硅NPN三极管的设计与平面工艺研究马慧莉四川大学物理学院

硅NPN三极管的设计与平面工艺研究马慧莉四川大学物理学院2004级微电子专业摘要：本文介绍根据所要求的设计目标设计出NPN三极管的工艺参数和各区参数，用抛光好的硅片通过氧化、扩散、光刻这三个最基本的平面工序，制备出能用晶体管特性测试仪测试放大特性和击穿特性的硅平面npn晶体管管芯。

通过对所制备管芯特性的测试分析，理解工艺条件对硅NPN平面晶体管的参数的影响关键词：双极晶体管，工艺，放大倍数，击穿电压一、引言自从1948年晶体管发明以来，半导体器件工艺技术的发展经历了三个主要阶段：1950年采用合金法工艺，第一次生产出了实用化的合金结三极管；1955年扩散技术的采用为制造高频器件开辟了新途径；1960年，硅平面工艺和外延技术的出现，是半导体器件制造技术的一次重大革新，它不仅使晶体管的功率和频率特性得到明显提高和改善，也使晶体管的稳定性和可靠性有了新的保证。

硅外延平面管，在超高频大功率、超高频低噪声、小电流高增益等方面都有了新的突破，达到了更高的水平。

在上个世纪，半导体器件制造中，硅外延平面工艺是最普遍采用的一种。

有了硅平面工艺，才使人们早已设想的集成电路得以实现，为电子设备的微小型化开辟了新的途径。

双极型晶体管是最先（1947年）出现的三端半导体器件，由两个pn结组成，是两种极性的载流子（电子与空穴）都参与导电的半导体器件，通常有NPN和PNP两种基本结构，在电路中具有放大、开关等主要作用，高速性能尤其突出。

近三十年来，金属-氧化物-半导体都场效应晶体管（MOSFET）技太迅速发展，双极型晶体管的突出地位受到了严重挑战，但它在诸如高速计算机、火箭和卫星、现代通信和电力系统方面仍是关键性器件，在高速、大功率、化合物异质结器件以及模拟集成电路等领域还有相当广泛的应用及发展前景。

本实验我们根据所学半导体物理和微电子器件与工艺等知识设计出三极管基区、发射区掺杂浓度和厚度等相关数据，同时也根据实验室的标准条件，通过氧化、扩散、光刻这三个最基本的平面工序在抛光好的硅片制备出能用晶体管特性测试仪测试放大特性和击穿特性的硅平面npn晶体管管芯。

二、NPN硅晶体管的设计一、设计目标：放大倍数75,EBC图1 晶体管结构（—）晶体管参数设计要求衬底电阻率为3-6Ω·CM ，查表得所对应的Nc=1510厘米－3。

设B 、E 区都为均匀掺杂。

设： E N =2010厘米－3，B N =1810厘米－3，E W =1.3um.用浅基区近似,则022020()()B E E E E pE ieE ieB B pw pnB ieB N N w dx D n n w S p dxD n β--+-=⎰⎰可写为：202nB ieBE E B pE B ieED n N W N D W n β=其中：nB nBpE pED D μμ==340/130=2.6(由表一查得)， 22ieBieEn n =exp[()/]gB gE E E KT ∆-∆=0.19（由图二查得） 代入各数据求得, β=75时,W B =0.86um. 故设计的NPN 型晶体管的各数据为:B N =1810 厘米－3，E N =2010厘米－3，E W =1.3um,W b =0.86um 。

基区宽度的验证：对于高耐压器件，基区宽度的最小值由基区的穿通电压决定。

在正常工作下，基区不能穿通。

当集电结电压接近雪崩击穿电压时，基区侧的耗尽层宽度为1/2021D S AmBCBO DA A N N X BV N qN N εε⎡⎤⎛⎫⎢⎥ ⎪⎢⎥ ⎪=⎢⎥ ⎪+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦… (4)为正常工作，b W 应满足b mB W X >，代入数据得， Xm B=0.39 um.对于低频管，基区宽度最大值由β值确定。

