课程设计-微电子器件与工艺课程设计报告

目 录

1.设计任务及目标………………………………………………………….....………1 2.课程设计的基本内容…………………………………………………….…………1

2.1 pnp双极型晶体管的设计……………………………………….…….….…1 2.2 设计的主要内容……………………………………………………….……1 3.晶体管工艺参数设计…………………………………………..…………...………2

3.1 晶体管的纵向结构参数设计……………..………………….……………..2

3.1.1 集电区杂质浓度的确定……………………………………………..2 3.1.2 基区及发射区杂质浓度……………………………………………..3 3.1.3 各区少子迁移率及扩散系数的确定……………………….……….3 3.1.4 各区少子扩散长度的计算……………………….……….....………4 3.1.5 集电区厚度的选择…………………….…………………....….……4 3.1.6 基区宽度的计算……………………………………………….….…4 3.1.7 扩散结深…………………………………………………...…..….…6 3.1.8 表面杂质浓度…………………………………………..….….…….7 3.2晶体管的横向设计…………………………………………….…….....……8 3.3工艺参数的计算…………………………………………………….….……8

3.3.1 基区磷预扩时间 ……………………………………….….…..……8 3.3.2基区磷再扩散时间计算…………………………………..….………8 3.3.3 发射区硼预扩时间计算…………………………....………………..9 3.3.4 发射区硼再扩散时间计算………………………….…………...…..9 3.3.5 基区磷扩散需要的氧化层厚度………………………………........10 3.3.6 发射区硼扩散需要的氧化层厚度…………………………………11 3.3.7 氧化时间的计算……………………………………………………11 3.3.8设计参数总结…………………………………………………..……12

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，β=120。VCEO=15V,VCBO=80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为IC=5mA。设计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。 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Wt、集电区厚度WC、 基区厚度WB、 扩散结深

X

jc

和Xje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NC、

衬底杂质浓度Nsub、 表面浓度NES,NBS以及基区杂质浓度分布NB( )等，并将上述参数转换成生产中的工艺控制参数。 3.1.1 集电区杂质浓度的确定

BVCBO 80V

根据击穿电压与浓度的关系图来读出BVCBO=80V时的NC，如图1

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=5×1015CM-3，对应的电阻率为1.2Ω*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NE>>NB>NC，故 （1）基区杂质浓度取NB＝5×1016cm－3 。 （2）发射杂质浓度取NE＝5×10cm 。

18

－3

3.1.3 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。

图2 迁移率与杂质浓度的关系图

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.s； B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C区：DC

kTq

D

kTq

2

可以求出各区少子的扩散系数

/s

c 0.0259 1298 33.6cm

；

B区：DBE区：DE

kTqkTq

B 0.0259 378 9.79cm E 0.0259 130 3.37cm

2

/s

；

2

/s

；

3.1.4 各区少子扩散长度的计算 由L

LC

LB LE

D

6

，其中少子寿命 C 10s ， B 10s， E 10s

6

6 7

DC C

DB B DE E

39 10

10

58um；

3.61 10

7

3

6

cm 31.3um

3

； ；

9.62 10 9.81 10cm 5.8um

3.1.5 集电区厚度的选择 （1）集电区厚度的最小值

集电区厚度的最小值由击穿电压决定。通常为了满足击穿电压的要求，集电区厚度WC必须大于击穿电压时的耗尽层宽度，即WC XmB(XmB是集电区临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

WC XmB [

2 0 SBVCBO

qN

C

1

]2 [

2 8.85 101.6 10

14

11.8 80

15

1

19

5 10

]2 4.57um

（2）集电区厚度的最大值

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WC的最大值受串联电阻限制。 考虑到实际情况最终确定WC 15um。 3.1.6 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 ，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

Lnb

2

1

1

[

WB

2

L

2

B

]，因此基区宽度

的最大值可按下式估计：WB [

]2

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：

1

4 31.3 2

WB [] 5.7um

120

2

L

2b

1

2

所以基区宽度的最大值为5.7um。 （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

XmB [ [

2 0 SqN

B

14

NCNB NC 5 10

16

1

BVCBO]2

15

2 8.85 101.6 10

19

11.8 5 10 80

16

1

5.5 10

]2

0.436um

所以基区宽度的取值范围为：0.436um<WB<5.7um （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β=120以及公式

1

DENBWDBNELE

120

3.379.79

5 105 10

1

1618

0.5(

WLB

)

2

W5.8 10

4

1 W 3 2 3.13 10

2

可以求出基区的准中性宽度。W=3.46um （4）基区耗尽层宽度的计算 ①eb结基区边的耗尽层宽度的计算 先求出eb结的内建电势

VbiEB

kTqlnNENB

ni

2

0.0259ln

5 10

16

5 10

10

18

(10)

2

0.918V

再求出eb结基区边的耗尽层宽度

1

XnEB

2KS 01 2 VBiEB

NB

q

1

14

2 8.85 10 2 11.81

0.918 1916

1.6 105 10 0.155um

②cb结基区边的耗尽层宽度的计算 先求出cb结的内建电势

VbiCB

kTqlnNCNB

n

2

i

0.0259ln

5 10

15

5 10

10

16

(10)

