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

2、統(tǒng)計(jì)， 目前，有關(guān)建模和仿真方面的研究論文已占各類(lèi)國(guó)際、國(guó)內(nèi)專(zhuān)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 CADof 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，

3、使 T=346K 時(shí)， =173。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(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 D

4、essis 以及 Crosslight Software 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(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133Si 器件擊穿電壓為 VB結(jié)近似，對(duì)于6 10 （N BC）4，6101346101343)3N C （） （集電區(qū)雜質(zhì)濃度為：BVCBOn 1BVCEO由于 BV

5、CBO =90 所以 Nc=5.824*10 15cm-3一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NENBNC設(shè) N B =10N C;N E=100N B 則：Nc=5.824*10 15cm- 3； NB=5.824*10 16cm-3； NE=5.824*10 18cm-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：Cn1300cm2 / V s ； BP330cm2 / V s ； EN150cm2 / V s根據(jù)公式可得少子的擴(kuò)散系數(shù)：DCkTC =0.03 1300=39 cm2 / sqD BkTB =0.03 330=9.9 cm 2 / sqD EkTE =0.03 1

6、50=4.5 cm2 / sq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：.C1.17cmB0.1cmE0.014cm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、B 和E ：C3.5 10 6 sB9 10 7 sE1.1 10 6 s根據(jù)公式得出少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度：LCDCC=393.510 6 1.1710 2 cmLBDBB=9.99.010 7 2.9810 3 cmLEDEE=4.51.110 6 2.2210 3 cm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

7、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=8 mWb ：基區(qū)寬度的最大值可按下式估計(jì)：1WB L2nb 2取為 4可得 MAX 4.31um2 0 SNA1WB2BVCBO qND( ND NA)可得 MIN 0.381*10 -4.由于 N EN B ，所以E-B 耗盡區(qū)寬度（WEB ）可近視看作全部位于基區(qū)內(nèi)，又由NBNC ，得到大多數(shù)C-B 耗盡區(qū)寬度（ WCB ）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 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(shuō)，對(duì)于PNP 晶體管，有： WB

8、WxnEBxnCB ，所以基區(qū)寬度為 WB3.6 m ，滿足條件0.381um WB 4.31um。其中 xnEB 和 xnCB 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 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X jeWB3.6um集電結(jié)結(jié)深為 X jc 2WB 7.2um芯片厚度和質(zhì)量本設(shè)計(jì)選用的是電阻率為的

9、 P 型硅，晶向是 。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：Q(t ) ( N BNC )X jc(5.82410165.8241015 )7.2 10 44.61 1012 cm 2由上述表 1 可知磷在硅中有：DO3.85cm2 / sEa3.66eV所以， DD0 exp(Ea)3.85exp(8.6143.66) 8.97 10 14 cm2 / sk T10 51353為了方便計(jì)算，取CS5 1018 cm 3由公式Q (t )2 CS Dt，得出基區(qū)的預(yù)擴(kuò)

10、散時(shí)間：.Q2(t )1324.61 103.14t4 5 1018 2743.94s 12.40 min4CS2 D8.97 10 14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xmin4.6DSiO2t ，由一些相關(guān)資料可查出磷（ P）在溫度 1080時(shí)在 SiO2 中的擴(kuò)散系數(shù)：DS O2.2 10 14 cm2 / si22.2 10 1410 5 cm0所以， xmin4.6D SiO2 t4.6743.941.8601.860 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

11、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)：D61012 cm 2 / s由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，X jCX .再擴(kuò)7 m由再擴(kuò)散結(jié)深公式：X 再擴(kuò)2Dtln CSC B，而且 CSQ， CBNC5.824 1015 cm 3DtQQX2故可整理為：X 24Dt lnt ln t2tln再擴(kuò)再擴(kuò)C BC B0DtD2D即 t ln t 2tln5.251012710 42010153.14610 122610 125.824經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得：t ln t13.5t391670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(guò)程預(yù)擴(kuò)散時(shí)間