当发射率1γ=时，22nbbL Wλβ≈，故基区宽度最大值可估计为：1/22maxnb b L W λβ⎛⎫= ⎪⎝⎭…………（5） 当B N =1810 厘米－3时查表得：47nb L m μ=， 取4λ= ，代入数据得： W b <11um 所以有基区宽度范围：0.39um<W b <11.2um由前面计算知基区宽度W B =0.86um ，在以上所求范围之内，故基区宽度符合要求。

（二）晶体管制工艺参数设计 1．扩散原理在半导体晶圆中应用扩散工艺形成结需要两步。

第一步称为预沉积，第二步称为再分布或推进氧化，两步都是在水平或者垂直的炉管中进行的[3]。

在预沉积过程中硅片被送入高温扩散炉，杂质原子从源转移到扩散炉内。

杂质进入硅片中很薄一层，且其表面浓度是恒定的。

在硅表面上应生长一薄层氧化物（称为掩蔽氧化层）以防止杂质原子从硅中扩散出去。

预沉积为整个扩散过程建立了浓度梯度。

表面杂质浓度最高，并随着深度的加大而减小，从而形成了梯度。

在预沉积的过程中，要受到以下几个因素的制约：⑴。

杂质的扩散率；⑵杂志在晶圆材料中的最大固溶度。

再分布过程中是一个高温过程（1000到1250°C ），用以使淀积的杂质穿过硅晶体，在硅片中形成期望的结深。

这一步的主要目的有两个：⑴。

杂质在晶圆中向深处再分布；⑵。

氧化晶圆的暴露表面[3]。

这个过程并不向硅片中增加杂质，但是高温环境下形成的氧化物会影响推进过程中杂质的扩散；一些杂质（如硼）趋向于进入生长的氧化物层，而另一些杂质（如磷）会被推离SiO 2[4]。

其实在一般的工艺过程中，还有第三步过程，即是激活，使杂质原子与晶格中的硅原子键合，这个过程激活了杂质原子，改变了硅的电导率。

2. 硼、磷扩散温度、时间的选择在进行晶体管制造的过程中，扩散结深的大小主要由温度来决定，温度越高，扩散速度越快，结深越大，因此要根据结深的大小确定扩散是的温度。

对于不同的半导体材料和各种不同的杂质源，扩散温度也不相同。

温度越高，表面杂质浓度就越大。

因此，扩散温度的选择必须考虑到各种因素。

硅的扩散工艺通常分为两个步骤进行，即先在较低的温度下使扩散杂质源预先沉积在硅片表面（预沉积），然后除去外界的杂质源，并在较高的温度下通入氧气继续进行扩散（再分布），以获得的所需要的扩散结深。

经过以上两步后的杂质分布为：图6 再分布杂质浓度和深度关系图5 预淀积扩散杂质浓度和深度关系 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=22222111214exp 2),,(t D x t D t D N t t x N s π…………（8） 由公式8可知，扩散温度和时间是最后的杂质分布的重要的决定因素。

我们知道，预沉积的目的是使硅片表面扩散入足够量的杂质源，由扩散知，预沉积的杂质总量为：π1112t D N Q S = (9)由上式可以看出，如果预沉积的杂质总量为已知， 且预沉积的表面浓度为一定，则扩散系数D 1和时间t 1就可以相对确定。

我们可以由杂质的固溶度曲线确定达到N s1所需的扩散温度，接着就可以查出在扩散温度下杂质的扩散系数来。

因此，扩散时间t 1就可以由下式算出：21112⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅=s N Q D t π …………（10） 至于基区硼扩散的再分布，主要是考虑结深的问题，由扩散理论可知，扩散结深、扩散温度、扩散时间之间由如下关系（()j sub N x N =）：121sub j S N x erfc N ⎛=- ⎝（余误差） (11)12ln S j sub N x N ⎛= ⎝（高斯） (12)从而j x t= 经过上面的分析和计算，可以初步选定扩散温度和时间，然后再根据投片实验结果作适当的修正，就可以得到合适的扩散温度和时间。

