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， 集电结可用突变结近似，对于Si 器件击穿电压为4313106-⨯=）（BC B N V ，集电区杂质浓度为：34133413)1106106CEOn CBOC BV BV N β+⨯=⨯=（）（由于BV CBO =90所以Nc=*1015cm -3一般的晶体管各区的浓度要满足NE>>NB>NC 设N B =10N C ;N E =100N B 则：Nc=*1015cm -3；N B =*1016cm -3；N E =*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：s V cm ⋅==/13002n C μμ；s V cm P B ⋅==/3302μμ；s V cm N E ⋅==/1502μμ根据公式可得少子的扩散系数：C C qkTD μ==×1300=39s cm /2 B B qkTD μ==×330=s cm /2 E E qkTD μ==×150=s cm /2 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：cm C ⋅Ω=17.1ρ cm B ⋅Ω=1.0ρ cm E ⋅Ω=014.0ρ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EB C τττ和、：s C 6105.3-⨯=τ s B 7109-⨯=τ s E 6101.1-⨯=τ根据公式得出少子的扩散长度：C C CD L τ==6105.339-⨯⨯≈cm 21017.1-⨯B B B D L τ==7100.99.9-⨯⨯≈cm 31098.2-⨯ E E E D L τ==6101.15.4-⨯⨯≈cm 31022.2-⨯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=8μmWb ：基区宽度的最大值可按下式估计：212][βλnb B L W <取λ为4 可得MAX ≈21)0](2[CBO A D AD S B BV N N N qN W +>εε可得MIN ≈*10-4由于B E N N >>，所以E-B 耗尽区宽度（EB W ）可近视看作全部位于基区内，又由C B N N >，得到大多数C-B 耗尽区宽度（CB W ）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CB W ＞EB W 。

另外注意到B W 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：nCB nEB B x x W W ++=，所以基区宽度为m W B μ6.3=，满足条件<B W <。

其中nEB x 和nCB x 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。

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um W X B je 6.3== 集电结结深为um W X B j 2.72c =⨯=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<111>。

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：212415161061.4102.7)10824.510824.5()()(--⨯=⨯⨯⨯+⨯=⨯+=cm X N N t Q jc C B由上述表1可知磷在硅中有：s cm D O /85.32= V E e 66.3a =s /cm 1097.8)135310614.866.3ex p(85.3)ex p(21450--⨯=⨯⨯-⨯=-=T k E D D a 所以， 为了方便计算，取318cm 105-⨯=S C 由公式 Dt C t Q S π2)(=，得出基区的预扩散时间：()()min 40.1294.7431097.8105414.31061.44)(t 1421821322==⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-s D C t Q S π 氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散（1353K ）的时间t=来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求t D x SiO 26.4min = ，由一些相关资料可查出磷（P ）在温度1080℃时在2i O S 中的扩散系数：s /cm 102.22142i -⨯=O S D514min 860.110860.194.743102.26.46.42A cm t D x SiO =⨯=⨯⨯⨯==--所以，考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为60000A 。

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：s /cm 106212⨯=D 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，m jC μ7X X .==再扩由再扩散结深公式：BS C C Dt ln2X =再扩，而且DtQ C S π=，31510824.5-⨯==cm N C C B 故可整理为： 02X ln 2ln ln 4X22=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅-⇒⋅⋅=D D C Qt t t Dt C QDt B B 再扩再扩ππ即()010*******614.310824.51025.5ln 2ln 1224121512=⨯⨯⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⋅----t t t 经过化简得： 0391675.13ln =+-⋅t t t 解得基区再扩散的时间： t=7560s= 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：21541816e 1006.2105.3)10824.510824.5()()(--⨯=⨯⨯⨯+⨯=⨯+=cm X N N t Q j E B由上述表1可知硼在硅中有：s cm D O /76.02= V E e 46.3a =s /cm 103.5)122310824.546.3ex p(76.0)ex p(21550--⨯=⨯⨯-⨯=-=T k E D D a 所以， 为了方便计算，取320cm 108-⨯=S C 由公式 Dt C t Q S π2)(=，得出发射区的预扩散时间：()()min 4.16982103.5108414.31006.24)(t 1522021522==⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-s D C t Q S π 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t D x SiO 26.4min = ，由一些相关资料可查出硼（B ）在温度950℃时在2i O S 中的扩散系数：s /cm 1062152i -⨯=O S D5m in 124610246.16.42A cm t D x SiO =⨯==-所以，考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为70000A 。

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 s /cm 108.5)144310824.546.3ex p(76.0)ex p(21350--⨯=⨯⨯-⨯=-=T k E D D a 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，m j μ5.3X X .e ==再扩由再扩散结深公式：BSC C Dt ln2X =再扩，而且DtQ C S π=，31610824.5-⨯==cm N C B B 故可整理为： 02X ln 2ln ln 4X22=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅-⇒⋅⋅=D D C Qt t t Dt C QDt B B 再扩再扩ππ即()0103.62105.3103.614.310824.5104.2ln 2ln 1324131615=⨯⨯⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⋅----t t t 经过化简得： 09722226.20ln =+-⋅t t t 解得基区再扩散的时间： t=7200s= C 、氧化时间的计算 基区氧化时间由前面得出基区氧化层厚度是60000A ，可以采用干氧－湿氧－干氧的工艺, 将60000A 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10000A （），再湿氧40000A （），再干氧10000A （） 取干氧和湿氧的氧化温度为1200℃干氧氧化10000A 的氧化层厚度需要的时间为：m in 4.20h 34.0t 1==湿氧氧化40000A 的氧化层厚度需要的时间为：m in 2.16h 27.0t 2== 所以，基区总的氧化时间为：m in 572.164.202t t 2t 21=+⨯=+=发射区氧化时间由前面得出发射区氧化层厚度是70000A ，可以采用干氧－湿氧－干氧的工艺,将70000A 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10000A （），再湿氧50000A （），再干氧10000A （） 取干氧和湿氧的氧化温度为1200℃，由图7可得出：干氧氧化10000A 的氧化层厚度需要的时间为：m in 4.20h 34.0t 1== 湿氧氧化50000A 的氧化层厚度需要的时间为：m in 24h 4.0t 2== 所以，发射区总的氧化时间为：m in 8.64244.202t t 2t 21=+⨯=+=四、方案综合评价与结论# Go atlas#meshl=0 spacing=l= spacing=l= spacing=l= spacing=#l= spacing=l= spacing=l= spacing=l= spacing=#region num=1 siliconelectrode num=1 name=emitter left length=electrode num=2 name=base right length= =0electrode num=3 name=collector bottom#doping reg=1 uniform conc=5e15doping reg=1 gauss conc=1e18 peak= char=doping reg=1 gauss conc=1e18 peak= junct=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。