npn双极型晶体管的设计器件物理课程设计

课程设计

课程名称微电子器件与工艺课程设计题目名称npn双极型晶体管的设计

目录

1．设计任务书 (2)

1.1内容 (2)

1.2要求与数据 (2)

1.3应完成的工作 (2)

1.4主要参考文献 (3)

2．物理参数计算 (3)

2.1. 各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3)

2.2少子的迁移率 (3)

2.3少子的扩散系数 (4)

2.4少数载流子的扩散长度 (5)

2.5各区的厚度 (5)

2.5.1集电区厚度Wc (5)

2.5.2基区宽度WB (6)

2.6扩散结深 (9)

2.7电阻率 (9)

3．实际器件设计 (10)

3.1硅片选择 (10)

3.2图形结构 (10)

3.3各区面积 (11)

4.工艺参数计算 (11)

4.1基区硼扩散 (11)

4.1.1预扩散 (11)

4.1.2再扩散 (12)

4.1.3氧化层厚度 (13)

4.2发射区磷扩散 (13)

4.2.1预扩散 (13)

4.2.2再扩散 (14)

4.2.3氧化层厚度 (15)

4.3氧化时间 (15)

4.3.1基区氧化 (15)

4.3.2发射区氧化 (16)

5、设计参数总结 (17)

6、工艺流程 (18)

6.1主要流程 (18)

6.2清洗工艺 (22)

6.3氧化工艺 (23)

6.4光刻工艺 (25)

6.5硼扩散工艺(基区扩散) (27)

6.6磷扩散工艺(发射区扩散） (29)

7.版图设计 (31)

7.2发射区掩膜板 (31)

7.3接触孔掩膜版 (32)

8.总结与体会 (32)

1．设计任务书

题目名称npn双极型晶体管的设计

学生学院材料与能源学院

专业班级

姓名

学号

1.1内容

设计一个均匀掺杂的npn型双极晶体管，使T=300K时，h

fe =120,BV

CBO

=80V.

晶体管工作于小注入条件下，设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。

1.2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N E, N B,和N C, 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W c，基本宽度W b，发射区宽度W e和扩散结深X jc, 发射结结深X je等。

4．根据扩散结深X jc, 发射结结深X je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

1.3应完成的工作

1. 材料参数设计

2.晶体管纵向结构设计

3.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

1.4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，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.

2．物理参数计算

2.1. 各区掺杂浓度及相关参数的计算

——发射区、基区和集电区掺杂浓度N E , N B ,和N C

三极管的击穿电压是雪崩击穿电压和穿通电压中较小的一个。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，对于硅器件击穿电压为

