微電子工藝設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)匯本

1、微電子工藝課程設(shè)計(jì)一、摘要仿真(simulation )這一術(shù)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(duì)仿真這一術(shù)語的定義性簡(jiǎn)釋小 異，以下3種最有代表性，仿真是一個(gè)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(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示實(shí)際物理過程或系統(tǒng)；不同實(shí)驗(yàn)對(duì)問題的檢驗(yàn)。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(xué)、工程科學(xué)、人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)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(jì)，目前，有關(guān)建模和

2、仿真方面的研究論文已占各 類國(guó)際、國(guó)專業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)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(jì)算機(jī)主機(jī)及輸入、輸出等外圍設(shè)備(硬件)和有關(guān)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(guó)際上也常稱作“集成電路工藝和器件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”（Techno logy CAD ofIC）,簡(jiǎn)稱 “ IC TCAD ”。二、綜述這次課程設(shè)計(jì)要：設(shè)計(jì)一個(gè)均勻摻雜的pnp型雙極晶體管，使T=346K時(shí)， 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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響。要求我們先進(jìn)行 相關(guān)的計(jì)算，為工藝過程中的量進(jìn)行計(jì)算。然后通過Silvaco-TCAD進(jìn)行模擬。TCAD 就是 Tech no logy Computer Aided Desig n，指半導(dǎo)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(gòu)）的 Dios 和 Dessis 以及 Crosslight So

4、ftware 公司的 Csuprem 和 APSYS。 這次課程設(shè)計(jì)運(yùn)用Silvaco-TCAD軟件進(jìn)行工藝模擬。通過具體的工藝設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)與分析各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算對(duì)于擊穿電壓較高的器件，在接近雪崩擊穿時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)已擴(kuò)展至均勻摻V時(shí)，集電結(jié)可用突變雜的外延層。因此，當(dāng)集電結(jié)上的偏置電壓接近擊穿電壓結(jié)近似，對(duì)于Si器件擊穿電壓為36 1013(Nbc)；集電區(qū)雜質(zhì)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(shè) 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(guān)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(kuò)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(guān)系，可得到不同雜質(zhì)濃度對(duì)應(yīng)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(guān)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(kuò)散長(zhǎng)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(huì)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(jì):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?yàn)镃-B結(jié)輕摻雜一側(cè)的摻雜濃度比E-B結(jié)輕摻雜一側(cè)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(zhǔn)中性基區(qū)寬度；也就是說，對(duì)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(zhǔn)中性基區(qū)寬度。擴(kuò)散結(jié)深：在晶體管的電學(xué)參數(shù)中，擊穿電壓與結(jié)深關(guān)系最為密切，它隨結(jié)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(kuò)散結(jié)深一些。但另一方面，結(jié)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(shí)間增長(zhǎng)，有效特征頻率就下降，因此，通常選取：反射結(jié)結(jié)深為Xje Wb 3.6um集電結(jié)結(jié)深為Xjc 2 Wb 7.2um芯片厚度和質(zhì)量本設(shè)計(jì)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(jié)深、集電區(qū)厚度、襯底反擴(kuò)散層厚度決定。基區(qū)相關(guān)參數(shù)的

9、計(jì)算過程A、預(yù)擴(kuò)散時(shí)間PNP基區(qū)的磷預(yù)擴(kuò)散的溫度取1080 C,即卩1353K。單位面積雜質(zhì)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(jì)算，取Cs 5 1018cm 3由公式 Q(t) ，得出基區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)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(yù)擴(kuò)散（1353K ）的時(shí)間t=964.84s 來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求Xmin4.6. DsQ2t ,由一些相關(guān)資料可查出磷(P)在溫度1080 C時(shí)在SiO2中的擴(kuò)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(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為6000 A?；鶇^(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間PNP基區(qū)的磷再擴(kuò)散的溫度這里取1200 C。由一些相關(guān)資料可查出磷的擴(kuò)散系數(shù):D 6 1012cm2 /s由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽

11、略,故,XjCX再擴(kuò)由再擴(kuò)散結(jié)深公式:X再擴(kuò)而且CsDtCB Nc5.824 1015cm 3故可整理為:2再擴(kuò)4Dt in C： Dttint2tin2X再擴(kuò) 0 2D即 t in t 2tin12 .25 10155.824103.14126 10 127 10 4 22 6 10 12經(jīng)過化簡(jiǎn)得:int 13.5t39167解得基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間:t=7560s=2.1hB、發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程預(yù)擴(kuò)散時(shí)間PNP發(fā)射區(qū)的硼預(yù)擴(kuò)散的溫度這里取950 C,即卩1223K 。單位面積雜質(zhì)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(jì)算，取Cs 8 10 cm由公式Q（t）2 Cs Dt，得出發(fā)射區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)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(yù)擴(kuò)散（1353K ）的時(shí)間t=1683s來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求Xmin 4.6, DSiO2t ，由一些相關(guān)資料可查出硼（B）在溫度950 C時(shí)在SQ2中的擴(kuò)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(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為7000