2

0.739V

再求出cb结基区边的耗尽层宽度

1

XnCB

2KS 0 2NC VBiCB

NB NB NC q

1

1 2 8.85 11.8 2

0.739 517 5.5 10 1.6 10 0.0419um

(5)总的基区宽度

WB=W+XnEB+XpCB＝3.46+0.155+0.0419=3.66um

符合之前计算出来的基区宽度的范围，但是这样的宽度相对应的结深过大，故根据经验值W=4um 3.1.7 扩散结深

在晶体管的电学参数中，击穿电压与结深关系最为密切，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，当发射极条宽SC Xj条件时，扩散结面仍可近似当做平面结。但当SE随着特征频率fT的提高，基区宽度WB变窄而减小到不满足SE>>Xj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，因而基区积累电荷增多，基区渡越时间增长。按照旋转椭圆的关系，可以解出当SE与Xj接近时，有效特征频率为fTeff

3

2

0 1

fT(WB) 式中 0

X

jc

WB

，因此，

X

jc

WB

愈大，有效特征频

率愈低。图3也明显表明，

X

jc

WB

越大，则基区积累电荷比平面结时增加越多。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，通常选取

X

je

WB

1，

则：Xje＝WB＝4um

X

jc

WB

2，

则：Xjc＝2WB＝8um

图 3 发射极条宽对结面形状的影响

3.1.8 表面杂质浓度

结构尺寸选定的情况下，发射区和基区表面杂志浓度及其杂志分布的情况主要影响晶体管的发射效率 和基区电阻rb。减小基区电阻rb要求提高基区平均杂质浓度NB和表面浓度CBS。同时，提高基区平均杂质浓度，也有利于减小基区宽变效应和基区电导调制效应。提高发射效率则要求减小

RseRsb

，增大发射区和基

区浓度差别。为了保证在大电流下，晶体管仍具有较高的发射效率，要求发射区和基区表面浓度相差两个数量级以上，即

CBS

NESNBS

10

2

。在这个晶体管设计中取

=1019 cm-3左右，则CES=1021 cm-3。

3.2晶体管的横向设计

无特别要求，取有效的AB 100um2，AC 500um2，AE 30um2。 在这个pnp双极晶体管的设计中，衬底选取p型硅衬底，晶向为（111）晶向。

3.3工艺参数的计算 3.3.1 基区磷预扩时间

首先先列出表1，是计算扩散系数时所需要用到的数据，如下表一所示。

表1：硼、磷元素在硅中的D0与激活能E

注：适用温度范围（oC）为:800~1350

基区磷的预扩温度为1000 C，即1273K。 扩散系数：D D0exp(

3.66 14cm

) 3.85 exp 1.23 10 5kT 8.614 10 1273 E

2

s

通过单位表面积扩散到硅片内部的杂质数量：

Q(t) X

jc

(NB NC) 8 10

4

(5 10

16

15 10) 4.4 10cm

15132

根据公式Q(t)

2

CS

Dt可解得在特定温度下扩散的时间：

4.4 10

13

1.13 10

19

.23 10

14

t

t 1233s 20.5min

3.3.2基区磷再扩散时间计算

基区磷的预扩温度为1300 C，即1573K。

硅衬底中原有杂质的浓度：CB NC 5 1015cm 3 磷在硅中的扩散系数为：

5

3.66 10 Ea

D DO exp 3.85 exp

KT 8.614 1573

2

7.2 10 12cm s

由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故再扩散结深：

xj 8μm

lnCSCB

xj 2Dt

（2）

又CS

Q

Dt

所以代入（2）式可得

QCB

xj

2

tlnt 2tln

D

2D

0

tlnt 2tln

5 10

4.4 10

15

13

12

8 10

2 7.2 10

42

12

0

3.14 7.2 10

化简得tlnt 15.05t 44444 0

解得基区磷主扩时间为：

t=7166s=2h

3.3.3 发射区硼预扩时间计算

发射区硼预扩散温度为1000 C，即1273K 硼在硅中的扩散系数为：D 0.76 exp

2 14cm

1.5 10 5s8.614 101273

3.46

发射区进行扩散时的总的杂质数量：

Q(t) Xjc(NE NC) 4 10

4

(5 10

15

5 10) 2 10cm

18152

发射区表面杂质浓度：CES 1 1021cm 3 根据公式Q(t)