错误！未找到引用源。,由此可得集电区杂质浓度为：3

413

10

6）（CBO

C

BV N ?=

由设计的要求可知C-B 结的击穿电压为：BV CBO =80V 根据公式,可算出集电区杂质浓度：

3

153

153

4

133413100.7106.8142)80106(106--?=?≈?=?=cm cm BV N CBO C ）（

一般的晶体管各区的浓度要满足NE>>NB>NC ，

cm

N cm

N cm N E B C 3

3

3

10180.7100.716100.715---?=?=?=集电区参杂浓度：基区掺杂浓度：发射区掺杂浓度：

2.2少子的迁移率

图1 室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系

根据图1，可知，当基区的掺杂浓度

cm N B 3

10716-?=，基区的少子

迁移率： s V cm B

?=/7402

n μ 当集电区的掺杂浓度cm N C 3

100.715-?=，集电区的少子迁移率：

s V cm C ?=/4402p μ

当发射区的掺杂浓度cm cm N E 3310180.7--?==，发射区的少子迁

移率：s V cm E

?=/722

p μ 2.3少子的扩散系数

由爱因斯坦关系式可知，

基区扩散系数：

S q KT cm D B B 2

24.19740026.0=?==μ

集电区扩散系数：S

q

KT cm

D c

C 2

44.11440026.0=?==

μ

发射区扩散系数：

S q KT cm D E E 2

872.172026.0=?==μ

2.4少数载流子的扩散长度 由经验值设置少子寿命s 610-=τ

，由扩散长度公式τ

n

n

n D L =和

τ

p p

p

D L

=

有：

基区扩散长度：

cm

D L B

B 10386.410

24.193

6

n

??--≈=

=

τ

发射区扩散长度：

cm

D L

E

E

10382.310

44.114

6

p

??--≈=

=

τ

集电区扩散长度：

cm D L

C

C

10368.110

872.14

6

p

??--≈=

=

τ

2.5各区的厚度

——集电区厚度Wc ，基区宽度Wb 2.5.1集电区厚度Wc

根据公式求出集电区厚度的最小值为：

m

cm qN BV X W C CBO S mB

C μεε86.310386.0]10

7106.1808.111085.82[]2[32

1

15

1914210=?≈???????==?---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C W 必须大于击穿电压时的耗尽层宽度，其中mB X 是集电区临界击穿的耗尽层宽度，

综合考虑，选择集电区厚度Wc 为m

W C μ5=

2.5.2基区宽度WB （1）基区宽度的最大值

对于低频管，与基区宽度有关的主要的电学参数是错误！未找到引用源。，因此低频器件的基区宽度的最大值由错误！未找到引用源。确定。当发射效率γ

≈1

时，电流放大系数

][1

22

nb B L W λβ=，

因此基区宽度的最大值可按下式估计：212]

[fe

nb B

h L W λ<

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λ=4。根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为：

()

m

cm L

W nb

B μλ8108.0120

4]

h [

32

32

12

m ax 10386.4fe

=?=?

=

?--?

（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,此处V BV CBO 80=，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：

()()??

????+??

????+=

=

BV N N N N q

BV N N N N q

X

CBO C B C

B s CBO D A D

A s

B εεεε00222

12

1

min

??

??????+?????????--80)107107(107107106.11085.88.112151615

1619142

1

m μ368.0cm 10

368.04

=?-

则由上述计算可知基区的范围为：m m W B μμ8368

.0<<

（3）求基区准中性区

由下列公式可求W

2

211

???

?

??+=

B E E B B E fe L W L W N N D D h

2

341816

10386.42110382.310710724.19872.11

120??

?

????+?????=

--W W

解得

m cm W μ13585.51013585.54

≈?=-

（4）基区耗尽区宽度

与PN 结二极管的分析类似，在平衡和标准工作条件下，BJT 可以看成是由两个独立的PN 结构成，它在平衡时的结构图如下所示：

E B C

图2 平衡条件下的npn 三极管的示意图 由于

B

E

N

N >>，E-B 耗尽区宽度（EB W ）可近视看作全部位于基区内，

又由C B

N N >，得到大多数C-B 耗尽区宽度（CB W ）位于集电区内。因为

C-B 结轻掺杂一侧的掺杂浓度比E-B 结轻掺杂一侧的浓度低，所以CB W ＞

EB W 。因为B W 是基区宽度，其中W 是基区中准中性基区宽度；也就是说，对

于NPN 晶体管，有：PCB PEB B

x x W W ++=

其中PEB x 和PCB x 分别是位于P 型区内的E-B 和C-B 耗尽区宽度，其中W 指的就是准中性基区宽度。 E-B 结的内建电势为：

V n N N q kT V i B E biEB

341.0)

10(107107ln 026.0ln 2

1016182=????==

C-B 结的内建电势为：

V n N N q kT V i B C biCB

161.0)10(107107ln 026.0ln 2

1016152=????==

根据公式,E-B 结在基区一边的耗尽层宽度PEB x 为： ∵B E N N >> ，可以当成单边突变结处理

()2

121

022??

????≈??????+=biEB B o s biEB B E B E S PEB

V qN K V N N N N q K X εε

m 079744.01079744.0107106.1341.01085.88.11252

1

16

1914μ=?≈??

???????????=---cm

根据公式,B-C 结在基区一边的耗尽层宽度PCB x 为：

()2

121

022?

?????≈??

????+=biCB B o s biCB B C B C S PCB

V qN K V N N N N q K X εε

m

054794.01054794.0161.01071106.11085.88.11252

116

1914μ=?≈??

