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1、pnp 双极型晶体管课程设计 学生姓名馥语甄心 目录 1 设计任务及目标 P1 2 概述 发展现状 P1 3 设计思路 P2 4 各材料参数和结构参数的设计 P2 原材料的选择 P2 各区掺杂浓度和相关参数的计算 P4 集电区厚度 Wc 的选择 P5 基区宽度 WB的选择 P7 扩散结深及发射区面积 基区面积的确定 P7 5 工艺参数设计 P8 硅片氧化相关参数 P8 基区扩散相关参数 P9 发射区扩散相关参数 P10 6 刻画掩模板 P12 基区掩模板 P12 发射区掩模板 P12 金属引线掩模板 P13 设计参数总结 P14 7 工艺步骤 P14 清洗 P15 氧化工艺 P15 光刻工艺
2、P17 磷扩散工艺 P18 硼扩散工艺 P19 CBOCEO VV 的测量 P20 工艺总流程 P21 9 体会与心得 P24 1 设计任务及目标 设计一个均匀掺杂的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 80 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 1 了解晶体管设计的一般步骤和设计原则 2 根据设计指标设计材料参数 包括发射区 基区和集电区掺杂浓度NE NB 和 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
3、 包括集电区厚度Wc 基本宽度Wb 发射区宽度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 2 概述 发展现状 微电子器件与集成电路工艺 课是电子材料及元器件专业本科教学中的重要教学实践 环节 目的是帮助学生理解课堂上学到的基本原理和知识 了解并掌握集成电路制造的基本 方法 提高实际动手能
4、力 以适应社会的要求 集成电路工艺基础课程讲述了集成电路制造的基本工艺 扩散 离子注入 氧化 光刻 刻 蚀 外延 化学气相沉积 金属化和钝化等 集成电路工艺 课程设计主要包含了四个方 面 氧化工艺 光刻工艺 硼扩散工艺和磷扩散工艺 将以上四个工艺按集成电路制造工艺 流程结合起来 制造出一个集成电路最重要的单元 双极晶体管并进行击穿特性测试 双 极晶体管直流放大特性测试 在集成电路工艺中 最早得到广泛应用的一种双极型工艺技术就是所谓的三重扩散方法 由 于其成本低 工艺简单以及成品率高等优点 这种技术在今天在某些应用领域中仍在继续使 用 在基本的三重扩散工艺技术基础上所做的改进之一就是增加一个集电
5、区埋层 即位于集 电区下面的一个重掺杂的扩散区 它可以使集电区的串联电阻大大减小 不同的制造工艺会 产生不同的发射极寄生电容 发射极击穿电压及基区接触电阻等 较为先进的双极型器件工 艺则利用自对准多晶硅结构形成器件发射区和基区的欧姆接触 而金属和多晶硅的接触可以 在较厚的场氧化层上制备完成 这样就使器件的结面积大大缩小 此外 利用多晶硅形成发 射区欧姆接触 还可以使器件的本征电流增益有所增大 设计思路 具体工艺流程 清洗 氧化 光刻 光刻基区 磷预扩散 磷再扩散 基区扩散 去 氧化膜 氧化工艺 光刻 光刻发射区 硼预扩散 硼再扩散 发射区扩散 去氧 化膜 沉积保护层 光刻 光刻接触孔 金属化
6、光刻 光刻接触电极 参数检测 各材料参数和结构参数的设计 硅片原材料的选择 本次课程设计选用的硅片 电阻率为cm7的 P 型硅 晶向是 各区掺杂浓度及相关参数的计算 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60V 时 集电结可用突变结近似 对于Si器件击穿 电压为 4 3 13 106 BCB NV 由此可得集电区杂质浓度为 3 413 3 413
7、1 106106 CEO n CBO C BVBV N 由设计的要求可知C B 结的击穿电压为60V 根据公式 可算出集电区杂质浓度 315 3 4 3 13 1042 1 60801 106 cmNC 一般的晶体管各区的浓度要满足NE NB NC 根据以往的经验可取 318 10 cmNE 根据图 a 300k 下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系图 可以看出 SV C cm1020 2 SV B cm437 2 SV E cm280 2 由爱因斯坦关系式 q kT D 可得 300k 下 026 0 q kT 所以少子的扩散系数为 scmDC 52 261020026 0 2 scmDB 3
8、6 11437026 0 2 scmDE 28 7280026 0 2 从上面两个图可以看出 少子的载流子寿命为 s10 4 C s106 6 E 一般来说 s1010 66 BB 数量级 所以 是 所以 少子的扩散长度 由公式 n n DLn p DpLp可得 0515 0 C L 3 1037 3 B L 3 10609 6 E L 集电区厚度 c W的选择 根据公式 可计算 c W的最小值 得 m4 15cm1054 1 1042 1101 6 608018 111085 82 q 2 3 1519 3 14 c s0 N BV XW CBO mBC c W的最大值受串联电阻rcs 的限
9、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 c W的最大值受串联电阻限制 所以综合考虑这两方面的因素 故选择 c W 25 m 基区宽度 B W的选择 基区宽度最大值计算 对于低频管 与基区宽度有关的主要电学参数是 因此低频器件的基区宽度最大值由确定 当发射效率 1 时 电流放大系数 1 2 2 nb B L W 因此基区宽度的最大值可按下式估计 2 12 nb B L W 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 4 根据公式 求得低频管的基区宽度的最大值为 m54 7cm1054 7 80 1037 3 4 4 23 2 12 n
