硅NPN平面晶体管工艺参数设计及管芯制造杨紫君四川大学物理科学.DOC

硅NPN平面晶体管工艺参数设计 及管芯制造 杨紫君 四川大学物理科学与技术学院微电子学系 摘要 本实验主要是在给定实验条件下设计硅NPN平面工艺参数的设计并运用经典的半导体平面工艺制作三极管管芯。实验后用晶体管图形显示仪对三极管的性能进行测试分析，发现在GP模型设计和经典数据图设计的工艺参数正确的情况下，具体的实验条件和实验操作也会对三极管的性能有很大的影响，甚至可以决定能否成功制造出管芯。 关键词 磷扩、硼扩、一次氧化、二次氧化、光刻 引言 50多年来微电子技术的发展历史，实际上就是不断创新的过程，这里指的创新包括原始创新、技术创新和应用创新等。晶体管的发明并不是一个孤立的精心设计的实验，而是一系列固体物理、半导体物理、材料科学等取得重大突破后的必然结果。1947年发明点接触型晶体管、1948年发明结型场效应晶体管以及以后的硅平面工艺、集成电路、CMOS技术、半导体随机存储器、CPU、非挥发存储器等微电子领域的重大发明也都是一系列创新成果的体现。同时，每一项重大发明又都开拓出一个新的领域，带来了新的巨大市场，对我们的生产、生活方式产生了重大的影响。也正是由于微电子技术领域的不断创新，才能使微电子能够以每三年集成度翻两番、特征尺寸缩小倍的速度持续发展几十年。自1968年开始，与硅技术有关的学术论文数量已经超过了与钢铁有关的学术论文，所以有人认为，1968年以后人类进入了继石器、青铜器、铁器时代之后硅石时代（silicon age）〖1〗。因此可以说社会发展的本质是创新，没有创新，社会就只能被囚禁在“超稳态”陷阱之中。虽然创新作为经济发展的改革动力往往会给社会带来“创造性的破坏”，但经过这种破坏后，又将开始一个新的处于更高层次的创新循环，社会就是以这样螺旋形上升的方式向前发展。　　 nieB2 DnB NE WE β=----------------≈———————— nieE2 DpE NB WB nieE2 DpE NB WB 经过预习设计，参照图3，图4，图5，我们知道Xje=1.5um，Xjc=2.7um，WB =1um, WE =1.5um, NE = 1.5×1020 cm-3 ，NB = 1.5×1018 cm-3 ，衬底Nc= 1.0×1015 cm-3。算出放大倍数大约73，击穿电压大约有180 。 NPN晶体管横向结构设计 a.俯视图 b.剖面图 图1 图2 工艺参数设计 1）包括硼、磷扩散原理 本实验采用热扩散的方法将杂质掺入硅中。掺杂分为预淀积和再扩散。预淀积时，硅片表面存在过量的扩散杂质，硅片表面的杂质浓度Csi相当于预淀积温度下杂质的固溶度。经过一段时间，有一层均匀的固定数量的杂质进入晶格。预淀积的掺杂分布公式为 C（x）=Csierfc[x/(2squart（D1t1）)]式中，Csi是预淀积温度下杂质在硅中的固溶度，x是距硅片的距离，C（x）是硅片内深度为x的杂质浓度，D1 是预淀积温度下杂质的扩散系数，t1 是硅片在预淀积炉内的时间，erfc是函数。再扩散是为了得到理想的结深和分布。最终结深和杂质分布是由再扩散来决定的，即预淀积后硅片表面上多余杂质被腐蚀掉之后，在高温扩散炉中进行扩散。再扩散的杂质分布公式为C(x)=Q/（squart（pi D2t2））exp[(-x2)/(4 D2t2)],式中，C（x）是距硅片表面为x处的杂质浓度，Q是预淀积过程中掺入晶体的杂质数量，D2 是再扩散温度下杂质的扩散系数，t2是再扩散时间，x为扩散深度。 2）硼、磷扩散温度和时间选择 a. 硼的扩散温度和时间的选择 我们知道硼在预淀积达到固溶度的温度和时间是900°C-1100°C，10-40min。考虑SiO2中分凝的硼，我们取预淀积的温度和时间为950°C ，20min，算出QB=4.3×1014原子 cm-3，取再扩散温度为1150°C，查《半导体器件工艺手册》P92 DIF-2，DIF-6最后算得时间t2=1.25h。根据工艺条件，我们定干氧15min，湿氧55min，干氧15min。 b．磷的扩散温度和时间的选择 相应的，磷在预淀积达到固溶度的温度和时间是900°C-1200°C，10-40min。因为磷是重掺杂，加之扩散系数很高所以只用预淀积。我们磷扩温度为硼扩的最高温度1150°C。查《半导体器件工艺手册》P91-93 DIF-2，DIF-3最后算得t3=1