微電子工藝課程設(shè)計(jì)

1、 微電子工藝課程設(shè)計(jì) 一、 摘要 仿真（simulation）這一術(shù)語(yǔ)已不僅廣泛出現(xiàn)在各種科技書(shū)書(shū)刊上，甚至已頻繁出現(xiàn)于各種新聞媒體上。不同的書(shū)刊和字典對(duì)仿真這一術(shù)語(yǔ)的定義性簡(jiǎn)釋大同小異，以下3種最有代表性，仿真是一個(gè)系統(tǒng)或過(guò)程的功能用另一系統(tǒng)或過(guò)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(guò)程或系統(tǒng)；不同實(shí)驗(yàn)對(duì)問(wèn)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(kāi)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)

2、建模和仿真方面的研究論文已占各類國(guó)際、國(guó)內(nèi)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(guò)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。按仿真內(nèi)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)”（Technology CAD of IC），簡(jiǎn)稱“IC TCAD”。二、 綜述這次課程設(shè)計(jì)要求是：設(shè)計(jì)一個(gè)均勻摻雜的pnp型雙極晶體管，使T=346K時(shí)，=173。VC

3、EO=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(guò)程中的量進(jìn)行計(jì)算。然后通過(guò)Silvaco-TCAD進(jìn)行模擬。TCAD就是Technology Computer Aided Design，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 Software公司的Csuprem和A

4、PSYS。這次課程設(shè)計(jì)運(yùn)用Silvaco-TCAD軟件進(jìn)行工藝模擬。通過(guò)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V時(shí)，集電結(jié)可用突變結(jié)近似，對(duì)于Si器件擊穿電壓為，集電區(qū)雜質(zhì)濃度為：由于BVCBO=90所以Nc=5.824*1015cm-3一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NE>>NB>NC設(shè)NB=10NC;NE=100NB則：Nc=5.824*1015cm-3；NB=5.824*101

5、6cm-3；NE=5.824*1018cm-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：；根據(jù)公式可得少子的擴(kuò)散系數(shù)：=0.03×1300=39=0.03×330=9.9=0.03×150=4.5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： 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： 根據(jù)公式得出少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度：=集電區(qū)厚度Wc的選擇Wc的最大值受串聯(lián)電阻Rcs的限制。增大集電區(qū)厚度會(huì)使串聯(lián)電阻Rcs增加，飽和壓降VCES增大，因此WC的最大值受串聯(lián)電阻限制。綜合考慮這兩方面的因素，故選擇WC=8mWb：基區(qū)寬度

6、的最大值可按下式估計(jì)：取為4可得MAX4.31um可得MIN0.381*10-4由于，所以E-B耗盡區(qū)寬度（）可近視看作全部位于基區(qū)內(nèi)，又由，得到大多數(shù)C-B耗盡區(qū)寬度（）位于集電區(qū)內(nèi)。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。另外注意到是基區(qū)寬度，是基區(qū)中準(zhǔn)中性基區(qū)寬度；也就是說(shuō)，對(duì)于PNP晶體管，有：，所以基區(qū)寬度為，滿足條件0.381um<<4.31um。其中和分別是位于N型區(qū)內(nèi)的E-B和C-B耗盡區(qū)寬度，在BJT分析中指的就是準(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

7、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)深為集電結(jié)結(jié)深為芯片厚度和質(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?；鶇^(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過(guò)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，即1353K。單位面積雜質(zhì)濃度：由上述表1可知磷在硅中有： 為了方便計(jì)算，取由公式 ，得出基區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)間： 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(lái)決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求

8、 ，由一些相關(guān)資料可查出磷（P）在溫度1080時(shí)在中的擴(kuò)散系數(shù)：考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為6000。 基區(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。由一些相關(guān)資料可查出磷的擴(kuò)散系數(shù)： 由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，由再擴(kuò)散結(jié)深公式：，而且 ， 故可整理為： 即經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得： 解得基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間： t=7560s=2.1h B、發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過(guò)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，即1223K。單位面積雜質(zhì)濃度：由上述表1可知硼在硅中有： 為了方便計(jì)算，取由公式 ，得出發(fā)射區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)間： 氧化層厚度 氧化層厚度的最小值由預(yù)擴(kuò)散（1353

