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1、课 程 设 计课程名称 微电子器件工艺课程设计 题目名称 PNP 双极型晶体管的设计 学生学院_ 材料与能源学院_ _ 专业班级 09 微电子 1 班 学 号 学生姓名_ 456 _ 指导教师_ _2012 年 7 月 4 日1广东工业大学课程设计任务书题目名称 pnp 双极型晶体管的设计学生学院 材料与能源学院专业班级 微电子专业 09 级 1 班姓 名 456学 号一、课程设计的内容设计一个均匀掺杂的 pnp 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 =50。BV CEO=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
2、年 n=3)二、课程设计的要求与数据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，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
3、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撰写设计报告三、课程设计应完成的工作1. 材料参数设计2.晶体管纵向结构设计23.晶体管的横向结构设计（设计光刻基区、发射区和金属化的掩膜版图形）4工艺参数设计和工艺操作步骤5.总结工艺流程和工艺参数6. 写设计报告四、课程设计进程安排序号 设计各阶段内容 地点 起止日期1 教师布置设计任务，讲解设计要求和方法 教 1-414 2012.6.252学生熟悉设计任务，进行资料查阅和整体设计方案的制定图书馆工三 317 2012.6.263设计晶体管的各区材料参数和结构参数设计图书馆工三 317 2012 .6.274.教师集中辅导
4、，分析材料参数和结构设计中存在的主要问题 教 1-414 2012.6.285 晶体管工艺参数设计，实验室教 1-4142012.6.29-2012.6.306 绘制光刻基区、发射区和金属化的版图实验室教 1-4142012.7.12012.7.28教师集中辅导，分析工艺设计中存在的主要问题实验室教 1- 414 20127.39 总结设计结果，写设计报告实验室图书馆 2012.7.410 写课程设计报告图书馆，宿室 2012.7.511 教师组织验收，提问答辩实验室2012.7.6五、应收集的资料及主要参考文献1 半导体器件基础Robert F. Pierret 著，黄如译，电子工业出版社，
5、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.3发出任务书日期： 2012 年 6 月 25 日 指导教师签名：计划完成日期： 2012 年 7 月 6 日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：目 录一、课程设计目的与任务 5二、课程设计时间 54三、课程设计的基本内容53.1 微电子器件与工艺课程设计npn 双极型晶体管的设计53.2 课程设计的主要内容： 5四、课程设计原理6五、工艺参数设计65.1 晶体管设计的一般步骤： 65.2 材料参数计算 105.2.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算1
6、05.2.2 集电区厚度 Wc 的选择105.2.3 基区宽度 WB105.2.4 晶体管的横向设计 135.2.4.1 晶体管横向结构参数的选择135.3 工艺参数设计155.3.1 晶体管工艺概述 155.3.2 工艺参数计算思路 155.3.3 基区相关参数的计算过程：165.3.4 发射区相关参数的计算过程 175.3.5 氧化时间的计算 185.3.6 外延层的参数计算 19六、工艺流程图20七、生产工艺流程 217.1 硅片清洗 217.2 氧化工艺 217.3 第一次光刻工艺（基区光刻）237.4 磷扩散工艺 247.4.1 工艺原理 247.4.2 工艺步骤 257.5 硼扩散
7、工艺（发射区扩散） 267.5.1 工艺原理 267.5.2 工艺步骤(扩散的过程同时要进行发射区的氧化) 27八、版图 285九、心得体会 30十、参考文献 31PNP 双极型晶体管的设计1、课程设计目的与任务6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
8、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， 2、课程设计的基本内容设计一个均匀掺杂的 pnp 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 =50。BV CEO=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)。3.1 课程设计的主要内容：（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
9、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。 4、工艺参数设计4.1 晶体管设计的一般步骤：晶体管设计过程大致按下列步骤进行： 7第一，根据预期指标要求选定主要电学参数 、V CBO、V CEO、I CM，确定主要电学参数的设计指标。第二，根据设计指
10、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）根据主要电学参数计算出各区的浓度：Nc、Ne、Nb。（2）纵向设计：根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，如基区宽度 Wb，扩散结深 Xj和集电区厚度 Wc等。（3）横向设计：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。（4）根据设计指标选取材料，确定材料参数，如电阻率，位错，寿命，晶向等。（5）根据现有工艺条件，制定实施工艺方案。（6）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
11、，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。4.2 材料参数计算4.2.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算由设计题目可知，晶体管的设计指标是： 300K 时，基区掺杂浓度为NB=1016cm-3,共发射极电流增益 =50，BV CEO=60V。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，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。 VBVCEOnCBO 51.2605113对于击穿电压较高的器件
12、，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431306）（ BCBN集电区杂质浓度为：341341)0606CEOnCBOVVN（）（根据公式,可算出集电区杂质浓度： 3153431413341 07.)605() cmCEOnCBO（）（一般的晶体管各区的浓度要满足 NENBNC，故，3183167.075. cmcmNEB，8图 1 室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系图查图 1 得到少子迁移率：sVcmNC/042 sVcmPB/3802sVcmNE/160
13、2sqTkD/4.7106. 2cB/8.932.20smqTkDEE /16.40.20图 2 掺杂浓度与电阻率的函数关系图根据图 2，可得到不同杂质浓度对应的电阻率：（即衬底选用的电阻率） cmC8.1& cmB3.0&cmE02.&9图 3 少子寿命与掺杂浓度的函数关系图根据图 3，可得到 E、B、C 三区的少子寿命 EBC和、s410sB5102s6104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：sC6sB6sE7根据公式有： cmDLC36102.5.34BB 41cEE 376.8.4.2.2 集电区厚度 Wc 的选择10根据公式求出集电区厚度的最小值为： cmqNBVXWCOSmBC 421
