大学电材微电子物理与器件课程设计

课程设计课程名称微电子器件工艺课程设计题目名称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08电子材料1班学号3108007452学生姓名____123___指导教师____魏爱香、何玉定____2011年6月17日广东工业大学课程设计任务书一、课程设计的内容设计一个均匀掺杂的pnp型硅双极晶体管，满足T=300K时，基区掺杂浓度为NB=1016cm-3,`共发射极电流增益β=50。BVCEO=60V，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)二、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．撰写设计报告三、课程设计应完成的工作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，讲解设计要求和方法教1-4012011.6.62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1-4012011.6.73设计晶体管的各区材料参数和结构参数设计图书馆，教1-4012011.6.84.教师集中辅导，分析材料参数和结构设计中存在的主要问题教1-4072011.6.95晶体管工艺参数设计，实验室教1-4022100.6.10-2011.6.116绘制光刻基区、发射区和金属化的版图实验室教1-4022011.6.122011.6.138教师集中辅导，分析工艺设计中存在的主要问题实验室教1-3222011.6.149总结设计结果，写设计报告实验室教1-3222011.6.1510写课程设计报告图书馆，宿室2011.6.1611教师组织验收，提问答辩实验室2011.6．17五、应收集的资料及主要参考文献1．《半导体器件基础》RobertF.Pierret著，黄如译，电子工业出版社，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.发出任务书日期：2011年6月6日指导教师签名：计划完成日期：2011年6月17日基层教学单位责任人签章：主管院长签章：目录一、课程设计目的与任务……………………………………………………2二、课程设计时间……………………………………………………………2三、课程设计的基本内容………………………………………………………23.1微电子器件与工艺课程设计――npn双极型晶体管的设计…………………23.2课程设计的主要内容：………………………………………………………2四、课程设计原理…………………………………………………………………3五、工艺参数设计…………………………………………………………………35.1晶体管设计的一般步骤：……………………………………………………35.2材料参数计算…………………………………………………………………45.2.1各区掺杂浓度及相关参数的计算…………………………………………45.2.2集电区厚度Wc的选择………………………………………………………85.2.3基区宽度WB…………………………………………………………………85.2.4晶体管的横向设计…………………………………………………………115.2.4.1晶体管横向结构参数的选择……………………………………………115.3工艺参数设计…………………………………………………………………125.3.1晶体管工艺概述……………………………………………………………125.3.2工艺参数计算思路…………………………………………………………135.3.3基区相关参数的计算过程：………………………………………………135.3.4发射区相关参数的计算过程………………………………………………155.3.5氧化时间的计算……………………………………………………………175.3.6外延层的参数计算…………………………………………………………195.3.7设计参数总结………………………………………………………………20六、工艺流程图…………………………………………………………………21七、生产工艺流程……………………………………………………………217.1硅片清洗………………………………………………………………………217.2氧化工艺……………………………………………………………………227.3第一次氧化工艺步骤（基区氧化）……………………………………………237.4采用比色法测量氧化层厚度…………………………………………………237.5第一次光刻工艺（基区光刻）…………………………………………………247.6硼扩散工艺……………………………………………………………………257.6.1原理………………………………………………………………………257.6.2工艺步骤……………………………………………………………………257.7第二次光刻工艺（发射区光刻）……………………………………………267.8磷扩散工艺（发射区扩散）…………………………………………………267.8.1工艺原理……………………………………………………………………267.8.2工艺步骤(扩散的过程同时要进行发射区的氧化)…………………………………………………………………………………27八、版图…………………………………………………………………………28九、心得体会…………………………………………………………………30十、参考文献……………………………………………………………………31PNP双极型晶体管的设计一、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，二、课程设计时间两周三、课程设计的基本内容3.1微电子器件与工艺课程设计――pnp双极型晶体管的设计设计一个均匀掺杂的pnp型硅双极晶体管，满足T=300K时，基区掺杂浓度为NB=1016cm-3,`共发射极电流增益β=50。BVCEO=60V，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)。3.2课程设计的主要内容：（1）了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。（2）根据设计指标选取材料，确定材料参数，如发射区掺杂浓度NE,，基区掺杂浓度NB，集电区掺杂浓度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，如集电区厚度Wc，基区宽度Wb，发射极宽度We和扩散结深Xjc，发射结结深等。（4）根据结深确定氧化层的厚度，氧化温度和氧化时间；杂质预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间。（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。四、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。五、工艺参数设计5.1晶体管设计的一般步骤：晶体管设计过程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β、VCBO、VCEO、ICM，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）根据主要电学参数计算出各区的浓度：Nc、Ne、Nb。（2）纵向设计：根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，如基区宽度Wb，扩散结深Xj和集电区厚度Wc等。（3）横向设计：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。（4）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。（5）根据现有工艺条件，制定实施工艺方案。（6）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。5.2材料参数计算5.2.1各区掺杂浓度及相关参数的计算由设计题目可知，晶体管的设计指标是：300K时，基区掺杂浓度为NB=1016cm-3,共发射极电流增益β=50，BVCEO=60V。对上表参数进行仔细分析后可发现，上述参数中，只有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。VBVBVCEOnCBO5.2226050113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）（BCBNV，由此可得集电区杂质浓度为：34133413)1106106CEOnCBOCBVBVN（）（根据公式,可算出集电区杂质浓度：3153153431334133413102107.1)60501106()1106106cmcmBVBVNCEOnCBOC（）（一般的晶体管各区的浓度要满足NENBNC，故，31831610*210cmNcmNEB，所以取因为图1室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系（器件物理55页）查图1得到少子迁移率：sVcmNC/13322sVcmPB/4372sVcmNE/