本文格式為Word版，下載可任意編輯——PNP雙極型晶體管的設(shè)計

目錄

1.課程設(shè)計目的與任務(wù)…………22.設(shè)計的內(nèi)容……………………23.設(shè)計的要求與數(shù)據(jù)……………24.物理參數(shù)設(shè)計…………………34.1各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計算………34.2集電區(qū)厚度Wc的選擇……………………64.3基區(qū)寬度WB………………64.4擴散結(jié)深…………………104.5芯片厚度和質(zhì)量…………104.6晶體管的橫向設(shè)計、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇…………………105.工藝參數(shù)設(shè)計…………………115.1工藝部分雜質(zhì)參數(shù)………115.2基區(qū)相關(guān)參數(shù)的計算過程………………115.3發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計算過程……………135.4氧化時間的計算…………146.設(shè)計參數(shù)總結(jié)…………………167.工藝流程圖……………………178.生產(chǎn)工藝流程…………………199.幅員……………2810.心得體會……………………2911.

PNP1、課程設(shè)計目的與任務(wù)

雙極型晶體管的設(shè)計

《微電子器件與工藝課程設(shè)計》是繼《微電子器件物理》、《微電子器件工藝》和《半導體物理》理論課之后開出的有關(guān)微電子器件和工藝知識的綜合應(yīng)用的課程，使我們系統(tǒng)的把握半導體器件，集成電路，半導體材料及工藝的有關(guān)知識的必不可少的重要環(huán)節(jié)。

目的是使我們在熟悉晶體管基本理論和制造工藝的基礎(chǔ)上，把握晶體管的設(shè)計方法。要求我們根據(jù)給定的晶體管電學參數(shù)的設(shè)計指標，完成晶體管的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計→晶體管的圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計→材料參數(shù)的選取和設(shè)計→制定實施工藝方案→晶體管各參數(shù)的檢測方法等設(shè)計過程的訓練，為從事微電子器件設(shè)計、集成電路設(shè)計打下必要的基礎(chǔ)。2、設(shè)計的內(nèi)容

設(shè)計一個均勻摻雜的pnp型雙極晶體管，使T=300K時，β=120，VCEO=15V,VCBO=80V.晶體管工作于小注入條件下，最大集電極電流為IC=5mA。設(shè)計時應(yīng)盡量減小基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響。3、設(shè)計的要求與數(shù)據(jù)

（1）了解晶體管設(shè)計的一般步驟和設(shè)計原則。

（2）根據(jù)設(shè)計指標設(shè)計材料參數(shù)，包括發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度NE,NB,和NC,根據(jù)各區(qū)的摻雜濃度確定少子的擴散系數(shù)，遷移率，擴散長度和壽命等。

（3）根據(jù)主要參數(shù)的設(shè)計指標確定器件的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括集電區(qū)厚度Wc，基本寬度Wb，發(fā)射區(qū)寬度We和擴散結(jié)深Xjc,發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等。

（4）根據(jù)擴散結(jié)深Xjc,發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等確定基區(qū)和發(fā)射區(qū)預擴散和再擴散的擴散溫度和擴散時間；由擴散時間確定氧化層的氧化溫度、氧化厚度和氧化時間。

（5）根據(jù)設(shè)計指標確定器件的圖形結(jié)構(gòu)，設(shè)計器件的圖形尺寸，繪制出基區(qū)、發(fā)射區(qū)和金屬接觸孔的光刻幅員。

（6）根據(jù)現(xiàn)有工藝條件，制定詳細的工藝實施方案。4、物理參數(shù)設(shè)計

4.1各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計算

擊穿電壓主要由集電區(qū)電阻率決定。因此，集電區(qū)電阻率的最小值由擊穿電壓決定，在滿足擊穿電壓要求的前提下，盡量降低電阻率，并適當調(diào)整其他參量，以滿足其他電學參數(shù)的要求。

對于擊穿電壓較高的器件，在接近雪崩擊穿時，集電結(jié)空間電荷區(qū)已擴展至均勻摻雜的外延層。因此，當集電結(jié)上的偏置電壓接近擊穿電壓V時，集電結(jié)可用突變結(jié)近似，對于Si器件擊穿電壓為VB610（NBC），由此可得集電區(qū)雜質(zhì)濃度為：

