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广东工业大学半导体器件物理PNP三极管课程设计.doc
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1、课程设计课程名称_半导体物理器件和集成电路工艺原理_题目名称_pnp双极型晶体管的设计_学生学院_材料与能源学院_专业班级_2023级微电子2班_学号_学生姓名_郑培柱_指导老师:魏爱香老师、何玉定老师2023年1月23日广东工业大学课程设计任务书题目名称pnp双极型晶体管的设计学生学院材料与能源学院专业班级微电子专业12级2班姓名学号一、课程设计的内容设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管,使T=300K时,hfe=80。BVCBO=60V.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二、课程设计的规定与数据1了解晶体管设计的一般环节和设计原则2根据设计指标设计材料参数,涉
2、及发射区、基区和集电区掺杂浓度NE,NB,和NC,根据各区的掺杂浓度拟定少子的扩散系数,迁移率,扩散长度和寿命等。3根据重要参数的设计指标拟定器件的纵向结构参数,涉及集电区厚度Wc,基本宽度Wb,发射区宽度We和扩散结深Xjc,发射结结深Xje等。4根据扩散结深Xjc,发射结结深Xje等拟定基区和发射区预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间;由扩散时间拟定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化时间。5根据设计指标拟定器件的图形结构,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,制定具体的工艺实行方案。7撰写设计报告三、课程设计应完毕的工作1.材料参数设计2.晶体管纵
3、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环节5.总结工艺流程和工艺参数6.写设计报告四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1教师布置设计任务,讲解设计规定和方法教1-4032023.1.122学生熟悉设计任务,进行资料查阅和整体设计方案的制定图书馆,教1-4032023.1.133设计晶体管的材料参数图书馆,教1-4032023.1.144.设计晶体管的纵向结构参数图书馆,教1-4032023.1.155教师集中辅导,分析设计中存在的重要问题教1-4032023.1.166设计纵向结构参数,绘制光刻基区、发射区和金属化的
4、版图教1-4032023.1.17-2023.1.198工艺操作环节设计图书馆,教1-4032023.1.209教师集中辅导和检查版图和工艺操作的设计教1-4032023.1.2110写课程设计报告图书馆,教1-4032023.1.22-2023.1.23112课程设计答辩工学三号馆3112023.1.24五、应收集的资料及重要参考文献1半导体器件基础RobertF.Pierret著,黄如译,电子工业出版社,2023.2半导体物理与器件赵毅强等译,电子工业出版社,2023年.3硅集成电路工艺基础,关旭东编著,北京大学出版社,2023年.4发出任务书日期:2023年1月12日指导教师署名:计划完
5、毕日期:2023年1月24日基层教学单位负责人签章:主管院长签章:目录1.课程设计目的与任务22.设计的内容23. 设计的规定与数据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WB64.4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1、课程设计目
6、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。规定我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标,完毕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行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、设计的内容设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管,使T=300K时,=80,VCBO
7、=60V.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。3、设计的规定与数据(1)了解晶体管设计的一般环节和设计原则。(2)根据设计指标设计材料参数,涉及发射区、基区和集电区掺杂浓度NE,NB,和NC,根据各区的掺杂浓度拟定少子的扩散系数,迁移率,扩散长度和寿命等。(3) 根据重要参数的设计指标拟定器件的纵向结构参数,涉及集电区厚度Wc,基本宽度Wb,发射区宽度We和扩散结深Xjc,发射结结深Xje等。(4) 根据扩散结深Xjc,发射结结深Xje等拟定基区和发射区预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间;由扩散时间拟定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化时间。(5) 根据设计指标拟定