12、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：Q(t )( N BNE )X je(5.824 10165.824 1018 )3.5 10 42.06 1015 cm 2.由上述表 1 可知硼在硅中有：DO0.76/sEa3.46eVcm2Ea)0.76exp(3.46) 5.3 10152/ s所以， D D0 exp(10 5cmk T5.8241223為了方便計(jì)算，取CS8 1020cm 3由公式 Q (t )2CSDt，得出發(fā)射區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)間：2(t )1523.14Q2.06 10982s 16.4 mint4810205.3 10 154CS2 D

13、2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(lái)決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求xmin4.6DSiO2t ，由一些相關(guān)資料可查出硼（B）在溫度 950時(shí)在 Si O2 中的擴(kuò)散系數(shù)：DSiO 2610 15cm2 / s10 5 cm 12460所以， x m in4 .6D SiO 2 t1 .246A0考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為7000 A 。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Ea)0.76 exp(3.46)5.81013cm2/ sD D0 exp(5.82410 5k T1443由于預(yù)擴(kuò)散的

14、結(jié)深很淺，可將它忽略，故，X jeX .再擴(kuò)3.5m由再擴(kuò)散結(jié)深公式：X 再擴(kuò)2Dtln CSC B，而且 CSQCBNB16cm3，5.824 10DtQQX2故可整理為：X 2 再擴(kuò)4Dtlnt ln t2tln再擴(kuò)0C BDtC BD2D2.4153.51042即 t ln t 2tln10010163.146.310 1326.310 135.824.經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得：t ln t20.26t972220解得基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間：t=7200s=2.0hC、氧化時(shí)間的計(jì)算基區(qū)氧化時(shí)間0由前面得出基區(qū)氧化層厚度是6000 A ，可以采用干氧濕氧干氧的工藝,0將 6000 A 的氧化層的分配成如下的

15、比例進(jìn)行氧化工藝：干氧：濕氧：干氧=1： 4： 1000即先干氧 1000 A （ 0.1um），再濕氧4000 A （ 0.4um），再干氧1000 A （ 0.1um）取干氧和濕氧的氧化溫度為12000干氧氧化 1000A 的氧化層厚度需要的時(shí)間為：t 1 0.34h20.4min0濕氧氧化 4000A 的氧化層厚度需要的時(shí)間為：t 20.27h16.2min所以，基區(qū)總的氧化時(shí)間為：t 2t 1 t 2 220.416.257min發(fā)射區(qū)氧化時(shí)間0由前面得出發(fā)射區(qū)氧化層厚度是7000 A ，可以采用干氧濕氧干氧的工0藝 , 將 7000 A 的氧化層的分配成如下的比例進(jìn)行氧化工藝：干氧：

16、濕氧：干氧 =1： 5： 1000即先干氧 1000 A（0.1um），再濕氧 5000 A（0.5um），再干氧 1000 A（0.1um）取干氧和濕氧的氧化溫度為1200， 由圖 7 可得出：0干氧氧化 1000 A 的氧化層厚度需要的時(shí)間為：t1 0.34h 20.4min0濕氧氧化 5000 A 的氧化層厚度需要的時(shí)間為：t 2 0.4h 24min所以，發(fā)射區(qū)總的氧化時(shí)間為：t2t1t 2220.42464.8min.四、 方案綜合評(píng)價(jià)與結(jié)論# Go atlas#meshx.m l=0spacing=0.15x.m l=0.8spacing=0.15x.m l=1.5spacing=

17、0.12x.m l=2.0spacing=0.15#y.m l=0.0spacing=0.006y.m l=0.06spacing=0.005y.m l=0.30spacing=0.02y.m l=1.0spacing=0.12#.region num=1 siliconelectrode num=1 name=emitter left length=0.8electrode num=2 name=baseright length=0.5 y.max=0electrode num=3 name=collector bottom#doping reg=1 uniform n.type conc=

18、5e15doping reg=1 gaussn.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2doping reg=1 gaussp.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15pnp 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(zhuān)業(yè)方向之一的微電子工藝方向的技術(shù)。