61013361013

（）（)3NC

BVBVCBO

CEO

4

4

13

34

由設(shè)計的要求可知C-B結(jié)的擊穿電壓為：根據(jù)公式,可算出集電區(qū)雜質(zhì)濃度：

BVCBO80V

610133610133

NC（）（)6.8141015cm3

BVCBO80

44

一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NENBNC，根據(jù)以往的經(jīng)驗可取:

NB10NC,NE100NB

即各區(qū)的雜質(zhì)溶度為：

153163183

N6.81410cm，N6.81410cm，N6.81410cmCBE

圖1室溫下載流子遷移率與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系（器件物理P55）

根據(jù)圖1，得到少子遷移率：

Cn1300cm2/VsBP330cm2/VsEN150cm2/Vs

根據(jù)公式可得少子的擴散系數(shù)：

kT

C0.026130033.8cm2/sqkTDBB0.0263308.58cm2/s

qkTDEE0.0261503.90cm2/s

qDC

圖2摻雜濃度與電阻率的函數(shù)關(guān)系（器件物理P59）

根據(jù)圖2，可得到不同雜質(zhì)濃度對應(yīng)的電阻率：

C1.17cmB0.1cmE0.014cm

圖3少子壽命與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系（半導體物理P177）

根據(jù)圖3，可得到各區(qū)的少子壽命C、B和E

C3.5106sB9107sE1.1106s

根據(jù)公式得出少子的擴散長度：

LCDCC33.83.51061.09102cmLBDBB.589.01072.78103cm

LEDEE3.901.11062.07103cm

4.2集電區(qū)厚度Wc的選擇

根據(jù)公式求出集電區(qū)厚度的最小值為：

WCXmB

1

20SBVCBO128.85101411.8802

2

[][]39.1105cm3.91um1915

qNC1.6106.81410

WC的最大值受串聯(lián)電阻rcs的限制。增大集電區(qū)厚度會使串聯(lián)電阻rcs增加，飽和壓降VCES增大，因此WC的最大值受串聯(lián)電阻限制。綜合考慮這兩方面的因素，應(yīng)選擇WC=8μm4.3基區(qū)寬度WB（1）基區(qū)寬度的最大值

對于低頻管，與基區(qū)寬度有關(guān)的主要電學參數(shù)是，因此低頻器件的基區(qū)寬

WB2

度最大值由確定。當發(fā)射效率γ≈1時，電流放大系數(shù)[2]，因此基區(qū)

Lnb

1

1

L2nb2

寬度的最大值可按下式估計：WB[]

為了使器件進入大電流狀態(tài)時，電流放大系數(shù)仍能滿足要求，因而設(shè)計過程中取λ=4。根據(jù)公式,求得低頻管的基區(qū)寬度的最大值為：

WB，mas

1

L242.78103nb2[]5.08104cm5.08um

120

2

由公式可看出，電流放大系數(shù)β要求愈高，則基區(qū)寬度愈窄。為提高二次擊穿耐量，在滿足β要求的前提下，可以將基區(qū)寬度選的寬一些，使電流在傳輸過程中逐漸分散開,以提高二次擊穿耐性。

（2）基區(qū)寬度的最小值

為了保證器件正常工作，在正常工作電壓下基區(qū)絕對不能穿通。因此，對于高耐壓器件，基區(qū)寬度的最小值由基區(qū)穿通電壓決定,此處BVCBO80V，對于均勻基區(qū)晶體管，當集電結(jié)電壓接近雪崩擊穿時，基區(qū)一側(cè)的耗盡層寬度為：

XB,min

2NA[0SBVCBO]2

qNDNDNA1

1

2NC[0SBVCBO]2

qNBNBNC211.88.8510146.8141015

80]2[19161615

1.6106.814106.814106.814100.373104cm0.373um

在高頻器件中，基區(qū)寬度的最小值往往還受工藝的限制。則由上述計算可知基區(qū)的范圍為：0.373mWB5.08m

（3）基區(qū)寬度的具體設(shè)計

與PN結(jié)二極管的分析類似，在平衡和標準工作條件下，BJT可以看成是由兩個獨立的PN結(jié)構(gòu)成，它在平衡時的結(jié)構(gòu)圖如下所示：