8、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,制定具体的工艺实行方案。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重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,在满足击穿电压规定的前提下,尽量减少电阻率,并适当调整其他参量,以满足其他电学参数的规定。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,集电结可用突变结近似,对于Si器件击穿电压为,由此可得集电区杂质浓度为:由设计的规定可知C-B结的击穿电压为:查表,可得集电区杂质浓
9、度:3-15cm109=CN一般的晶体管各区的浓度要满足NENBNC,根据以往的经验可取:即各区的杂质溶度为:3-183-163-15cm109,cm109cm109=CBCNNN,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:SVcmnC=/12002mmSVcmB=/4802pmmSVcmnE=/2702mmKT根据公式可得少子的扩散系数:sqDCC/cm2.311200026.02=mKTsqDBB/cm48.480026.02=m12KTsqDEE/cm02.7270026.02=m图2掺杂浓度与电阻率的函数关系(器件物理P59)根据图2,可得到
10、不同杂质浓度相应的电阻率: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sC5109-=tsB5102-=tsE7102-=t注明:这里的少子寿命偏大,故取器件物理287页的经验值,为了方便得到较合理的基区准中性宽度,所以这里的少子寿命取值如下:根据公式得出少子的扩散长度:4.2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: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增长,饱和压降VCES增大,因此WC的最大值受串联电阻限制。综合考虑这两方面的因素,故选择WC=5m4.3基区宽度WB(1)基区宽度的最大值对于低频管,与基区宽
11、度有关的重要电学参数是b,因此低频器件的基区宽度最大值由拟定。当发射效率1时,电流放大系数,因此基区宽度的最大值可按下式估计:为了使器件进入大电流状态时,电流放大系数仍能满足规定,因而设计过程中取=4。根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为:由公式可看出,电流放大系数规定愈高,则基区宽度愈窄。为提高二次击穿耐量,在满足规定的前提下,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。(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,对于均匀基区晶体管,当集电结电压接近雪崩击穿时
12、,基区一侧的耗尽层宽度为: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:(3)基区宽度的具体设计BJT可以当作是由两个独立的PN结构成,它在平衡时的结构图如下所示:图4平衡条件下的PNP三极管的示意图具体来说,由于,所以E-B耗尽区宽度()可近视看作所有位于基区内,又由,得到大多数C-B耗尽区宽度()位于集电区内。由于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。此外注意到是基区宽度,是基区中准中性基区宽度;也就是说,对于PNP晶体管,有:其中和分别是位于N型区内的E-B和C-B耗尽区宽度,在BJT分析中指的就是准中性基区宽度。E-B结的内建
13、电势为:C-B结的内建电势为:根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度为:,可以当成单边突变结解决C-B结在基区一边的耗尽层厚度为:根据公式有:求解得到由上述可得基区总宽度:满足条件:。但是为了与标准工艺相相应,方便以后的计算。4.4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,曲率半径减小而减少,因而为了提高击穿电压,规定扩散结深一些。但另一方面,结深却又受条宽限制,由于基区积累电荷增长,基区渡越时间增长,有效特性频率就下降,因此,通常选取:反射结结深为集电结结深为4.5芯片厚度和质量本设计选用的是电阻率为的P型硅,晶向是。硅片厚度重要由集电结深、集电区厚度、衬底反