10、b B L W 由公式可看出 电流放大系数 要求愈高 则基区宽度愈窄 为提高二次击穿耐量 在满足 要 求的前提下 可以将基区宽度选的宽一些 使电流在传输过程中逐渐分散开 以提高二次击穿耐 性 基区宽度的最小值的计算 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 此处VBVCBO 80 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 m05 21005 2 60801 1042 110 1042 1 10106 1 1085 88 112 1 2 2 4 2 1 3 1516 15 1619 14 2
11、 1 0 2 1 0 min cm BV NN N qN BV NN N qN X CEO n CB C B S CBO AD A D S B 在高频器件中 基区宽度的最小值往往还受工艺的限制 所以 m54 7m05 2 B W 由于 BE NN 所以可以看做单边突变结 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 CB NN 做近似计算 也看做单边突变结 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 由图可得 nCBnEBB xxWW 根据公式 2 2 1 1 BEE B B E
12、 dc L W L W N N D D 可得一元二次方程 0 80 111 2 12 2 W LN N D D W LEE B B E B 进一步解得该方程的解为W m2 5102 5 4 cm 重新代入公式得 符合设计 80 的要求 这时候再来讨论 nEB x 和 nCB x E B结的内建电势为 V n NN q kT V i BE biEB 364 0 10 1010 ln026 0ln 210 1618 2 由突变结计算公式 2 1 0 2 1 0 22 biEB B s biEB BEB ES nEB V qN K V NNN N q K X可得 m218 01018 2 10106
13、 1 364 01085 88 112 5 2 1 1619 14 cmXnEB C B结的内建电势为 V n NN q kT V i BC biCB 295 0 10 101042 1 ln026 0ln 210 1615 2 同理 由 2 1 0 2 biCB CBC BS nCB V NNN N q K X 可得 nCB x m164 01064 1 5 cm 综上述可得 基区宽度m6 5164 0218 02 5 nCBnEBB xxWW 符合 m54 7m05 2 B W 的要求 所以最终的基区选择宽度为 m 扩散结深及发射区面积 基区面积的确定 在晶体管的电学参数中 击穿电压与结深
14、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 发射结结深为m6 5 Bje WX 由于二次氧化 在考虑基区扩散深度时须对发射区掩蔽层消耗的硅进行补偿 集电结结深 发射结结深 基区宽度 发射区掩蔽层厚度 集电结结深为m5 117 046 02 c Bj WX 上面两个图分别是本次设计的晶体管的纵向剖视图和横向俯视图 基区面积 2 m36m6m6 B A 发射区面积 2 m16m4m4 E A 工艺参数设计 硅片氧化相关参数 由公式 公式变形可得 1 1 x
15、2 4 2 2 AB A t 方便计算 取 0 1 干氧氧化 氧化温度1200 氧化层厚度 m 计算得氧化时间为6min 查表得 1200 下 干氧氧化的A m min m105 7 24 B min6 1 1 04 0 0 052 105 74 04 02 4 2 t 所以氧化时间为6min 2 湿氧氧化 氧化温度1200 氧化层厚度 m 计算可得氧化时间为4min 查表得 1200 下 湿氧氧化的A m min m102 1 22 B WB m WC 25 m N P W 5 3 m P 代入公式min1 4 1 1 05 0 0 22 102 14 05 02 2 2 t 所以氧化时间为
16、4min 3 干氧氧化 氧化温度1200 氧化层厚度 m 计算得氧化时间为19min 查表得 1200 下 干氧氧化的A m min m105 7 24 B min6 18 1 1 04 0 0 12 105 74 04 02 4 2 t 所以氧化时间为19min 4 湿氧氧化 氧化温度1200 氧化层厚度 m 计算得氧化时间为15min 查表得 1200 下 湿氧氧化的A m min m102 1 22 B min15 1 1 05 0 0 42 102 14 05 0 2 2 2 t 所以氧化时间为15min 5 湿氧氧化 氧化温度1200 氧化层厚度 m 计算得氧化时间为23min 查表得 1200 下 湿氧氧化的A m min m102 1 22 B min9 22 1 1 05 0 0 52 102 14 05 0 2 2 2 t 所以氧化时间为23min 基区扩散相关参数 基区磷预扩散参数 1200 时 K exp 0 Tk E DD a 由书上表5 1 可知 磷在 硅中的scmD 5 10 2 0 VEa69 3 所以 12 5 10468 2 15 147310614
