三极管npn课程设计报告

-0-目录1.课程设计目的与任务……………………………………………42.课程设计的基本内容……………………………………………42.1npn双极型晶体管的设计………………………………………42.2课程设计的要求与数据…………………………………………43.课程设计原理……………………………………………………43.1晶体管设计的一般步骤…………………………………………53.2晶体管设计的基本原则…………………………………………54.晶体管工艺参数设计……………………………………………64.1晶体管的纵向结构参数计……………………………………64.1.1集电区杂质浓度的确定………………………………………………64.1.2基区及发射区杂质浓度………………………………………………74.1.3各区少子迁移率及扩散系数的确定…………………………………74.1.4各区少子扩散长度的计算……………………………………………84.1.5集电区厚度的选择……………………………………………………94.1.6基区宽度的计算………………………………………………………94.1.7扩散结深……………………………………………………………124.1.8杂质表面浓度………………………………………………………134.1.9芯片厚度和质量……………………………………………………134.2晶体管的横向设计……………………………………………13-1-4.2.1晶体管横向结构参数的选择……………………………………134.3工艺参数计算…………………………………………………144.3.1晶体管工艺概述……………………………………………………144.3.2基区硼预扩时间……………………………………………………154.3.3基级氧化层厚度……………………………………………………164.3.4基区硼再扩散时间计算……………………………………………164.3.5发射区预扩散时间…………………………………………………174.3.6发射区再扩散的时间………………………………………………174.3.7基区氧化时间………………………………………………………184.3.8发射级氧化层厚度…………………………………………………184.4设计参数总结…………………………………………………195.工艺流程图…………………………………………………………206.生产工艺流程………………………………………………………216.1硅片清洗………………………………………………………216.1.1清洗原理……………………………………………………………216.1.2硅片清洗的一般程序…………………………………………………216.2氧化工艺………………………………………………………226.2.1氧化原理……………………………………………………………226.2.2基区氧化的工艺步骤………………………………………………236.2.3测量氧化层厚度……………………………………………………236.3第一次光刻工艺（光刻基区）………………………………246.3.1光刻原理……………………………………………………………246.3.2工艺步骤……………………………………………………………246.4基区硼扩散工艺………………………………………………266.4.1硼扩散原理…………………………………………………………26-2-6.4.2硼扩散工艺步骤……………………………………………………266.5发射区氧化的工艺步骤………………………………………266.6第二次光刻工艺（光刻发射区）……………………………276.7发射区磷的扩散………………………………………………276.7.1磷扩散原理…………………………………………………………276.7.2磷扩散工艺步骤……………………………………………………286.8引线孔氧化的工艺步骤………………………………………296.9第三次光刻（光刻引线孔）…………………………………306.10引线孔金属化…………………………………………………316.10.1集成电路对金属化材料特性的要求………………………………316.10.2金属化步骤…………………………………………………………316.11光刻金属电极…………………………………………………327.心得体会………………………………………………………328.参考文献………………………………………………………33-3-微电子器件与工艺课程设计报告——npn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。其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2.1npn双极型晶体管的设计设计一个均匀掺杂的npn型双极晶体管，满足T=300K时，共基极电流增益=0.9920，BVCBO=90V,NB=1016cm-3。设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响，假设经验参数为年n=3)。2.2课程设计的要求与数据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NE,NB,和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，包括集电区厚度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3.课程设计原理晶体管的设计是有关晶体管物理知识的综合应用。