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1、目录1设计任务及目标12课程设计的基本内容12.1 pnp双极型晶体管的设计12.2设计的主要内容13晶体管工艺参数设计23.1晶体管的纵向结构参数设计2311集电区杂质浓度的确定23.1.2基区及发射区杂质浓度33.1.3各区少子迁移率及扩散系数的确定33.1.4各区少子扩散长度的计算43.1.5集电区厚度的选择43.1.6基区宽度的计算43.1.7扩散结深631.8表面杂质浓度73.2晶体管的横向设计83.3工艺参数的计算8331基区磷预扩时间 83.3.2基区磷再扩散时间计算83.3.3发射区硼预扩时间计算93.3.4发射区硼再扩散时间计算93.3.5基区磷扩散需要的氧化层厚度103.3
2、.6发射区硼扩散需要的氧化层厚度113.3.7氧化时间的计算113.3.8设计参数总结124 晶体管制造工艺流程.134.1 硅片及清洗.154.2 氧化工艺.164.3 光刻工艺.174.3.1 光刻原理.174.3.2 具体工艺流程.18433硼的扩散194.3.4磷的扩散205版图206总结237参考文献23微电子器件与工艺课程设计报告pnp双极型晶体管的设计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
3、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T材料参数的选取和设计T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2.1 pnp双极型晶体管的设计设计一个均匀掺杂的 pnp型双极晶体管，使 T=300K时，B =120。 V =15V,V =80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为I =5mA。设计CEOCBOC时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。2.2设计的主要内
4、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
5、方案。3晶体管工艺参数设计3.1 晶体管的纵向结构参数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。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W、集电区厚度W、基区厚度W、扩散结 tCB深X和X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 jcjeN、衬底杂质浓度N八 表面浓度N , N以及基区杂质浓度分布N等,CsubES BSB (X)并将上述参数转换成生产中的工艺控制参数。311集电区杂质浓度的确定BVcbo二80V根据击穿电压与浓度的关系图来读出BVCBo=80V时的NC，如图1100VB
6、R101000I0141015IO16IO17IOIRN&N图1击穿电压与杂质浓度的关系从图1中可以读出，当BVCBO=80V时，集电区杂质浓度NC=5X10i5CM-3，对 应的电阻率为1.2Q*CM,所以选用(111)晶向的P型硅。3.1.2 基区及发射区杂质浓度一般的晶体管各区的浓度要满足NeNbNc，故(1) 基区杂质浓度取N =5X10i6cm-3。B(2) 发射杂质浓度取N =5X10】8cm-3。E3.1.3各区少子迁移率及扩散系数的确定(1)少子迁移率少子的迁移率可以通过迁移率与杂质浓度的关系图查出来。此关系图如下 图2所示。g 或 % (cm-3)(a)图2迁移率与杂质浓度的
7、关系图通过图2可以查出在300K时，集电区、基区和发射区各自的少子的迁移率如下。C 区： Uc= 1298cm 2/v.scB 区： UB =378 cm 2 /v.s；E 区： UE=130 cm 2/v.s； （2）各区少子扩散系数的计算根据爱因斯坦关系式D=kT可以求出各区少子的扩散系数R qC区:D 二 kT7=0.0259x 1298=33 .6cm 2 / s ；CqcB区:D 二kT=0.0259x 378=9 .79 cm 2 / s ；BqBE区:D 二 kT=0.0259x 130 =3 .37 cm 2 / s ；EqE3.1.4各区少子扩散长度的计算由 L = VDT，
8、其中少子寿命 9 =106 s，T B=1XS，T E= l07 sCBEL = JD t = x 39 x 10-6 = 58um ；C C CL = X；D t = X （ X是集电区临CmB mB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2s BV 1 r2x8.85x 10-14 x 11.8x80/WX = cbo2 = 2 = 4.57umC mBqN1.6 x 10-19 x 5 x 1015C(2)集电区厚度的最大值W的最大值受串联电阻r的限制。增大集电区厚度会使串联电阻r增加,CCSCS饱和压降V增大，因此W的最大值受串联电阻限制
9、。CESC考虑到实际情况最终确定WC = 15um。C3.1.6 基区宽度的计算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卩确定。当发射效率冋时，电流放大系数0 = W-L，因此基区宽度的最大值可按下式估计：W B12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。将数据代入上式中得:W B4 x 31.3212012 = 5.7um所以基区宽度的最大值为57um。(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。对于均匀基区
10、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X = 2曽SNmB1BV 2qN N + NBBC2 x 8.85 x 10-14 x 11.8 x 5 x 1015 x 80 1= 21.6 x 10-19 x 5 x1016 x 5.5 x1016=0.436um所以基区宽度的取值范围为：0.436umWB5.7um(3)基区准中性宽度的计算根据设计要求给出的电流放大倍数B=120以及公式01D N WWE B + 0.5()2D N LLB E EB1120 二 3.37 5x1016W 1xx )29.79 5 x 1018 5.8 x 10-42 X条件时，扩散结面仍可近似Cj当做平面结。但当SE随着特征频率f的提高，基区宽度WB变窄而减小到不满 足SEXj时，发射结变为旋转椭圆面旋转椭圆面，如图3所示。发射结集电结 两个旋转椭圆面之间的基区体积大于平面结之间的基区体积
