿真是一個系統(tǒng)或過程的功能用另一系統(tǒng)或過程的功 能的仿真表示；用能適用于計算機的數(shù)學模型表示實際物理過程或系統(tǒng)；不同實驗對問題的檢驗。仿真(也即模擬)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)是研究自然科學、工程科學、人文科學和社會科學的重要方法，是開發(fā)產(chǎn)品、制定 決策的重要手段。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，有關建模和

2、仿真方面的研究論文已占各 類國際、國專業(yè)學術會議總數(shù)的10%以上，占了很可觀的份額。集成電路仿真通過集成電路仿真器(simulator )執(zhí)行。集成電路仿真器由 計算機主機及輸入、輸出等外圍設備(硬件)和有關仿真程序(軟件)組成。按 仿真容不同，集成電路仿真一般可分為：系統(tǒng)功能仿真、邏輯仿真、電路仿真、器件仿真及工藝仿真等不同層次（level ）的仿真。其中工藝和器件的仿真，國際上也常稱作“集成電路工藝和器件的計算機輔助設計”（Techno logy CAD ofIC）,簡稱 “ IC TCAD ”。二、綜述這次課程設計要：設計一個均勻摻雜的pnp型雙極晶體管，使T=346K時， B=173。

3、Vceo=18V , Vcbo=90V，晶體管工作于小注入條件下，最大集電極電 流為IC=15mA。設計時應盡量減小基區(qū)寬度調制效應的影響。要求我們先進行 相關的計算，為工藝過程中的量進行計算。然后通過Silvaco-TCAD進行模擬。TCAD 就是 Tech no logy Computer Aided Desig n，指半導體工藝模擬以及器件模擬工具，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（已經(jīng)被Synopsys公司 收購）的 Dios 和 Dessis 以及 Crosslight So

4、ftware 公司的 Csuprem 和 APSYS。 這次課程設計運用Silvaco-TCAD軟件進行工藝模擬。通過具體的工藝設計，最 后使工藝產(chǎn)出的PNP雙極型晶體管滿足所需要的條件。三、方案設計與分析各區(qū)摻雜濃度及相關參數(shù)的計算對于擊穿電壓較高的器件，在接近雪崩擊穿時，集電結空間電荷區(qū)已擴展至均勻摻V時，集電結可用突變雜的外延層。因此，當集電結上的偏置電壓接近擊穿電壓結近似，對于Si器件擊穿電壓為36 1013(Nbc)；集電區(qū)雜質濃度為:Nc (丄)BVCBO1346_10 _ )3n 1BVceo由于 BVcbo=90 所以 Nc=5.824*1015cm -3般的晶體管各區(qū)的濃度要

5、滿足NENBNC設 Nb=10N c;Ne=100N b則：Nc=5.824*10 15cm-3; Nb=5.824*10 16cm-3 ; Ne=5.824*10 18 cm-3根據(jù)室溫下載流子遷移率與摻雜濃度的函數(shù)關系，得到少子遷移率:C n 1300cm2 /V s .22B P 330cm /Vs. E N 150cm /V s;根據(jù)公式可得少子的擴散系數(shù):DekTc =0.03X1300=39cm2 / sDbkTb =0.03X330=9.9cm2 / sDekTe =003X150=4.5cm2 /s根據(jù)摻雜濃度與電阻率的函數(shù)關系，可得到不同雜質濃度對應的電阻率:_IIIIO1i

6、o4l(J,Tiu211c、 B 和 Ee 1.17 cm B 0.1 cm E 0.014 cm根據(jù)少子壽命與摻雜濃度的函數(shù)關系，可得到各區(qū)的少子壽命C 3.5 10 6s B 9 10 7s E 1.1 10 6s根據(jù)公式得出少子的擴散長度: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集電區(qū)厚度We的選擇We的最大值受串聯(lián)電阻 Res的限制。增大集電區(qū)厚度會使串聯(lián)電阻Res增加，飽和壓降VCES增大，因此 WC的最大值受串