15

2

CS

Dt可解得在特定温度下扩散的时间：

2 10 1.13 10

21

.5 10

14

t

t 209s 3.5min

3.3.4 发射区硼再扩散时间计算

发射区硼再扩散温度为1200 C，即1473K 在1473K时，硼在硅中的扩散系数为：

23.46 12cm

D 0.76 exp 1.09 10 5s 8.614 10 1473

由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故再扩散结深：

xj 2Dt

Q

ln

CSCB

4μm

CS

Dt

CB NC 5 1015cm 3

4

4 10 0 2 1.09 10 15

15

2 10

tlnt 2tln

16 12 5 10 3.14 1.09 10

2

化简上式可得：tlnt 19.96t 73395 0 解得发射区硼再扩散时间：

t=6571s=1.83h

3.3.5 基区磷扩散需要的氧化层厚度

表2：二氧化硅中磷和硼的D0与Ea

氧化层厚度的最小值由发射区主扩温度为1000 C，预扩时间为209S,磷元素在硅中的DO与激活能E

1.75 E 6 13DSiO2 Doexp a 10 exp 1.17 10cm 5

8.614 10 1273 KT

2

/s

xmin 4.6DSiOt 4.6 .17 10

2

13

250 2490A

为了便于后续的氧化时间的计算及湿法干法的分配，最终取基区磷扩散需要的氧化层厚度为6000A。

3.3.6 发射区硼扩散需要的氧化层厚度

氧化层厚度的最小值由发射区主扩温度为1100 C，预扩时间为1233S

3.5 E 6 20

DSiO2 Doexp a 3 10 exp 4.12 10cm 5

8.614 10 1273 KT

2

/s

xmin 4.6DSiOt 4.6 4.2 10

2

20

1289 2.24 10

7

cm 7000A

由于最小氧化层厚度小于7000 ，考虑到生产的实际情况，最终取发射区硼扩散需要的氧化层厚度为7000 。 3.3.7 氧化时间的计算

表3 1100℃的干氧和湿氧的氧化速率常数

表4 1200℃的干氧和湿氧的氧化速率常数

（1）基区氧化时间的计算

以上已经计算出基区磷扩散需要的氧化层厚度为6000A。

根据合适的氧化时间，将6000A分配：先干氧500A，然后湿氧5000A，最

00

后再干氧500A

干氧氧化：XSiO

2

0.09A 1

12 2 A/4B2 4.56

1 1 0.05 4.5

解得t=11min

湿氧氧化：XSiO

2

0.11 t

1 1 0.5 2 0.3559

解得t=36min

（2）发射区氧化时间计算

以上已经计算出发射区硼扩散需要的氧化层厚度为7000 。

根据合适的氧化时间，将6000A分配：先干氧1000A，然后湿氧5000A，

00

最后再干氧1000A

干氧氧化：XSiO

2

0.04A

1 2 2 A/4B2 t 1.62

1 0.1 0.5333

解得t=17min

湿氧氧化：XSiO

2

0.05 t

1 1 0.5

2 0.0521

解得t=22.9min 3.3.8设计参数总结

整个pnp双极晶体管设计的相关参数通过表5总结如下。

表5 pnp设计参数

6总结

通过两周的课程设计学习，我对pnp双极型晶体管有了新的认识，我再这个学习过程中重新学习了关于晶体管从设计到制造的过程通过学习我认识到了自己的不足。

刚开始时我看到题目觉得什么都不知道，什么都不会做，不知道从哪里入手，只能乖乖的从书本中从头开始学，经过两天的学习，我把以前的知识又又宠重新捡起来了，但在做课程设计的时候，我发现还是有些东西我没办法理解，于是我就拿着书本，拿着问题去找老师，在老师的教导下我明白了，这些问题的答案，而且从问题中学到了知识。开始的时候工艺参数的设定我认为很重要，因为如果开始的参数不准确就会影响后面的计算；在查阅了无数的资料后，在很多次失败后，经过了无数的计算后，我们完成了pnp双极晶体管的理论设计工作，在一次次的代值近似计算后，得出的结论显示设计符合工艺的制造要求。

这次课程设计然我了解到了各个参数与工艺在设计生产中的大概要求，同时了解到了整个工艺的流程，通过这次学习我学会了很多，知道了自己的不足，只是学习了知识没有学会如何运用自己的知识，而且知识学习的不牢固，开始的时候什么都忘了，学习了两天后才回忆起来，同时只知道了知识是什么，不知道怎么用，在参数的选择上开始的时候选的不好到了后面老是出错，问题也很多，后来修改了一些内容才完成了课题，所以以后的学习中要不但学习知识还要学习如何运用知识；通过这次学习我学到了很多，体会到了知识的力量，体会到了运用知识时的快感。

最后很感谢杜老师，还有同组同学的耐心指导，在这次设计中也锻炼了我思考问题和解决问题的能力，我受益匪浅。

7参考文献

1. 集成电路制造技术，电子工业出版社，王蔚等著 2. 半导体物理，电子工业出版社，刘恩科等著 3. 微电子器件物理

4. 半导体材料，科学出版社，杨树人等编

5. 微电子工艺基础，李薇薇等编，化学工业出版社 6. 半导体器件基础（器件物理）R.F.Pierret 电子工业出版社 7. 半导体制造基础 施敏著， 人民邮电出版社

8. 晶体管原理与设计，北京大学电子仪器厂半导体专业编，科学出版社 9. 集成电路制造技术--------原理与工艺，王蔚等编，电子工业出版社 10. 实用集成电路工艺手册，沈正文等编，宇航出版社