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1、微电子器件与工艺课程设计指导书微电子器件与工艺课程设计（编写人）一、课程设计目的与任务微电子器件与工艺课程设计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，是使学生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。其目的是使学生在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设计方法。要求学生根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完成晶体管的纵向结构参数设计晶体管的图形结构设计材料参数的选取和设计制定实施工艺方案晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练，为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础， 二
2、、课程设计时间2周。三、课程设计的教学要求本课程设计采用集中讲授（讲授设计的原则、方法和要求）和分散指导相结合的教学方式，学生主要完成晶体管各参数的设计和工艺方案的制定。在后续的生产实习教学环节中，学生主要完成晶体管的生产制备过程。四、课程设计的基本内容学生按给定的题目进行设计，题目的难度要保证中等水平的学生在教师的指导下在两周内能独立完成设计任务。设计主要内容：1了解晶体管设计的一般步骤和设计原则2根据设计指标选取材料，确定材料参数，如发射区掺杂浓度NE, 基区掺杂浓度NB, 集电区掺杂浓度NC, 根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命等。3根据主要参数的设计指标确定器
3、件的纵向结构参数，如集电区厚度Wc，基本宽度Wb，发射极宽度We和扩散结深Xjc, 发射结结深等。4根据结深确定氧化层的厚度，氧化温度和氧化时间；杂质预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间 5根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、发射区和金属接触孔的光刻版图。 6根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。五、设计报告1报告内容重点写设计过程各参数的主要依据和结果，最后进行工艺流程的总结，要求画出各工艺流程图，标明主要工艺参数，如基区再扩散，标明扩散温度、扩散时间、最后的结深。2要求条理清楚，语言流畅、图表规范。六、设计的进度1. 课程设计时间为两周；七、参考教材1半导体器
4、件基础Robert F. Pierret著，黄如译，电子工业出版社，2004. 2半导体物理与器件 赵毅强等译，电子工业出版社，2005年. 3硅集成电路工艺基础，关旭东编著，北京大学出版社，2005年.微电子器件与工艺课程设计指导书晶体管的设计是有关晶体管物理知识的综合应用。晶体管的基本理论只能反映晶体管内部的基本规律，而且这些规律往往是基于很多假设，并忽略了很多次要因素的情况下得到的，如工艺因素的影响，半导体材料的影响及杂质浓度的具体分布形式等。因此，在进行晶体管设计时必须从生产实践中总结出经验数据与基本的理论结合起来，经过多次反复，才能得到切实可行的设计方案。同时，对有志从事半导体器件以
5、及集成电路有关工作的工程技术人员来说，要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，晶体管设计也是必不可少的重要环节。 一、晶体管设计的一般方法晶体管设计过程，实际上就是根据现有的工艺水平，材料水平，设计水平和手段以及所掌握的晶体管的有关基本理论，将用户提出的或预期要得到的技术指标或功能要求，变成一个可实施的具体方案的过程。因此，设计者必须对当前所能获取的半导体材料的有关参数和工艺参数有充分的了解，并弄清晶体管的性能指标参数与材料参数，工艺参数和器件几何结构参数之间的相互关系，才可能得到设计所提出的要求。但是晶体管的种类繁多，性能指标要求也就千差万别，因此要将各类晶体管的设计都
6、要讲清楚是很难的，所以我们只能简单介绍一下晶体管设计的一般步骤和基本原则。1晶体管设计的一般步骤晶体管设计可大致按下列步骤进行：第一，根据预期指标要求选定主要电学参数，确定主要电学参数的设计指标。第二，根据设计指标的要求，了解同类产品的现有水平和工艺条件，结合设计指标和生产经验进行初步设计，设计内容包括以下几个方面：（1）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，如集电区厚度Wc，基本宽度Wb和扩散结深Xj等。 （2）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出光刻版图。 （3）根据设计指标选取材料，确定材料参数，如电阻率r，位错，寿命，晶向等。（4）根据现有工艺条件，制定实
7、施工艺方案。（5）根据晶体管的类型进行热学设计，选择分装形式，选用合适的管壳和散热方式等。第三，根据初步设计方案，对晶体管的电学验算，并在此基础上对设计方案进行综合调整和修改。第四，根据初步设计方案进行小批测量试制，暴露问题，解决矛盾，修改和完善 设计方案。2晶体管设计的基本原则（1）全面权衡各电学参数间的关系，确定主要电学参数尽管晶体管的电学参数很多，但对于一类型的晶体管，其主要电学参数却只有几个，如对高频大功率管，主要的电学参数是fT ， BVCBO， P CM和ICM等；而高速开关管的主要电学参数则为to n，toff，UBES和UCES。因此，在进行设计时，必须全面权衡各电学参数间的关
