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1、目 录一课程设计目的与任务1二设计的内容1 三设计的要求与数据1四物理参数设计2 4.1各区掺杂浓度及相关参数的计算24.1.1各区掺杂浓度 44.1.2迁移率44.1.3扩散系数与电阻率54.1.4少子寿命和扩散长度5 4.2 集电区厚度Wc的选择64.3 基区宽度WB7 4.5 扩散结深的设计9 4.6 芯片厚度和质量10 4.7 晶体管的横向设计、结构参数的选择10五、工艺参数设计11 5.1 工艺部分杂质参数12 5.2 基区相关参数的计算14 5.3 发射区相关参数的计算15 5.4 氧化时间的计算16六、物理参数与工艺参数汇总17七、工艺流程图19八、生产工艺流程23九、版图33十
2、、心得体会34十一、参考文献35PNP双极型晶体管的设计一、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，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。目的是使我们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。要求我们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、设计的内容设
3、计一个均匀掺杂的pn p型硅双极晶体管，满足T=300K时，基区掺杂浓度为NB=1016cm-3,共发射极电流增益hfe=50。BVCEO=60V，设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响，假设经验参数为年n=3)三、设计的要求与数据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件的纵向结构参数，如集电区厚度Wc，基区宽度Wb，发射极宽度We和扩散结深Xjc, 发射结结深Xje等。4根据扩散结深Xjc, 发射结结
4、深Xje等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间；由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化时间。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。7撰写设计报告四、物理参数设计4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算4.1.1各区掺杂浓度本实验的晶体管的设计指标：T=300K时，集电极-发射极BVCEO=60V。NB=1016cm-3。对上表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，
5、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。BVCBO=n1+BVCEO=31+5060=222.5V （半导体器件物理P141）注：n取24. 图1 击穿电压与杂质浓度的关系因为现代工艺中多采用Si作为晶体管的衬底材料，根据要求VCBO=222.5V，读出集电区的掺杂浓度为 NC=21015cm-3。一般的晶体管各区的浓度要满足NENBNC，因此，根据经验可取:(1) 集电区杂质浓度取：NC=21015cm-3。（2）基区杂质浓度取 ：NB=11016cm-3。（3）发射区杂质浓度取：NE=11018cm-3。4.1.2迁移率图2 迁移率与杂质浓度的关系图通过图2可以查出在
6、300K时，集电区、基区和发射区各自的少子与多子的迁移率如下。少子多子（用于计算电阻率）集电区CPnC=1300cm2V.spC=430cm2V.s基区B-NpB=420cm2V.snB=1150cm2V.s发射区E-PnE=290cm2V.spE=150cm2V.s表1 各区少子和多子迁移率4.1.2扩散系数与电阻率根据公式可得少子的扩散系数：根据爱因斯坦关系式可以求出各区少子的扩散系数DC=k0Tqnc=0.0261300=33.8cm2/SDB=k0TqpB=0.026420=10.92cm2/SDE=k0TqnE=0.026290=7.54cm2/S根据公式各区电阻率：C=1pqC=1
7、210151.610-1913002.4.cm（衬底电阻率）B=1pqB=1110161.610-194201.48.cmE=1pqE=1110181.610-19290 2.1-2.cm（半导体物理P95）4.1.3少子寿命和扩散长度图3 P型硅中少子电子的寿命和扩散长度与参杂浓度的关系图4 P型硅中少子空穴的寿命和扩散长度与参杂浓度的关系为得到较合理的基区准中性宽度，少子寿命取如下经验值： C=10-4S B=210-5S E=510-6S注明：这里的少子寿命偏大，故取器件物理287页的经验值，为了方便得到较合理的基区准中性宽度，所以这里的少子寿命取值如下： 根据公式，得到扩散长度：=DC
8、C=33.810-65.8110-3cmB=DBB=10.9210-63.310-3cmE=DEE=7.5910-78.710-4cm4.2 集电区宽度Wc的选择（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必须大于击穿电压时的耗尽层宽度，即 (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:WCXmB=12=28.8510-1411.9222.51.60210-1921015121.210-3cm=12m而增大集电区厚度会使串联电阻rcs增加，饱和压降VCES增大。为了不增加串联电阻又能提
9、高二次击穿耐量，故取。4.3 基区宽度WB的选择（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，因此低频器件的基区宽度最大值由b确定。当发射效率g1时，电流放大系数，为了使器件进入大电流状态时，电流放大系数仍能满足要求，因而设计过程中取l=4。因此基区宽度的最大值可按下式估计 WBnB212=43.310-3250129.310-4=9.3m所以基区宽度的最大值为9.3um。（2）基区宽度的最小值为了保证器件正常工作，在正常工作电压下基区绝对不能穿通。因此，对于高耐压器件，基区宽度的最小值由基区穿通电压决定。当是三极管的击穿电压是雪崩击穿电压和穿通电压中较小的一个确定。BV
10、CBO=222.5V Vpt=qWB22NdcNdc+NaNdc=1.610-197.5810-42211.98.85410-142101521015+101621015=523V 所以击穿电压为222.5V。由上得当没有发生传穿通时就发生了雪崩击穿。对于均匀基区晶体管，当集电结电压接近雪崩击穿时，基区一侧的耗尽层宽度为 := 28.85410-1411.91.610-19101621015222.51016+21015122.2m所以基区宽度的取值范围为：2.2mWB9.3m（3）基区准中性宽度的计算与PN结二极管的分析类似，在平衡和标准工作条件下，BJT可以看成是由两个独立的PN结构成，它
11、在平衡时的结构图如下所示：图5 平衡条件下的pnp三极管的示意图具体来说，由于，所以E-B耗尽区宽度（）可近视看作全部位于基区内，又由，得到大多数C-B耗尽区宽度（）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。另外注意到是基区宽度，是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于PNP晶体管，有：其中和分别是位于N型区内的E-B和C-B耗尽区宽度。在BJT分析中指的就是准中性基区宽度。E-B结的内建电势：VbiEB=k0TqlnNENBni2=0.026ln10181016101020.838VC-B结的内建电势： VbiBC=k0TqlnNCNBni2=0.026
12、ln210151016101020.676V 可以当成单边突变结处理根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度为：XnEB= 2kS0qVbiEBNB12= 211.98.85410-141.610-190.8381016123.210-5cm=0.32m 根据公式,B-C结在基区一边的耗尽层宽度为XnCB：XnCB= 2kS0qVbiCBNC12= 211.98.85410-141.610-190.67621015126.610-5cm=0.66m根据公式基区的准中性宽度：dc=1DEDBNBNEWLE+12WLB250=17.5410.9210161018W8.710-4+12W3.310-32WW6.610-4cm=6.6m 由上述可得基区总宽度：WB=W+XnCB+XnEB=6.6+0.66+0.32=7.58m 满足条件：2.2m 7.58m9.3m ，这个宽度是允许的。为方便计算与制作取WB=7m4.5 扩散结深的设计 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，当发射极条宽条件时，扩散结面仍可近似当做
