PNP双极型晶体管的设计之欧阳家百创编

目录欧阳家百（2021.03.07）1.课程设计目的与任务 (2)2.设计的内容 (2)3.设计的要求与数据 (2)4.物理参数设计 (3)4.1各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3)4.2 集电区厚度Wc的选择 (6)4.3 基区宽度WB (6)4.4 扩散结深 (10)4.5 芯片厚度和质量 (10)4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择 (10)5.工艺参数设计 (11)5.1 工艺部分杂质参数 (11)5.2 基区相关参数的计算过程 (11)5.3发射区相关参数的计算过程 (13)5.4氧化时间的计算 (14)6.设计参数总结 (16)7.工艺流程图 (17)8.生产工艺流程 (19)9.版图 (28)10.心得体会 (29)11.参考文献 (30)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→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、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，β=120，V CEO=15V,V CBO=80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为I C=5mA。

设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。

3、设计的要求与数据（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。

4.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。

5.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。

6.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。

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主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，在满足击穿电压要求的前提下，尽量降低电阻率，并适当调整其他参量，以满足其他电学参数的要求。

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4313106-⨯=）（BC B N V ， 由此可得集电区杂质浓度为：由设计的要求可知C-B 结的击穿电压为：V BV CBO 80=根据公式,可算出集电区杂质浓度：一般的晶体管各区的浓度要满足NE>>NB>NC ，根据以往的经验可取:即各区的杂质溶度为：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：根据公式可得少子的扩散系数：图2 掺杂浓度与电阻率的函数关系（器件物理P59）根据图2，可得到不同杂质浓度对应的电阻率：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E B C τττ和、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：um 91.3101.39]10814.6106.1808.111085.82[]2[521151914210=⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==〉---cm qN BV X W C CBO S mB C εεW C 的最大值受串联电阻r cs 的限制。

增大集电区厚度会使串联电阻r cs 增加，饱和压降V CES 增大，因此W C 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W C =8μm4.3 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γ≈1时，电流放大系数][122nb B L W λβ=，因此基区宽度的最大值可按下式估计：212][βλnb B L W <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：由公式可看出，电流放大系数β要求愈高，则基区宽度愈窄。

为提高二次击穿耐量，在满足β要求的前提下，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：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：m W m B μμ08.5373.0<<（3）基区宽度的具体设计与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：图4 平衡条件下的PNP 三极管的示意图具体来说，由于B E N N >>，所以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 。

另外注意到B W 是基区宽度，W 是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于PNP 晶体管，有：nCB nEB B x x W W ++=其中nEB x 和nCB x 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W 指的就是准中性基区宽度。

E-B 结的内建电势为：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nEB x 为：∵B E N N >>，可以当成单边突变结处理C-B 结在基区一边的耗尽层厚度nCB x 为：对于准中性基区宽度W ，取基区宽度um 5.3=B W ，则验证其取值的准确性，根据公式有：解得的β接近于设计的要求，符合设计指标，所以基区宽度为m W B μ5.3=，满足条件m W m B μμ08.5373.0<<。

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 5.3== 集电结结深为um W X B j 72c =⨯=4.5 芯片厚度和质量本设计选用的是电阻率为cm ⋅Ω7的P 型硅，晶向是<111>。

硅片厚度主要由集电结深、集电区厚度、衬底反扩散层厚度决定。

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150～200um 。

硅片的质量指标主要是要求厚度均匀，电阻率符合要求，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，是根据晶体管主要电学参数指标的要求，选取合适的几何图形，确定图形尺寸，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。

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，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)基区和发射区面积发射区面积取21001010m A E μ=⨯=基区面积取26002030m A B μ=⨯=。

5、工艺参数设计5.1 工艺部分杂质参数表1硅中磷和硼的0D 与a E （微电子工艺基础119页表5-1）5.2 基区相关参数的计算过程5.2.1预扩散时间PNP 基区的磷预扩散的温度取1080℃，即1353K 。

单位面积杂质浓度：由上述表1可知磷在硅中有：s cm D O /85.32=V E e 66.3a = 为了方便计算，取318cm 105-⨯=S C由公式 Dt C t Q S π2)(=，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=964.84s 来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求t D x SiO 26.4min =，由一些相关资料可查出磷（P ）在温度1080℃时在2i O S 中的扩散系数：s /cm 102.22142i -⨯=O S D考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为60000A 。

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℃。

由一些相关资料可查出磷的扩散系数：s /cm 106212⨯=D由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，m jC μ7X X .==再扩 由再扩散结深公式：B SC C Dt ln 2X =再扩， 而且Dt QC S π=，31510814.6-⨯==cm N C C B 故可整理为：02X ln 2ln ln 4X 22=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅-⇒⋅⋅=D D C Q t t t Dt C QDt B B 再扩再扩ππ 即()0106210710614.310814.61025.5ln 2ln 1224121512=⨯⨯⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⋅----t t t经过化简得：0391675.13ln =+-⋅t t t 解得基区再扩散的时间：t=9050s=2.5h 5.3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：s cm D O /76.02=VE e 46.3a =为了方便计算，取320cm 108-⨯=S C由公式DtC t Q S π2)(=，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（1353K ）的时间t=1683s 来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求tD x SiO 26.4min =，由一些相关资料可查出硼（B ）在温度950℃时在2i O S 中的扩散系数：s/cm 1062152i -⨯=O S D考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为70000A 。