硅NPN三极管的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
与平面工艺的研究
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、
图1 晶体管结构
设计目标：放大倍数75, 击穿电压60-80V；
（—）晶体管参数设计
要求衬底电阻率为3-6
·CM，查表得所对应的Nc=
厘米－3。
设B、E区都为均匀掺杂。设：
=
厘米－3，
=
厘米－3，
=1.3um.
用浅基区近似,则
可写为：
其中：
=340/130=2.6(由表一查得)，
=
=0.19（由图二查得）
代入各数据求得, β=75时,WB =0.86um.
故设计的NPN型晶体管的各数据为:
=
厘米－3，
=
厘米－3，
=1.3um,
Wb =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
……………（4）
为正常工作，
应满足
，代入数据得，
XmB=0.39 um.
对于低频管，基区宽度最大值由
值确定。当发射率
时，
，故基区宽度最大值可估计为：
…………（5）
当
=
厘米－3时查表得：
， 取
，
代入数据得： Wb<11um
所以有基区宽度范围：
0.39um
记录
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，参考值为180－250欧姆/□。
（四）、发射区窗口光刻
二次光刻是在基区扩散窗口光刻出发射区窗口，使磷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。二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。
实验设备：光刻机，甩胶机，水域锅，烘箱，显微镜
实验方法：
光刻的步骤包括涂胶――前烘――曝光――显影，定影――坚膜――腐蚀――去胶，方法条件与一次光刻相同，注意要先把硅片清洗，烘干表面水汽后方可涂胶。
（五）、发射区磷扩散及三极管特性测试
磷扩散只采用磷的预沉积，其目的使形成晶体管的发射区。
实验设备：扩散炉，四探针，石英管，石英杯，清洗设备，半导体参数分析测试仪
实验步骤：
1测试二极管：测试Vcb0,观察表面质量。
2.清洗：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=1：2：7）煮开，冷、热去离子水冲洗。2#洗液（HCl:H2O2:H2O=1:2:7）煮开3－4分钟，用去离子水冲洗至水的电阻率大于5兆欧。
3．磷的预沉积：设计的条件为：1000度下预沉积13分钟，后又调整温度做了一组1010度下沉积15分钟。
4.扩散完毕后，用溶液（HF：H2O=1：1）腐蚀掉基区和发射区的二氧化硅层。然后测试其输出特性和击穿特性。
四、 实验结果分析及讨论
（一）、方块电阻R□的测试与分析
方块电阻测试结果：在进行预沉积和再分布后，用四探针法分别对陪片进行了方块电阻的测试。因为方块电阻R□=1/（qμQ）反映了掺入杂质总量的情况，而杂质总量Q又可以反映基区扩散深度，所以根据方块电阻的大小来相应的改变工艺条件，就可以得到合适的基区结深。其测试结果如下（电压值为测试时记录的中间两探针的电压值，供给电流为1mA）：
表六 基区硼预沉积后测试的方块电阻
组号
工艺条件
平均电压值(mV)
平均方块电阻（Ω/□）
前陪片
900℃
15分
14．35
64.58
后陪片
900℃
15分
14.25
64.12
表七 基区硼再分布后测试的方块电阻
组号
工艺条件
平均电压值(mV)
平均方块电阻（Ω/□）
前陪片※
1100℃
55分
55．03
247.6
后陪片
1100℃
55分
53.86
242.38
表八 发射区磷预沉积测试的方块电阻
工艺条件
平均电压值(mV)
平均方块电阻（Ω/□）
1000℃
13分
0.928
4.18
方块电阻分析：
1．基区硼预沉积后测试的方块电阻与参考值40~60Ω/□相比相差不大，只是稍大一点，这与900度下沉积15分钟即较低温度下沉积较短时间从而掺杂浓度较低相一致。
2．基区硼再分布后测试的方块电阻与参考值180-250Ω/□相符，但稍高，这与前面预淀积时间短温度低而再分布时间稍长导致掺杂浓度低相一致。而实验室条件的一组硅片很多地方都测不到电阻值，测到的电阻与参考值相差比较大，再分布后方块电阻值只比预淀积值稍大一点，观察硅片表面上很不光亮，有云雾、污染小点等，因为原因很很可能就是因为硅片表面的不洁净导致的再分布的不成功。
3. 发射区磷预沉积测试的方块电阻符合参考值R<5Ω/□.