7、聯(lián)電阻限制。綜合考慮這兩方面的因素，故選擇WC=8呵Wb :2 nb基區(qū)寬度的最大值可按下式估計: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耗盡區(qū)寬度（Web ）可近視看作全部位于基區(qū)，又由Nb Nc ,得到大多數(shù)C-B耗盡區(qū)寬度（WCb ）位于集電區(qū)。因為C-B結輕摻雜一側的摻雜濃度比E-B結輕摻雜一側的濃度低，所以WCb Web。另外注意到 Wb是基區(qū)寬度，W是基區(qū)中準中性基區(qū)寬度；也就是說，對于PNP晶體管，有：Wb W XnEB XnCB所以基區(qū)寬度為Wb 3.6 m，滿足條件 0

8、.381um Wb 4.31um。其中XnEB和XnCB分別是位于 N型區(qū)的E-B和C-B耗盡區(qū)寬度，在 BJT分析中W指的就是準中性基區(qū)寬度。擴散結深：在晶體管的電學參數(shù)中，擊穿電壓與結深關系最為密切，它隨結深變淺，曲率半徑減 小而降低，因而為了提高擊穿電壓， 要求擴散結深一些。但另一方面，結深卻又受條寬限制， 由于基區(qū)積累電荷增加，基區(qū)渡越時間增長，有效特征頻率就下降，因此，通常選取：反射結結深為Xje Wb 3.6um集電結結深為Xjc 2 Wb 7.2um芯片厚度和質量本設計選用的是電阻率為的P型硅，晶向是111。硅片厚度主要由集電結深、集電區(qū)厚度、襯底反擴散層厚度決定?；鶇^(qū)相關參數(shù)的

9、計算過程A、預擴散時間PNP基區(qū)的磷預擴散的溫度取1080 C,即卩1353K。單位面積雜質濃度：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為了方便計算，取Cs 5 1018cm 3由公式 Q(t) ，得出基區(qū)的預擴散時間：t Q2(t)4G 1013 2 3.1 743.94s 12.40min10 144CSD4 5 1018

10、 2 8.97氧化層厚度氧化層厚度的最小值由預擴散（1353K ）的時間t=964.84s 來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設可求Xmin4.6. DsQ2t ,由一些相關資料可查出磷(P)在溫度1080 C時在SiO2中的擴散系數(shù)：Ds2142 ,2.2 10 cm /s所以，Xmin4.6.DSiO2t144.62.2 10 14 743.941.860 100cm 1.860 A0考慮到生產(chǎn)實際情況，基區(qū)氧化層厚度取為6000 A?；鶇^(qū)再擴散的時間PNP基區(qū)的磷再擴散的溫度這里取1200 C。由一些相關資料可查出磷的擴散系數(shù):D 6 1012cm2 /s由于預擴散的結深很淺，可將它忽

11、略,故,XjCX再擴由再擴散結深公式:X再擴而且CsDtCB Nc5.824 1015cm 3故可整理為:2再擴4Dt in C： Dttint2tin2X再擴 0 2D即 t in t 2tin12 .25 10155.824103.14126 10 127 10 4 22 6 10 12經(jīng)過化簡得:int 13.5t39167解得基區(qū)再擴散的時間:t=7560s=2.1hB、發(fā)射區(qū)相關參數(shù)的計算過程預擴散時間PNP發(fā)射區(qū)的硼預擴散的溫度這里取950 C,即卩1223K 。單位面積雜質濃度: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為了方便計算，取Cs 8 10 cm由公式Q（t）2 Cs Dt，得出發(fā)射區(qū)的預擴散時間：Vt Q2(t)4CSD15 22.06 10153.14982s 16.4 min20 2154 8 105.3 1015氧化層厚度氧化層厚度的最小值由預擴散（1353K ）的時間t=1683s來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設可求Xmin 4.6, DSiO2t ，由一些相關資料可查出硼（B）在溫度950 C時在SQ2中的擴散系數(shù)：Dso2 6 10 15cm2/s 0所以，Xmin4.6DsQ2t1 .24610 5 cm 1246 A0考慮到生產(chǎn)實際情況，基區(qū)氧化層厚度取為7000