微电子工艺课程设计

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（modeling and simulation）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”（Technology CAD of IC ），简称“IC TCAD”。

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，β=173。V CEO =18V，V CBO =90V，晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流

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Technology Computer Aided Design，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Crosslight Software 公司的Csuprem 和APSYS 。这次课

程设计运用Silvaco-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

13V =6⨯10（N BC ）， B 结近似，对于Si 器件击穿电压为-34

集电区杂质浓度为：6⨯101336⨯1013N C ==（) 3

+βBV BV CBO CEO 44

由于BV CBO =90所以Nc=5.824*1015cm -3

一般的晶体管各区的浓度要满足NE>>NB>NC

设N B =10NC ;N E =100NB 则：

Nc=5.824*1015cm -3；N B =5.824*1016cm -3；N E =5.824*1018cm -3

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：

μC =μn =1300cm 2/V ⋅s ；μB =μP =330cm 2/V ⋅s ；μE =μN =150cm 2/V ⋅s 根据公式可得少子的扩散系数：

D C =kT μC =0.03×1300=39cm 2/s q

kT μB =0.03×330=9.9cm 2/s q

kT μE =0.03×150=4.5cm 2/s q D B =D E =

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：

ρC =1. 17Ω⋅cm ρB =0. 1Ω⋅cm ρE =0. 014Ω⋅cm

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τC 、τB 和τE ：

τC =3. 5⨯10-6s τB =9⨯10-7s τE =1. 1⨯10-6s

根据公式得出少子的扩散长度：

L C =D C τC =39⨯3. 5⨯10-6≈1. 17⨯10-2cm

-3-7L B =D B τB =9. 9⨯9. 0⨯10≈2. 98⨯10cm

-3-6L E =D E τE =4. 5⨯1. 1⨯10≈2. 22⨯10cm

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=8μm

Wb ：

基区宽度的最大值可按下式估计：

1λL 2

W B

β

取λ为4

可得MAX ≈4.31um

2ε0εS N A W B >BV CBO ]2

qN D (N D +N A )

可得MIN ≈0.381*10-4

1

由于N E >>N B ，所以E-B 耗尽区宽度（W EB ）可近视看作全部位于基区内，又由N B >N C ，得到大多数C-B 耗尽区宽度（W CB ）位于集电区内。因为C-B 结轻掺杂一侧的掺杂浓度比E-B 结轻掺杂一侧的浓度低，所以W CB ＞W EB 。另外注意到W B 是基区宽度，W 是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于PNP 晶体管，有：W B =W +x nEB +x nCB 基区宽度为W B =3. 6μm ，满足条件0.381um

其中x nEB 和x nCB 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。 所以，

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，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 je =W B =3. 6um

集电结结深为X j c =2⨯W B =7. 2um

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1080℃，即1353K 。

单位面积杂质浓度：

Q (t ) =(N B +N C ) ⨯X jc =(5. 824⨯1016+5. 824⨯1015) ⨯7. 2⨯10-4=4. 61⨯1012cm -2 由上述表1可知磷在硅中有：D O =3. 85cm /s E a =3. 66e V 2

所以，D =D 0exp(-E a 3. 66) =3. 85⨯exp(-) =8. 97⨯10-14cm 2/s -5k T 8. 614⨯10⨯1353

18-3为了方便计算，取C S =5⨯10cm

由公式 Q (t ) =2

C S Dt ，得出基区的预扩散时间：

Q 2(t ) π4. 61⨯1013⨯3. 14t ===743. 94s =12. 40min 2218-144C S D 4⨯5⨯10⨯8. 97⨯10()2

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，且服从余误差分布，并根据假设可求x min =4. 6D SiO 2t ，由一些相关资料可查出磷（P ）在温度1080℃

时在S i O 2中的扩散系数：D S i O 2=2. 2⨯10-14cm 2/s

所以，x min =4. 6D SiO 2t =4. 6⨯2. 2⨯10-14⨯743. 94=1. 860⨯10cm =1. 860A

0-50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1200℃。

由一些相关资料可查出磷的扩散系数：D =6⨯10cm /s

由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，X jC =X . 再扩=7μm 由再扩散结深公式：X 再扩=2Dt ln 122C S C B ， 而且C S =Q 15-3 ，C B =N C =5. 824⨯10cm Dt