晶体管的基本理论只能反映晶体管内部的基本规律，而且这些规律往往是基于很多假设，并忽略了很多次要因素的情况下得到的，如工艺因素的影响，半导体材料的影响及杂质浓度的具体分布形式等。因此，在进行晶-4-体管设计时必须从生产实践中总结出经验数据与基本的理论结合起来，经过多次反复，才能得到切实可行的设计方案。同时，对有志从事半导体器件以及集成电路有关工作的工程技术人员来说，要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，晶体管设计也是必不可少的重要环节。晶体管设计过程，实际上就是根据现有的工艺水平，材料水平，设计水平和手段以及所掌握的晶体管的有关基本理论，将用户提出的或预期要得到的技术指标或功能要求，变成一个可实施的具体方案的过程。因此，设计者必须对当前所能获取的半导体材料的有关参数和工艺参数有充分的了解，并弄清晶体管的性能指标参数与材料参数，工艺参数和器件几何结构参数之间的相互关系，才可能得到设计所提出的要求。但是晶体管的种类繁多，性能指标要求也就千差万别，因此要将各类晶体管的设计都要讲清楚是很难的，所以我们只能简单介绍一下晶体管设计的一般步骤和基本原则。3.1晶体管设计的一般步骤晶体管设计可大致按下列步骤进行：第一，根据预期指标要求选定主要电学参数，如掺杂浓度确定主要电学参数的设计指标。第二，根据设计指标的要求，了解同类产品的现有水平和工艺条件，结合设计指标和生产经验进行初步设计，设计内容包括以下几个方面：（1）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和扩散结深Xj等。（2）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出光刻版图。（3）根据设计指标选取材料，确定材料参数，如电阻率，位错，寿命，晶向等。（4）根据现有工艺条件，制定实施工艺方案。（5）根据晶体管的类型进行热学设计，选择分装形式，选用合适的管壳和散热方式等。第三，根据初步设计方案，对晶体管的电学验算，并在此基础上对设计方案进行综合调整和修改。第四，根据初步设计方案进行小批测量试制，暴露问题，解决矛盾，修改和完善设计方案。3.2晶体管设计的基本原则（1）全面权衡各电学参数间的关系，确定主要电学参数尽管晶体管的电学参数很多，但对于一类型的晶体管，其主要电学参数却只有几个，如-5-对高频大功率管，主要的电学参数是fT，BVCBO，PCM和ICM等；而高速开关管的主要电学参数则为ton，toff，UBES和UCES。因此，在进行设计时，必须全面权衡各电学参数间的关系，正确处理各参数间的矛盾。找出器件的主要电学参数，根据主要电学参数指标进行设计，然后再根据生产实践中取得的经验进行适当调整，以满足其他电学参数的要求。（2）正确处理设计指标和工艺条件之间的矛盾，确定合适的工艺实施方案。任何一个好的设计方案都必须通过合适的工艺才能实现。因此，在设计中必须正确处理设计指标和工艺条件之间的矛盾。设计前必须了解工艺水平和设备精度，结合工艺水平进行合理设计。（3）正确处理技术指标的经济指标间的关系。设计中既要考虑高性能的技术指标，也要考虑经济效益。否则，过高的追求高性能的技术指标，将使成本过高。同时，在满足设计指标的前提下，尽可能降低参数指标水准，便于降低对工艺的要求，提高产品成品率。（4）在进行产品设计时，一定要考虑器件的稳定性和可靠性。4.晶体管工艺参数设计4.1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tW、集电区厚度CW、基区厚度BW、扩散结深jcX和jeX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CN、衬底杂质浓度subN、表面浓ESN,BSN以及基区杂质浓度分布()BN等，并将上述参数转换成生产中的工艺控制参数。4.1.1集电区杂质浓度的确定集电区厚度的最小值主要由击穿电压决定，最大值受集电区串联电阻rcs的限制。对于Si器件击穿电压为4313106）（BCBNV由此可得集电区杂质浓度为：34133413)1106106CEOnCBOCBVBVN（）（由设计的要求可知C-B结的击穿电压为：BVCBO=90V-6-根据公式,可算出集电区杂质浓度：34133413)1106106CEOnCBOCBVBVN（）（＝5.824×1015cm－34.1.2基区及发射区杂质浓度一般的晶体管各区的浓度要满足NENBNC，故318316315102,101,105.824cmNcmNcmNEBC4.1.3各区少子迁移率及扩散系数的确定图1迁移率与杂质浓度的关系图（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。此关系图如图1所示。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：μcp=443cm2/v.s；B区：μBn=1248cm2/v.s；E区：μEp=132cm2/v.s；各区的电阻率通过相对应的浓度直接读图，如图2所示。-7-图2电阻率与杂质浓度的关系图（半导体器件物理P109）可得衬底电阻率：cmC9.0(衬底)cmB68.0cmE024.0（2）各区少子扩散系数的计算根据爱因斯坦关系式:qTkD0………《半导体物理（第七版）》P150C区：scmqTkDcC/47.114430259.020B区：scmqTkDBB/32.3212480259.020E区：scmqTkDEE/42.31300259.0204.1.4各区少子扩散长度的计算-8-由DL，其中少子寿命s