1

圖4平衡條件下的PNP三極管的示意圖

具體來說，由于NENB，所以E-B耗盡區(qū)寬度（WEB）可近視看作全部位于基區(qū)內(nèi)，又由NBNC，得到大多數(shù)C-B耗盡區(qū)寬度（WCB）位于集電區(qū)內(nèi)。由于C-B結(jié)輕摻雜一側(cè)的摻雜濃度比E-B結(jié)輕摻雜一側(cè)的濃度低，所以WCB＞

WEB。另外注意到WB是基區(qū)寬度，W是基區(qū)中準中性基區(qū)寬度；也就是說，對

于PNP晶體管，有：WBWxnEBxnCB

其中xnEB和xnCB分別是位于N型區(qū)內(nèi)的E-B和C-B耗盡區(qū)寬度，在BJT分析中W指的就是準中性基區(qū)寬度。E-B結(jié)的內(nèi)建電勢為：

VbiEB

kTNENB6.81410186.8141016ln0.026ln0.938V2102

qni(10)

C-B結(jié)的內(nèi)建電勢為：

VbiCB

kTNCNB6.81410156.8141016ln0.026ln0.758Vqni2(1010)2

根據(jù)公式,E-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層寬度xnEB為：∵NENB，可以當成單邊突變結(jié)處理

2K2KNE

XnEBS0VbiEBsoVbiEB

qNBNENBqNB

211.88.85100.93851.3410cm0.134um1916

1.6106.81410

14

1

212

12

C-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層厚度xnCB為：

2KNC

XnCBS0(VbiEB-VCB)

qNBNCNB穿通時有W0，則WBXnEBXnCB0VCB

-XnEBVbiCB0.7581444714446.242V

2KS0NC

qNBNCNB2

B,max

12

W

則CBVCBO

所以有XnCB

12KS02NCVbiEB

qNNNBCB

14

15

1

2

211.88.85106.814100.758

1.610196.81410166.81410156.8141016

0.363105cm0.0363um

對于準中性基區(qū)寬度W，取基區(qū)寬度WB3.5um，則WWBXnEBXnCB3.5-0.134-0.03633.33um驗證其取值的確鑿性，根據(jù)公式有：

dc

1

DENBW1W

DBNELE2LB

2

1

2

3.96.81410163.3310413.33104

38.586.81410182.0710322.7810

126

解得的β接近于設(shè)計的要求，符合設(shè)計指標，所以基區(qū)寬度為WB3.5m，滿足條件0.373mWB5.08m。

4.4擴散結(jié)深

在晶體管的電學參數(shù)中，擊穿電壓與結(jié)深關(guān)系最為密切，它隨結(jié)深變淺，曲率半徑減小而降低，因而為了提高擊穿電壓，要求擴散結(jié)深一些。但另一方面，結(jié)深卻又受條寬限制，由于基區(qū)積累電荷增加，基區(qū)渡越時間增長，有效特征頻率就下降，因此，尋常選?。?/p>

反射結(jié)結(jié)深為XjeWB3.5um集電結(jié)結(jié)深為Xjc2WB7um4.5芯片厚度和質(zhì)量

本設(shè)計選用的是電阻率為7cm的P型硅，晶向是111。硅片厚度主要由集電結(jié)深、集電區(qū)厚度、襯底反擴散層厚度決定。同時擴散結(jié)深并不完全一致，在測量硅片厚度時也存在一定誤差。因此在選取硅片厚度時必需留有一定的的余量。襯底厚度要選擇適當，若太薄，則易碎，且不易加工；若太厚，則芯片熱阻過大。因此，在工藝操作過程中，一般硅片的厚度都在300um以上，但最終要減薄到150～200um。硅片的質(zhì)量指標主要是要求厚度均勻，電阻率符合要求，以及材料結(jié)構(gòu)完整、缺陷少等。

4.6晶體管的橫向設(shè)計、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇(1)橫向設(shè)計