9、K）的時(shí)間t=1683s來(lái)決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求 ，由一些相關(guān)資料可查出硼（B）在溫度950時(shí)在中的擴(kuò)散系數(shù)：考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為7000。 發(fā)射區(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1170，即1443K，則 由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，由再擴(kuò)散結(jié)深公式：，而且 ， 故可整理為： 即經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得： 解得基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間： t=7200s=2.0h C、氧化時(shí)間的計(jì)算 基區(qū)氧化時(shí)間由前面得出基區(qū)氧化層厚度是6000，可以采用干氧濕氧干氧的工藝,將6000的氧化層的分配成如下的比例進(jìn)行氧化工藝： 干氧：濕氧：干氧=1：4：1即先干氧1000（0

10、.1um），再濕氧4000（0.4um），再干氧1000（0.1um）取干氧和濕氧的氧化溫度為1200干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時(shí)間為：濕氧氧化4000的氧化層厚度需要的時(shí)間為：所以，基區(qū)總的氧化時(shí)間為： 發(fā)射區(qū)氧化時(shí)間由前面得出發(fā)射區(qū)氧化層厚度是7000，可以采用干氧濕氧干氧的工藝,將7000的氧化層的分配成如下的比例進(jìn)行氧化工藝： 干氧：濕氧：干氧=1：5：1即先干氧1000（0.1um），再濕氧5000（0.5um），再干氧1000（0.1um）取干氧和濕氧的氧化溫度為1200，由圖7可得出：干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時(shí)間為：濕氧氧化5000的氧化層厚度需要的時(shí)間為：所以

11、，發(fā)射區(qū)總的氧化時(shí)間為：四、 方案綜合評(píng)價(jià)與結(jié)論# Go atlas # mesh x.m l=0 spacing=0.15 x.m l=0.8 spacing=0.15 x.m l=1.5 spacing=0.12 x.m l=2.0 spacing=0.15 # y.m l=0.0 spacing=0.006 y.m l=0.06 spacing=0.005 y.m l=0.30 spacing=0.02 y.m l=1.0 spacing=0.12 # region num=1 silicon electrode num=1 name=emitter left length=0.8 el

12、ectrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0 electrode num=3 name=collector bottom # doping reg=1 uniform n.type conc=5e15 doping reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15 pnp型雙極晶體管設(shè)計(jì)，通過(guò)查閱大量的資料，借鑒別人成功的設(shè)計(jì)，從中得到自己有用的東西，自己慢慢吸收。從知之甚少到一點(diǎn)點(diǎn)設(shè)計(jì)，最終成功完成了本次設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真軟件仿真可以知道此次設(shè)計(jì)基本符合題目要求的參數(shù)值。由于自己理論知識(shí)較為匱乏，對(duì)實(shí)際生活中的工藝水平不怎么了解，所以設(shè)計(jì)還是存在一些問(wèn)題，參數(shù)有著一些誤差。五、 體驗(yàn)與展望在為期一周的時(shí)間里，我們對(duì)于微電子工藝這門(mén)課程進(jìn)行了相應(yīng)的微電子工藝課程設(shè)計(jì)。期間對(duì)于微電子工藝、微電子器件物理、微電子器件工藝和半導(dǎo)體物理的有關(guān)知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)，在運(yùn)用中更加深刻的理解了咱們電子與科學(xué)專業(yè)方向之一的微電子工藝方向的技術(shù)。但是也深深體會(huì)到了對(duì)于理論知識(shí)的缺乏，以及運(yùn)用時(shí)候思路的單調(diào)，并不能夠提出新穎的方案，拘泥于固定思維的我們，更應(yīng)該利用課程設(shè)計(jì)以及其他實(shí)踐機(jī)會(huì)拓