8、系，正确处理各参数间的矛盾。找出器件的主要电学参数，根据主要电学参数指标进行设计，然后再根据生产实践中取得的经验进行适当调整，以满足其他电学参数的要求。（2） 正确处理设计指标和工艺条件之间的矛盾，确定合适的工艺实施方案。任何一个好的设计方案都必须通过合适的工艺才能实现。因此，在设计中必须正确处理设计指标和工艺条件之间的矛盾。设计前必须了解工艺水平和设备精度，结合工艺水平进行合理设计。（3） 正确处理技术指标的经济指标间的关系设计中既要考虑高性能的技术指标，也要考虑经济效益。否则，过高的追求高性能的技术指标，将使成本过高。同时，在满足设计指标的前提下，尽可能降低参数指标水准，便于降低对工艺的要
9、求，提高产品成品率。（4） 在进行产品设计时，一定要考虑器件的稳定性和可靠性。3晶体管电学参数与结构、材料和工艺参数之间的关系由于晶体管的种类繁多，性能指标要求也各不相同，因此为了正确而又合理地设计晶体管，设计者必须弄清晶体管的各项电学参数与材料参数，工艺参数和器件几何结构参数之间的相互关系。双极晶体管的电学参数可分为直流参数，交流参数和极限参数三大类。下面将电学参数按三大类进行汇总，在括号内指出与它有关的主要参数。A、直流参数（1）共发射极电流放大系数b：主要与Wb，NB ,NE有关。（2）反向饱和电流ICBO 、ICEO和 IEBO：主要与寿命t ，空间电荷区宽度有关。（3）饱和压降VCE
10、S：主要与rb(Wb NB le se)和rcs(NC WC AC)有关。（4）输入正向压降VBES：主要与rb(Wb ，NB，le，se)有关。 B、交流参数（1）特征频率fT：由传输延迟时间tec决定，还与Ae ,tb(Wb Nb)，tC(AC，NC)和td(NC)有关。（2）功率增益GP：主要由 fT ，CC(AC，Apad)和rb(Wb ,NB, Le se)决定。（3）开关时间ton 和 toff：主要与Ae, AC 基区和集电区少子寿命t和集电区厚度WC。（4）噪声系数NF：NF主要由rb和fT决定。C、极限参数（1）击穿电压：BVCEO和 BVCBO主要由NC，WC和 Xjc决定
11、；BVEBO主要由发射结边界的基区表面浓度决定。 （2）集电极最大电流ICM：与发射极总周长LE 、集电区杂质浓度NC有关，或与WB 、NB有关。（3）最大耗散功率PCM：主要与热电阻RT (基区面积Ab 芯片厚度t)有关。总之，晶体管的各电学参数之间是相互关联的，而且电学参数随结构参数的变化关系也相当复杂，甚至出现相互矛盾的情况。表1列出了几个主要电学参数与结构材料参数间的关系。例如，NC增加，ICM增大，但BVCBO将降低。因此，在设计中必须正确处理各参数间的关系。表3.1主要电学参数与结构和材料参数间的关系结构和材料参数电学参数WBWCNCNENBAeAcbfTICMGPVCESBVCB
12、O二、晶体管的纵向设计通常提到的晶体管是指纵向的晶体管，但在集成电路的设计和制造中常常还会涉及到横向晶体管，因此我们下面只讨论纵向晶体管的设计；同时为了使设计思路清晰，在此只讨论一般晶体管的设计。双极晶体管是由发射结和集电结两个PN结组成的，晶体管的纵向结构就是指在垂直于两个PN结面上的结构，如图1所示。因此，纵向结构设计的任务有两个：首先是选取纵向尺寸，即决定衬底厚度Wt、集电区厚度WC、 基区厚度WB、 扩散结深Xje 和Xjc等；其次是确定纵向杂质浓度和杂质分布，即确定集电区杂质浓度NC、 衬底杂质浓度Nsub、 表面浓度NES, NBS 以及基区杂质浓度分布NB(c) 等，并将上述参数
13、转换成生产中的工艺控制参数。纵向结构尺寸与杂质分布确定下来后，就可制定实施工艺方案了。通常纵向结构尺寸与杂质分布是相互关联的，因此在选择纵向几何尺寸和杂质分布参数时，往往需要同时考虑，交叉进行。下面分别加以介绍。图1 晶体管的纵向结构及晶体管的杂质分布1、集电区杂质浓度或电阻率的选择原则集电区电阻率的最小值主要由击穿电压决定，最大值受集电区串联电阻rcs的限制。在晶体管的电学参数中，特征频率fT、饱和压降VCES、最大集电极电流ICM、 击穿电压都与集电区的掺杂浓度有关。而且上述参数对集电区掺杂浓度的要求相互矛盾。例如，提高击穿电压要求集电区具有高的电阻率rC ,而增大ICM、降低VCES和提
14、高fT却希望集电区具有较低的电阻率。对上述参数进行仔细分析后可发现，上述参数中，只有击穿电压主要由集电区电阻率决定。因此，集电区电阻率的最小值由击穿电压决定，在满足击穿电压要求的前提下，尽量降低电阻率，并适当调整其他参量，以满足其他电学参数的要求。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 ， 由此可得集电区杂质浓度为 （1）2、集电区厚度WC的选择原则（1）集电区厚度的最小值集电区厚度的最小值由击穿电压决定。通常为了满足击穿电压的要求，集电区厚度WC必须大于击穿电
15、压时的耗尽层宽度，即WC XmB（XMb是集电区临界击穿时的耗尽层宽度）。对于高压器件，在击穿电压附近，集电结可用突变结耗尽层近似，因而 （2）可见，为了提高击穿电压，改善二次击穿特性，希望集电区厚度WC厚一些好。（2） 集电区厚度的最大值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。3、基区宽度在晶体管的电学参数中，电流放大系数b，基区穿通电压VPT,特征频率fT以及功率增益GP等，都与基区宽度有关。那基区宽度的最大值和最小值受那些因素的影响呢？（1） 基区宽度的最大值对于低频管，与基区宽度有关的主要电学参数是b，因此低频