進行晶體管橫向設(shè)計的任務(wù)，是根據(jù)晶體管主要電學參數(shù)指標的要求，選取適合的幾何圖形，確定圖形尺寸，繪制光刻幅員。晶體管的圖形結(jié)構(gòu)種類繁多：從電極配置上區(qū)分，有延伸電極和非延伸電極之分；從圖形形狀看，有圓形、梳狀、網(wǎng)格、覆蓋、菱形等不同的幾何圖形。眾多的圖形結(jié)構(gòu)各有其特色。此次設(shè)計的晶體管只是普通的晶體管，對圖形結(jié)構(gòu)沒有特別的要求，所以只是采用普通的單條形結(jié)構(gòu)。三極管剖面圖如圖5，三極管俯視圖如圖6。

圖5：三極管剖面圖

圖6：三極管俯視圖

(2)基區(qū)和發(fā)射區(qū)面積

發(fā)射區(qū)面積取AE1010100m2基區(qū)面積取AB3020600m2。5、工藝參數(shù)設(shè)計5.1工藝部分雜質(zhì)參數(shù)

表1硅中磷和硼的D0與Ea（微電子工藝基礎(chǔ)119頁表5-1）5.2基區(qū)相關(guān)參數(shù)的計算過程5.2.1預擴散時間

PNP基區(qū)的磷預擴散的溫度取1080℃，即1353K。

單位面積雜質(zhì)濃度：

Q(t)(NBNC)Xjc(6.81410166.8141015)71045.251012cm2

由上述表1可知磷在硅中有：DO3.85cm2/sEa3.66eV

所以，DD0exp(

Ea3.66142

)3.85exp()8.9710cm/s5kT8.614101353

為了便利計算，取CS51018cm3由公式Q(t)

2

CSDt，得出基區(qū)的預擴散時間：

Q2(t)5.2510133.14

t964.84s16.08min2218144CSD45108.9710

2

5.2.2氧化層厚度

氧化層厚度的最小值由預擴散（1353K）的時間t=964.84s來決定的，且聽從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求xmin4.6DSiO2t，由一些相關(guān)資料可查出磷（P）在溫度1080℃時在SiO2中的擴散系數(shù)：DSiO22.21014cm2/s

所以，xmin4.6DSiO2t4.62.210

14

964.842.12910cm2129A

5

考慮到生產(chǎn)實際狀況，基區(qū)氧化層厚度取為6000A。5.2.3基區(qū)再擴散的時間

PNP基區(qū)的磷再擴散的溫度這里取1200℃。

由一些相關(guān)資料可查出磷的擴散系數(shù)：D61012cm2/s由于預擴散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，XjCX.再擴7m由再擴散結(jié)深公式：X再擴2Dtln

CS

CB

，

而且CS

Q

，CBNC6.8141015cm3Dt

故可整理為：X

2

再擴

X2再擴Q

4Dtlntlnt2tln02DCBDtCBD

Q

5.251012

即tlnt2tln1512

6.814103.146107104

2610120

2

經(jīng)過化簡得：tlnt13.5t391670解得基區(qū)再擴散的時間：t=9050s=2.5h5.3發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計算過程5.3.1預擴散時間

PNP發(fā)射區(qū)的硼預擴散的溫度這里取950℃，即1223K。單位面積雜質(zhì)濃度：

Q(t)(NBNE)Xje(6.81410166.8141018)3.51042.41015cm2

由上述表1可知硼在硅中有：DO0.76cm2/sEa3.46eV

所以，DD0exp(

Ea3.46)0.76exp()4.21015cm2/s5kT8.614101223

為了便利計算，取CS81020cm3由公式Q(t)

2

CSDt，得出發(fā)射區(qū)的預擴散時間：

Q2(t)2.410153.14

t1683s28min2

4CSD48102024.21015

2

5.3.2氧化層厚度

氧化層厚度的最小值由預擴散（1353K）的時間t=1683s來決定的，且聽從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求xmin4.6DSiO2t，由一些相關(guān)資料可查出硼（B）在溫度950℃時在SiO2中的擴散系數(shù)：DSiO261015cm2/s

所以，xmin4.6DSiO2t4.6610

15

16831.46210cm1462A

5

考慮到生產(chǎn)實際狀況，基區(qū)氧化層厚度取為7000A。

5.3.3發(fā)射區(qū)再擴散的時間

PNP基區(qū)的磷再擴散的溫度這里取1170℃，即1443K，則DD0exp(

Ea3.46132

)0.76exp()6.310cm/s5kT8.614101443

由于預擴散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，XjeX.再擴3.5m由再擴散結(jié)深公式：X再擴2Dtln