2再扩故可整理为：X ⎛⎫X 2再扩Q ⎪+=4Dt ⋅ln ⇒t ln t -2t ⋅ln =0 ⎪2D C B ⋅Dt ⎝C B ⋅D ⎭Q

⎛5. 25⨯1012

即t ln t -2t ⋅ln 15-12⎝5. 824⨯10⨯3. 14⨯6⨯10

经过化简得： t ⋅ln t -13. 5t +39167⎫7⨯10-4⎪+⎪2⨯6⨯10-12=0 ⎭()2=0

解得基区再扩散的时间： t=7560s=2.1h

B、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950℃，即1223K 。

单位面积杂质浓度：

Q (t ) =(N B +N E ) ⨯X j e =(5. 824⨯1016+5. 824⨯1018) ⨯3. 5⨯10-4=2. 06⨯1015cm -2

由上述表1可知硼在硅中有：D O =0. 76cm /s E a =3. 46e V 2

所以，D =D 0exp(-E a 3. 46) =0. 76⨯exp(-) =5. 3⨯10-15cm 2/s -5k T 5. 824⨯10⨯1223

20-3为了方便计算，取C S =8⨯10cm

由公式 Q (t ) =2

C S Dt ，得出发射区的预扩散时间： Q 2(t ) π2. 06⨯1015⨯3. 14t ===982s =16. 4min 24C S D 4⨯8⨯10202⨯5. 3⨯10-15()2

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x min =4. 6D SiO 2t ，由一些相关资料可查出硼（B ）在温度950℃时

在S i O 2中的扩散系数：D S i O 2=6⨯10-15cm 2/s

所以，x min =4. 6D SiO 2t =1. 246⨯10cm =1246A

考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为7000A 。

发射区再扩散的时间

PNP 基区的磷再扩散的温度这里取1170℃，即1443K ，则 0-50

D =D 0exp(-E a 3. 46) =0. 76⨯exp(-) =5. 8⨯10-13cm 2/s -5k T 5. 824⨯10⨯1443

由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，X j e

由再扩散结深公式：X 再扩=2Dt ln =X . 再扩=3. 5μm C S C B ， 而且C S =Q 16-3 ，C B =N B =5. 824⨯10cm Dt

2再扩故可整理为：X ⎛⎫X 2再扩Q ⎪+=4Dt ⋅ln ⇒t ln t -2t ⋅ln =0 ⎪2D C B ⋅Dt C ⋅D ⎝B ⎭Q

⎛2. 4⨯1015

即t ln t -2t ⋅ln 16-13⎝5. 824⨯10⨯3. 14⨯6. 3⨯10⎫3. 5⨯10-4⎪+⎪2⨯6. 3⨯10-13=0 ⎭()2

经过化简得： t ⋅ln t -20. 26t +97222

解得基区再扩散的时间： t=7200s=2.0h

C、氧化时间的计算

基区氧化时间 =0

由前面得出基区氧化层厚度是6000A ，可以采用干氧－湿氧－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1000A （0.1um ） 取干氧和湿氧的氧化温度为1200℃

干氧氧化1000A 的氧化层厚度需要的时间为：t 1=0. 34h =20. 4min

湿氧氧化4000A 的氧化层厚度需要的时间为：t 2=0. 27h =16. 2min

所以，基区总的氧化时间为：t =2t 1+t 2=2⨯20. 4+16. 2=57min 0000000

发射区氧化时间

由前面得出发射区氧化层厚度是7000A ，可以采用干氧－湿氧－干氧的工艺, 将7000A 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 （0.1um ），再湿氧5000A （0.5um ），再干氧1000A （0.1um ） 取干氧和湿氧的氧化温度为1200℃，由图7可得出：

干氧氧化1000A 的氧化层厚度需要的时间为：t 1=0. 34h =20. 4min

湿氧氧化5000A 的氧化层厚度需要的时间为：t 2=0. 4h =24min

所以，发射区总的氧化时间为：t =2t 1+t 2=2⨯20. 4+24=64. 8min 0000000

四、 方案综合评价与结论

# 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

electrode 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=0.2

doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15

pnp 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。但是也深深体会到了对于理论知识的缺乏，

以

及运用时候思路的单调，并不能够提出新颖的方案，拘泥于固定思维的我们，更应该利用课程设计以及其他实践机会拓展自己的思维。

《微电子工艺》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用的课程，使我们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。

六、 参考文献

1. 《集成电路制造技术》，电子工业出版社，王蔚等著，2000年

2. 《半导体物理》，电子工业出版社，刘恩科等著，2006年

3. 《半导体仿真工具silvaco 学习资料》，网络，化龙居士，2009年