4. .前后培片所测电阻不完全相同是因为扩散炉中恒温区只有很小一块区域，可能原因为前后培片没有都处于恒温区，且炉内硼的浓度也不可能完全均匀；同一培片不同区域方块电阻也不全相同，可能因为杂质浓度不均匀、温度不均匀而导致方块电阻不同。
注意事项：硅片应先放在炉口预热后再推进炉内，且放置和推动时要小心以避免硅片与硼片相接触。测方块电阻时要用培片测。
（二）、光刻中所见问题的分析
我们做的光刻实验总体来说不错，但在有些器件上也看到了光刻的一些问题，如图形窗口边缘不平整，胶条宽度不均匀，表面沾污和划伤，分析其原因如下：
（1） 、图形窗口变形，胶条宽度不均匀
可能原因为光刻胶涂胶不均匀，曝光时间过短，边缘胶膜感光不足，显影时部分胶会溶解;曝光时间过长，使光刻胶不感光部分的边缘微弱感光，产生‘光晕’现象，腐蚀后边界模糊或粗细不均；显影不足或过显影，导致胶条宽度的不均匀。另外操作时掩模版或硅片没有放平，也会导致光刻的图形窗口不标准。采取措施：检查涂胶的均匀性，检查曝光能量、时间的设置，确定显影液使用步骤正确，精确控制显影时间，确保掩模版或硅片放置的平整度。
（2） 表面沾污和划伤
可能原因为硅片清洗不干净（可能为化学试剂、冲洗用水的不纯），涂胶时由于硅片曝露于空气中，很可能粘附上灰尘微粒等；涂胶完成后用镊子夹硅片可能导致划伤；由于为接触式光刻移动过程中可能导致光刻版和硅片间的摩擦而使硅片表面划伤与沾污；掩模版的质量，如其上的灰尘或擦伤、线条断裂、图形桥接等图形缺陷、平整度等都会影响图形质量。采取措施：严格按标准来操作，检查化学药品、水、光刻胶的纯度与质量，对准曝光时要小心以免硅片表面划伤与沾污，确保掩膜版的质量
（三）、三极管特性的测试
测试结果：在磷扩实验完成后，用半导体特性图示仪对整个硅片上的晶体管进行了抽样测试，有些测不到输出特性曲线，测到的输出特性曲线如图所示很不标准，测其各结击穿特性则出现了各种击穿现象，有雪崩击穿，靠背椅击穿，分段击穿，软击穿，但大部分为软击穿，击穿电压为70~80V。
反向电压
软击穿特性曲线图
如下图所示：
三极管特性测试结果的分析：
（1）、放大倍数及其影响因素
通过扩散工艺制作的NPN管是缓变基区晶体管。缓变基区晶体管的放大倍数β的可表示为：
…………（15）
式子等号右边第一项是发射极空穴电流与电子电流之比，称为发射效率项，第二项是基区复合电流与发射极电子电流之比，成为体复合项，第三项是表面复合项，表示表面复合电流与发射极电子电流之比。
由公式知影响放大倍数的主要因素有：基区宽度，发射区掺杂浓度和基区掺杂浓度。a. 基区宽度Wb对晶体管放大倍数的影响是一个非常重要的因素.在同样的注入下，基区宽度越小，从基区来的空穴被复合的机会就越少，更多的载流子就能够进入集电区，即基区输运系数越小，从而使放大倍数提高。
b.增大发射区掺杂浓度与基区掺杂浓度之比，可提高NE，或降低NB来提高放大倍数，但过度降低基区浓度，会使基区电阻增大，从而使功率增益下降，噪声系数变大，因此一般都采用提高发射区杂质浓度的方法来提高放大倍数。
c.发射区势垒复合的电流，小电流时它会使发射效率变小，放大倍数降低，随着发射极电压VE的提高，发射极电流迅速上升，空间电荷区复合电流相对减小，因此，在发射极电流较大时，发射结势垒去的复合作用可以忽略。
d.发射区重掺杂，会导致禁带变窄并产生内建电场，此内建电场与杂质浓度梯度引起的电场方向相反，它将加速基区向发射区注入空穴，从而使发射效率降低，影响放大倍数。
e.基区调制效应