???????????=---cm

（5）基区总宽度

由以上计算结果可求基区总宽度为：

m

x x W W nCB nEB B μ5.2704054794.0079744.013585.5≈++=++=

但为了减小结深，还是取W B =m μ2，且满足条件

m m W B μμ8368.0<<。

2.6扩散结深

——集电结深X jc , 发射结结深X je

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，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：

反射结结深为um W X B je 2==

集电结结深为

um

W X B j 42c =?=

图3发射极条宽对结面形状的影响

2.7电阻率

图4 掺杂浓度与电阻率的函数关系 根据图4，可得到不同杂质浓度对应的电阻率：

cm cm cm E

B

C

?Ω=?Ω=?Ω=0062.0,

24.0,

6.0ρ

ρ

ρ

3．实际器件设计 3.1硅片选择

在这个npn 双极晶体管的设计中，衬底的电阻率为0.6cm ?Ω，选取n 型硅衬底，晶向为（111）。

3.2图形结构

此次设计的晶体管只是普通的晶体管，对图形结构没有特别的要求。三极管剖面图如图4，三极管俯视图如图5。

图4：三极管剖面图

图5：三极管俯视图

3.3各区面积

发射区面积取：2

1001010m A E μ=?=

基区面积取：

26002030m A B μ=?=。 集电曲面积取：

212003040m A C μ=?=

4.工艺参数计算 4.1基区硼扩散

4.1.1预扩散

预扩散温度：基区硼的预扩温度为950C ?，即1223K 。 基区硼预扩时间：

表1：硼、磷元素在硅中的D 0与激活能E

注：适用温度范围（o C ）为:800~1350

由上述表1可知硼在硅中有：s cm D O /5.102=

V E e 69.3a =

所以，

扩散系数D ： s /cm 107098.1)1223

10614.869.3exp(5.10)exp(2

1650--?=??-?=-

=T k E D D a 单位面积杂质浓度：

21341516c 1008.3104)1000.71000.7()()(--?=???+?=?+=cm X N N t Q j c B

图6硅晶体中各种杂质的固溶度曲线

由图6查得

320cm 102-?=S C

由公式

Dt

C t Q S π

2

)(=

，得出基区的预扩散时间：

(

)

(

)

s D C t Q S 108.939710

7098.1102414

.31008.34)(t 162202

1322=??????==-π 4.1.2再扩散

再扩散温度：主扩散的温度为1200C ?，即1473K 。 由公式可求出扩散系数：

s /cm 10479.4)1473

10614.869.3exp(5.10)exp(2

1350--?=??-?=-

=T k E D D a 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，m j μ00.4X X .c ==再扩

由再扩散结深公式：

B

S

C C Dt ln

2X =再扩

，其中

Dt Q

C S π=

，

3

151000.7-?==cm N C C B 。

所以,

02X ln 2ln ln 4X 22=+???

? ????-???=D D C Q t t t Dt C Q

Dt B B 再扩再扩

ππ 即()

010479.4210

00.410

479.410710

08.3ln 2ln 132413

1513=???+???

?

????????----πt t t 经过化简得：

0178610121.8074ln =+-?t t t

解得基区再扩散的时间： t=11209s=3.11h 4.1.3氧化层厚度

考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为60000

A 。

4.2发射区磷扩散

4.2.1预扩散

温度：发射区磷预扩散温度为1150C ?，即1423K 发射区预扩散时间： 由表1可知

s cm D O /5.102= V E e 69.3a =

所以，

磷在硅中的扩散系数为s /cm 108579.8)142310614.869.3exp(5.10)exp(2

1550--?=??-?=-

=T k E D D a

单位面积杂质浓度：

2

1541816102.828104)1071000.7()()(--?=???+?=?+=cm X N N t Q jc E B

查表知固溶度：321cm 102-?=S C

由公式

Dt

C t Q S π

2

)(=

，得出发射区的预扩散时间：

(

)

(

)

s D C t Q S 177.279310

8579.8102410828.24)(t 152212

1522

=??????==-π

π 4.2.2再扩散

npn 发射区的磷再扩散的温度这里取1200℃，即1473K 。 由公式可求出扩散系数：

s /cm 108579.8)1423

10614.869.3ex p(5.10)ex p(2135

0--?=??-?=-=T k E D D a

由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，m je μ2X X .==再扩

由再扩散结深公式：B

S

C C Dt ln

2X =再扩

，

其中Dt

Q

C S π=

,

3161000.7-?==cm N C B B

可得： 02X ln 2ln ln 4X 22

=+???

? ????-???=D D C Q

t t t Dt C Q

Dt B B 再扩再扩

ππ

即

()

0108579.8210210

8579.810710

828.2ln 2ln 132

413

1615=???+

???

? ????????----πt t t