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1、1. 课程设计目的与任务 22. 设计的内容 23. 设计的要求与数据 24. 物理参数设计 34.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算 34.2 集电区厚度 Wc的选择 64.3 基区宽度WB 64.4 扩散结深 104.5 芯片厚度和质量 104.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择 105. 工艺参数设计 115.1 工艺部分杂质参数 115.2 基区相关参数的计算过程 115.3 发射区相关参数的计算过程 135.4 氧化时间的计算 146. 设计参数总结 167. 工艺流程图 178. 生产工艺流程 199. 版图 2810. 心得体会 2911. 参考文献 30PNP双极型晶体管的设计
2、1、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 方案一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、设计的内容设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T=
3、300K时，B =120， Vce=15V,Vcbo=80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为 lc=5mA设计 时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。3、设计的要求与数据5.4.1 了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。5.4.2 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,和Nd,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。5.4.3 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W, 基本宽度W,发射区宽度 W和扩散结深Xc,发射结结深Xe等。5.4.4 根据扩散结深Xc,发射结结深Xe等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩
4、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。5.4.5 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。5.4.6 根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。4、物理参数设计 4.1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 V时，集电结可3用突
5、变结近似，对于Si器件击穿电压为Vb=6 1013(Nbc)3 ，由此可得集电区 杂质浓度为：Nc6 1013BVcbo_（ 6_1013_ （：1BVce。4）3#BV cbo 二 80V由设计的要求可知C-B结的击穿电压为: 根据公式,可算出集电区杂质浓度：134134/6江10、3 z 10315 aBVcboNc（）（）3 =6.814 1015cm；80般的晶体管各区的浓度要满足 NENBNC根据以往的经验可取nB = 10 nc , n E = ioo nB即各区的杂质溶度为：Nc =6.814 io15cm，NB =6.814 1016cm，NE =6.814 1018cm.g
6、吨 Wm Ul x JO1*e - fa H _ r-ff-r?-一:;一 qTli -l-i-rL*- - - - -TTe -t-Lt-.H - qF 亠n-n=F F _ a _ IJ T-Tr1；j；1L_Jr-J-44lcmJ II xI H Id 一j ,i 5 I x 10 .I艸 G57 112I川 ina ITMt 124JI III9MAHOI- T-Ta.-1 IT F T J 1 11a J -I IJ0io5J01017LQI*純h t, Lf t-m H图1室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系（器件物理P55）根据图1,得到少子迁移率：= Jn = 1300cm2
7、 /V sb = r =330cm2/V s e 二 jn = 150cm2/V s根据公式可得少子的扩散系数:kT2Dec 二 0.026 1300 = 33.8cm2/sqkT .2Dbb =0.026 330 = 8.58cm2/sqDekT= 0.026 150 = 3.90cm2/s根据图2,可得到不同杂质浓度对应的电阻率：;?c =1.17 cm 订=04cm订=0.014cm|哥3-2 t p宰独十少散風熾于肌 F的石岛和犷融艮堪为捕条浓电的笑華图3少子寿命与掺杂浓度的函数关系(半导体物理P177)根据图3,可得到各区的少子寿命 c、 b和ec =3.5 10”sb=9 10sE
8、 =1.1 10s根据公式得出少子的扩散长度：Lc6一c = . 33.8 3.5 10 1.09 10cmLb = _Db，b =、8.58 9.0 102.78 10 cmLE = 4一e = 3.90 1.1 102.07 10cm1. 集电区厚度Wc的选择根据公式求出集电区厚度的最小值为:_539.1 10 cm=3.91um2；0；sBVcb。律 r2 8.85 10J4 11.8 801WcXmB= qw 珂 1.6 109 6.814 1015 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 W的最大值受串联电阻限制。综合
9、考虑这两方面的因素，故选择 W=8卩m2. 基区宽度WBa. 基区宽度的最大值对于低频管,因此低频器件的基区宽2-1时，电流放大系数 丄乌，因此基区Lnb宽度的最大值可按下式估计：Wb :订土 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，因而设计过程中取入=4。根据公式，求得低频管的基区宽度的最大值为:Wb，mas. 2 1Lnb2 -4 沃（2.78x10fX 12045.08 1。- cm 二 5.08um由公式可看出，电流放大系数B要求愈高，则基区宽度愈窄。为提高二次击 穿耐量，在满足B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。
10、b. 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，此处BVcb。=80V，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:B,min珂20 -qNDNaNd NaBVcbo #0；SNcqNB Nb NcBVcbo22 11.8 8.85 10,46.814 1015g=x汉 802.6 1049 6.814 1016 6.814 1016 6.814 10150.373 10cm = 0.373um在高频器件中，基区宽度的最小值往往还受工艺的限制。则由上述计算可知基区的范围为：0.3
11、73m ：Wb ： 5.08lmc. 基区宽度的具体设计BJT可以看成是由与PN结二极管的分析类似，在平衡和标准工作条件下, 两个独立的PN结构成，它在平衡时的结构图如下所示：Wb p+乡/,NIpWeb。另外注意到Wb是基区宽度，W是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于 PNP晶体管，有：WB =W - XnEB XnCB其中XnEB和XnCB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W指的就是准中性基区宽度。E-B结的内建电势为:EB眯= 0.026 In18 166.814 106.814 10(1010)2-0.938VC-B结的内建电势为:VbiCBQnNcNb2
12、=0.026 ln6.814 1015 6.814 1016(1010)2二 0.758V根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度XnEB为:T NeNb，可以当成单边突变结处理XnEB2Ks 0一 qNeNb Ne Nb1VbiEB 21：2勺1.8 汽8.85汇10*4 汉0.938=IL 1.6 1049 6.814 1016:1.34 10cm = 0.134umC-B结在基区一边的耗尽层厚度XnCB为:NC_ q NbnP)x2Ks oXn CB穿通时有 W =0,则 Wb -XnEB -XnCB =0二 Vcb 二 VbiCB2Ks ；oNc= 0.758-14447 二 一14446.242Vq Nb Nc Nb则 VcbV CBO1所以有 XnCB|23 n /nNc N VbiEB 2-qNb(Nc+Nb)12 11.8 8.85 10J46.814 1015c：=Ij9汉16;is Y、0.7581.6x106.814X0 沃(6.814切0 +6.814X0 )0.363 10 cm = 0.0363um对于准中性基区宽度 W取基区宽度Wb =3.5um，贝UW 二 Wb XnEBXnCB -3.5-0.134- 0.036 3.33um验证其取值的准确性，根据公式有：Db Ne Le 2 Lb