缓变基区晶体管在集电结反向偏压变化时，集电极空间电荷区宽度Xmc将发生变化，因而有效基区宽度也将发生变化，这种现象就是基区调制效应。基区调制效应对放大倍数的影响，在晶体管的输出特性曲线上，表现为曲线随外加电压增加而倾斜上升。原因就是：当反向偏压增加时，耗尽层扩大，使得有效基区宽度减小，由公式可知电流放大倍数增大。若将特性曲线延长，其延长线将交于横坐标轴上一点VEA（厄尔利电压）。
对缓变基区晶体管，电流放大系数为
…………（19）
式中
为基区平均杂质浓度。可见，晶体管的基区宽度越窄，反向偏压越高。Xmc越宽，则基区调制效应对电流放大倍数的影响越严重
f．基区的少子寿命及迁移率，基区少子寿命越长，扩散长度就越大，复合的越慢，复合损失就越少，则放大系数就越大。
g.基区表面复合，注入基区的少数载流子一部分会流到基区表面，由于表面存在表面正电荷和界面态，所以在基区表面将形成附加复合电流，称为表面复合电流。显然，表面复合电流的存在会使基区输运系数变小，从而降低放大倍数。
f.温度对电流放大倍数的影响是比较显著的。温度升高时，发射效率和基区输运系数都增大。所以，电流放大系数随温度的上升而增加。
（2）、 本次实验的放大倍数分析
从测试结果来看，所测输出特性曲线如图所示很不标准，厄利电压非常小，放大倍数也非常小，具体分析其原因为：
1. β过小，它的产生原因主要是基区表面复合严重，因为工艺条件比较不理想，导致基区表面存在表面正电荷和界面态，从而有较大的表面复合电流，降低放大倍数。
2. 由于发射区掺杂浓度为
厘米－3，且结深仅为1.3um，这时应该考虑重掺杂效应，由于发射区重掺杂引起禁带变窄并产生内建电场，使发射效率下降，从而导致放大倍数变小。
3. 厄利电压非常小，由前面设计的基区扩散条件知，基区掺杂浓度比较低，导致很严重的基区调制效应，即随着所加集电结反偏电压的增大，集电结空间电荷区宽度增加，使有效基区宽度减小，导致输出电流IC随之增大。
4. 输出特性曲线不标准非常倾斜的原因还有反向漏电大，产生的原因是表面吸附有大量杂质离子、原材料缺陷多、势垒区附近有大量杂质沉积和大量重金属杂质沾污。
5. 测不到输出特性曲线的原因为在发射区磷扩时BC结穿通了。如前面所说，我们的硼扩时间温度低，时间短，所测得的方块电阻值比较大，所得到的基区结深比较浅，掺杂浓度比较低，而磷扩温度较高，且时间也不短，很可能大部分器件在磷扩后发射区结深便大于基区结深了，即发生了基区穿通，导致测不到特性曲线。
（3）、三极管击穿特性分析
图15 PN结电流—电压图
1.PN结击穿原理及常见击穿
一般PN结在加反向偏压时电流很小且趋于饱和值，但若反向偏压不断加大，电流却并不一直保持很小，事实上，当反向偏压增加到某一定电压VB时，反向电流会骤然急速，增大，如图所示，这种现象就叫PN结的击穿现象，发生击穿时的电压VB称为击穿电压。击穿电压是晶体管的重要参数，它决定了晶体管外加电压的上限。
常见的击穿PN结击穿有雪崩击穿、软击穿、低压击穿、分段击穿、靠背椅击穿。本次实验做的硅片质量不好，几乎囊括了除二次击穿外的所有击穿。下面对它们逐个进行分析：
雪崩击穿:当PN结反向偏压增大时，空间电荷区中电场随之增强，通过空间电荷区的电子和空穴，在电场的作用下获得的能量增大，当能量足够大时，由于电子和空穴不断地与晶格原子发生“碰撞”，可以使满带中的电子激发到导带，形成电子空穴对，这种现象称为“碰撞电离”。新产生的电子空穴，以及原有的电子空穴，在电场的作用下，向相反方向运动，重新获得得能量，又可以通过碰撞，再产生电子、空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况如同雪山上的雪崩现象一样，载流子增加得多却快，反向电流急剧增大，PN结发生雪崩击穿。
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