CS

CB

，

而且CS

Q

，CBNB6.8141016cm3Dt

2再擴

故可整理為：X

X2再擴Q

4Dtlntlnt2tln02DCBDtCBD

Q

2.41015

即tlnt2tln1613

6.814103.146.3103.5104

26.310130

2

經(jīng)過化簡得：tlnt20.26t972220解得基區(qū)再擴散的時間：t=8700s=2.4h5.4氧化時間的計算5.4.1基區(qū)氧化時間

由前面得出基區(qū)氧化層厚度是6000A，可以采用干氧－濕氧－干氧的工藝,將6000A的氧化層的分派成如下的比例進行氧化工藝：干氧：濕氧：干氧=1：4：1

即先干氧1000A（0.1um），再濕氧4000A（0.4um），再干氧1000A（0.1um）取干氧和濕氧的氧化溫度為1200℃，由圖7可得出：

干氧氧化1000A的氧化層厚度需要的時間為：t10.34h20.4min濕氧氧化4000A的氧化層厚度需要的時間為：t20.27h16.2min所以，基區(qū)總的氧化時間為：t2t1t2220.416.257min

000

圖7氧化時間與氧化厚度的關(guān)系圖

5.4.2發(fā)射區(qū)氧化時間

由前面得出發(fā)射區(qū)氧化層厚度是7000A，可以采用干氧－濕氧－干氧的工藝,將7000A的氧化層的分派成如下的比例進行氧化工藝：干氧：濕氧：干氧=1：5：1

即先干氧1000A（0.1um），再濕氧5000A（0.5um），再干氧1000A（0.1um）取干氧和濕氧的氧化溫度為1200℃，由圖7可得出：

干氧氧化1000A的氧化層厚度需要的時間為：t10.34h20.4min

00

濕氧氧化5000A的氧化層厚度需要的時間為：t20.4h24min所以，發(fā)射區(qū)總的氧化時間為：t2t1t2220.42464.8min6、設(shè)計參數(shù)總結(jié)

采用外延硅片，其襯底的電阻率為7cm的P型硅，選取111晶向。

表2設(shè)計參數(shù)總表7、工藝流程圖

PNP晶體管生產(chǎn)總的工藝流程圖如下

:

8、生產(chǎn)工藝流程8.1硅片清洗1.清洗原理：

a.表面活性劑的增溶作用：表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度時會在水溶液中形成膠束，能使不溶或微溶于水的有機物的溶解度顯著增大。b.表面活性劑的潤濕作用：固－氣界面消失，形成固－液界面

c.起滲透作用；利用表面活性劑的潤濕性降低溶液的表面張力后，再由滲透劑的滲透作用將顆粒托起，包裹起來。具有極強滲透力的活性劑分子可深入硅片表面與吸附物之間，起劈開的作用，活性劑分子將顆粒托起并吸附于硅片表面上，降低表面能。顆粒周邊也吸附一層活性劑分子，防止顆粒再沉積。

通過對污染物進行化學腐蝕、物理滲透和機械作用，達到清洗硅片的目的。硅片清洗液是指能夠除去硅片表面沾污物的化學試劑或幾種化學試劑配制的混合液。常用硅片清洗液有：

8.2氧化工藝8.2.1氧化原理

二氧化硅能夠緊緊地依附在硅襯底表面，具有極穩(wěn)定的化學性和電絕緣性，因此，二氧化硅可以用來作為器件的保護層和鈍化層，以及電性能的隔離、絕緣材料和電容器的介質(zhì)膜。

二氧化硅的另一個重要性質(zhì)，對某些雜質(zhì)（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用，從而可以選擇擴散；正是利用這一性質(zhì)，并結(jié)合光刻和擴散工藝，才發(fā)展起來平面工藝和超大規(guī)模集成電路。

制備二氧化硅的方法好多，但熱氧化制備的二氧化硅掩蔽能力最強，是集成電路工藝最重要的工藝之一。由于熱生長制造工藝設(shè)備簡單，操作便利，SiO2膜較致密，所以采用熱氧化二氧化硅制備工藝。

熱生長的方法是將硅片放入高溫爐內(nèi)，在氧氣氛中使硅片表面在氧化物質(zhì)作用下生長SiO2薄