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微电子工艺设计讲义 南通大学电子信息学院电子科学与技术教研室 王强 目录 1 引言 2 器件结构构建 3 工艺过程 4 二极管制造设计 5 双极性晶体管设计 6 MOS设计 第一章 引言 当今，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”。 SILVACO研发的Technology Computer Aided Design (TCAD) Simulation Software处于业界领导地位。公司研发和销售的TCAD套件被遍布全球的半导体厂家用于半导体器件和集成电路的研究和开发、测试和生产过程中。SILVACO还是Spice Parameter Extraction Software (UTMOST)和Analog Circuit Simulation Software (Smart Spice)的主要提供商。独特的位置使得SILVACO与世界上先进的高科技厂商和大学合作，将必威体育精装版的设计技术和工艺市场化。 Silvaco提供了TCAD Driven CAD Environment，这一套完整的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的IC设计方法提供强大的动力：制程仿真和器件工艺；SPICE Model的生成和开发；Interconnect Parasitics的极其精确的描述；Physically-based可靠性建模以及传统的CAD。所有这些功能整合在统一的框架，提供了工程师在完整的设计中任何阶段中所做更改导致的性能、可靠性等效果直接的反馈。 1.2 工艺仿真—ATHENA 1.2.1 工艺仿真概述 IC工艺仿真由运行IC工艺仿真器来实现。IC工艺仿真器由IC工艺仿真软件及能运行该软件的具有一定容量和速度的计算机主机及输入输出设备等硬件组成。IC工艺仿真软件大致可分为类：第一类，用来仿真离子注入、扩散、氧化等以仿真参杂分布为主的所谓狭义的IC工艺仿真软件；第二类用来仿真刻蚀、淀积等工艺的IC形貌仿真软件以及第三类，用来仿真固有的和外来的衬底材料参数及/或制造工艺条件可用于仿真制造IC的全工序，也可用来仿真单类工艺或单项工艺。IC工艺仿真有优化设计IC制造工艺及快速分析工艺条件对工艺结果影响等功能，也是制造IC的重要组成部分。IC工艺仿真器及其输入、输出的示意图由图.1给出。 在工艺条件参数中，以离子注入、扩散和氧化工艺为例，一般包括：离子注入的能量、剂量和杂质种类等；预淀积或再分布扩散的温度、时间、杂质种类及需要给出的浓度、气氛或携带气体的种类和分压等；氧化的温度、时间、携带的氧化剂类别(，O)和分压等。衬底材料参数一般包括衬底材料的晶向、掺杂类型和浓度等。网格参数为上列类工艺仿真软件给出；其中方块电阻、阈值电压等电学参数由得出的杂分布、氧化层厚度及已知的衬底材料参数按有关解析计算公式计算得出。图 .1 IC工艺仿真器及其输入、输出的示意图 研制工艺仿真软件首先必须建立能仿真制造IC的各种工艺的模型，这种模型是物理及/或化学模型。为了用计算机对这种模型进行仿真计算，必须将这些模型用数学公式来表示。数学化的模型一般有解析模型（基于理论推导，有一个精确的或近似的理论表达式），经验模型（基于大量实验数据，但机理不清楚，用一个经验公式）及半经验模型（不完全基于理论推导，也不完全基于实验数据，理论表达式中某些参数的系数、次方用经验值表示）等3种。此外还有表格化模型（实验数据较少，应变量和自变量的关系用列表表示）和内插、外推模型（以较少实验数据为基础，用