3。

基区工艺参数的确定采用固态BN 作为杂质扩散源。

（1）、硼预沉积。

扩散温度为900度，由下式：()(0,T Q t t ==1810*jB X ，由图三查得：D=0.04/m μ由图四查的硼在硅的表面固溶度为2010厘米－3，且可求得jB X 为2.25um ，代入数据求得硼预沉积时间：15分钟. （2）、硼的再分布再分布温度为1100度。

由于再分布同时生长了发射区磷扩所需的氧化层，帮再分布的时间要考虑磷扩时所需氧化层的厚度 。

由后面磷扩所需氧化层厚度可查得氧化时间即硼的再分布时间为55分钟（干氧15分，湿氧5分，干氧35分）。

4． 发射区工艺参数的确定采用P 2O 5作为磷扩的杂质源。

此步只用磷的预沉积，温度为1000度。

磷扩散总量为()(0,T Q t C t ==2110*jE X 其中E N =2010厘米－3，jE X =1.3um ，由图查得，磷在硅中的固溶度为2110厘米－3， D=0.25um /m μ求得；磷扩时间：E T =13分钟。

由图七可查得磷扩所需氧化层厚至少为0.14 um ，我们取0.18 um ，再查图可得氧化时间为，即硼的再分布时间为55分钟（干氧15分，湿氧5分，干氧35分） .三、晶体管制作工艺流程1．实验总流程2．实验各阶段的晶体管剖面图（一）、一次氧化将清洗好的硅片放在高温炉中进行热氧化，使表面生长一定厚度的SiO 2薄膜。

SiO 2薄膜的作用有两个：一是利用SiO 2薄膜有阻挡杂质向Si 中扩散的作用，作为杂质选择扩散的掩蔽膜；二是钝化管芯表面，提供管子的稳定性和可靠性。

实验设备：扩散炉，清洗设备，石英管，石英杯 实验方法：图8 实验总流程图注：灰色为本次实验内容清洗：硅片用浓硫酸煮至冒白烟后3－4分钟（两遍），冷却后用冷、热去离子水冲洗。

1#洗液（NH4OH: H2O2:H2O=1：2：6）煮开，冷、热去离子水冲洗。

2#洗液（HCl:H2O2:H2O=1:2:6）煮开3－4分钟，用去离子水冲洗至水的电阻率大于5兆欧姆以上。

氧化：氧化的温度为1150℃，保持炉温稳定，将烘干的硅片推入恒温区，通10分钟干氧，再通40分钟湿氧，最后通10分钟干氧。

质量检测：表面观察法，即用肉眼直接观测或者通过显微镜放大观测。

主要检验氧化层厚薄是否一致，氧化层表面有无白雾、裂纹、针孔和斑点。

（二）、一次光刻实验设备：光刻机，甩胶机，水域锅，烘箱，显微镜实验方法：一次光刻是在一次氧化所生长的SiO2薄层上，光刻出基区扩散窗口，使硼扩散的杂质只能通过此窗口进入硅内，而不能进入有SiO2掩蔽的其它区域，达到选择扩散的目的。

一次光刻的基本要求使：窗口边缘平整，无钻蚀、无毛刺、无针孔或小岛。

（三）、基区硼扩散硼扩散分为硼的预沉积和硼的再分布两步进行。

具体扩散原理如前所述。

实验设备：扩散炉，氧化炉，四探针，石英管，石英杯，清洗设备实验方法：预沉积：先将硅片清洗（方法同一次氧化），然后将烘干的样片插在已经插有硼源的石英周上，推入恒温区，在氮气的保护下进行预淀积，900度下扩散15分钟，扩散后将硅片在溶液（HF：H2O=1：10）中去氧化层。

预沉积后通过测试扩散层薄层电阻，来检测硼的浓度是否达到要求，表面方块电阻值的参考值为40－60欧姆/□。