14、扩散层厚度决定。同时扩散结深并不完全一致,在测量硅片厚度时也存在一定误差。因此在选取硅片厚度时必须留有一定的的余量。衬底厚度要选择适当,若太薄,则易碎,且不易加工;若太厚,则芯片热阻过大。因此,在工艺操作过程中,一般硅片的厚度都在300um以上,但最后要减薄到150200um。硅片的质量指标重要是规定厚度均匀,电阻率符合规定,以及材料结构完整、缺陷少等。4.6晶体管的横向设计、结构参数的选择(1)横向设计进行晶体管横向设计的任务,是根据晶体管重要电学参数指标的规定,选取合适的几何图形,拟定图形尺寸,绘制光刻版图。晶体管的图形结构种类繁多:从电极配置上区分,有延伸电极和非延伸电极之分;从图形形状
15、看,有圆形、梳状、网格、覆盖、菱形等不同的几何图形。众多的图形结构各有其特色。本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规定,所以只是采用普通的单条形结构。三极管剖面图如图5,三极管俯视图如图6。图5:三极管剖面图图6:三极管俯视图(2)基区、发射区与集电区面积的计算基区面积无特别规定,取有效的根据设计规定,涉及到集电极电流受基区电导调制效应的限制。有公式:为了与标准工艺相相应,将发射区的面积取为28um2由最大饱和压降VCES2V可得到:(8)其中、为临界饱和时的结压降,通常V,可以到半导体物理学第七版,电子工业出版社一书的124页,图4-15进行查得,由(8)式得:此外,为满足
16、散热规定,取AC要大一些。故最终决定的三个区的面积分别为,(2)基区和发射区面积发射区面积取基区面积取。5、工艺参数设计5.1工艺部分杂质参数计算思绪:发射区扩散时间氧化层厚度在发射区扩散时基区扩散结深基区扩散时间基区掩蔽层厚度氧化时间。由于二次氧化,必须在考虑基区扩散深度时须对发射区掩蔽层消耗的硅进行补偿(在前面计算已将它计算在内了)。下表是计算扩散系数过程中要用到的:杂质元素磷(P)3.853.66硼(B)10.53.69表1硅中磷和硼的与(微电子工艺基础119页表5-1)表2:二氧化硅中磷和硼的与(微电子工艺基础106页表4-6)杂质元素磷(P)1.75硼(B)3.505.2基区相关参数
17、的计算过程5.2.1预扩散时间图7杂质在硅中的溶解度(实用集成电路工艺手册107页图6-7)PNP基区的磷预扩散的温度取1120,即1353K.单位面积杂质浓度:由上述表1可知磷在硅中有:由图七可知,取由公式,得出基区的预扩散时间:5.2.2氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散(1353K)的时间t=12min来决定的,且服从余误差分布,并根据假设可求,由一些相关资料可查出磷(P)在温度1080时在中的扩散系数:,查表得为了计算简便,并考虑到生产实际情况,取基区氧化层厚度为7000。5.2.3基区再扩散的时间PNP基区的磷再扩散的温度这里取1200,即1473k。,此时,磷的扩散系数:由于预扩
18、散的结深很浅,可将它忽略,故,由再扩散结深公式:,并且,故可整理为:即通过化简得:,由MATLAB计算解得基区再扩散的时间:t=4.0h5.3发射区相关参数的计算过程5.3.1预扩散时间PNP发射区的硼预扩散的温度这里取950,即1223K。单位面积杂质浓度:由上述表1可知硼在硅中有:查表知,取由公式,得出发射区的预扩散时间:5.3.2氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散(1223K)的时间t=1234.5s来决定的,且服从余误差分布,并根据假设可求,由一些相关资料可查出硼(B)在温度950时在中的扩散系数:考虑到生产实际情况,发射区氧化层厚度取为6000。5.3.3发射区再扩散的时间PNP发
19、射区的硼再扩散的温度这里取1170,即1443K,则由于预扩散的结深很浅,可将它忽略,故,由再扩散结深公式:,并且,所以有:即化简得:,由MALTAB计算解得发射区的再扩散的时间:t=1.5h5.4氧化时间的计算5.4.1基区氧化时间表31100的干氧和湿氧的氧化速率常数(半导体制造基础41页)A()B()B/A()干氧0.094.56湿氧(95水汽)0.110表41200的干氧和湿氧的氧化速率常数(半导体制造基础41页)A()B()B/A()干氧0.041.62湿氧(95水汽)0.050(1)基区氧化时间前面已算出基区氧化层厚度是6000,设氧化温度是1100,为了保证氧化层的质量,故采用干
20、氧(1000)-湿氧(4000)干氧(1000)工艺。查资料可知所以1100干氧的情况下:;1100湿氧的情况下:,将上面的厚度相应代入得到:干氧18.67min(1000)-湿氧15min(4000)干氧18.67min(1000)总的时间:53min(2)发射区氧化时间由于发射区氧化层厚度是7000,取氧化温度为1200,为了保证氧化层的质量,故采用干氧(500)-湿氧(6000)干氧(500)工艺。方法同基区氧化时间的计算方法同样,1200干氧的情况下:,1200湿氧的情况下:,解得:干氧6min(500)-湿氧16min(6000)干氧6min(500)总的时间:28min6、设计参数
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