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2009级微电子工艺期末试题设计报告报告题目：硅外延NPN型小功率三极管学 院： 理学院 专 业： 微电子与固体电子学 学 号： 2009020684 学生姓名： 杨法明 授课老师： 杨发顺 2010 年7月25日 微电子工艺设计报告 第14页题目：硅外延NPN型小功率三极管：集电极-发射极击穿电压（BVCEO）:20V，发射极-基极击穿电压（BVEBO）: 5V，最大耗散功率（PCM）：0.5W，饱和压降（VCES）：0.35V，电流放大系数（hFE）：120。一、分析计算以单边突变的PN结为基本模型创建NPN结构来进行计算。经查表及计算结果得出，集电区掺杂浓度约为4.51015cm-3，基区掺杂浓度为3.31018 cm-3，发射区掺杂浓度为2.071020cm-3，b-c结扩散结深为4.0m，b-c结空间电荷区宽度为5.37m，外延层厚度最小为9.37m，b-e结空间电荷区宽度为0.05m，集电结的表面积为1.44。具体计算过程如下：(1)由集电极-发射极击穿电压BVCEO20V，取BVCEO=20VBVCBO=BVCEO=20=98.65V (取n=3) ，可取BVCBO=100V由击穿电压杂质浓度曲线，可取NC=4.51015cm-3由经验公式以及,取P型基区杂质浓度NB=3.31018 cm-3计算出b-c结扩散结深4.0m取=1.5m，=2.5m，Dn=25cm2/s，Dp=10cm2/s，10-7s，VBE=0.7V,要使电流放大倍数=120，则 远小于前两项，NE=2.071020cm-3（2）当b-c结反偏电压为VR=100V时，b-c结空间电荷区宽度为=5.37m外延层厚度应大于Wbc+，所以可取外延层厚度最小为9.37m。当b-e结反偏电压VR=5V时，b-e结空间电荷区宽度为=0.05m=1.5m （3）b-e的接触电势差：b-c的接触电势差： -= 0.28V0.35V(4) 正偏状态下，已知最大耗散功率PCM=0.5W，则正偏状态下，而，由于，则已知 =25cm2/s， =1.5m，由 2.制造工艺设计： 首先在ATHENA中定义15um*10um的N+基底，浓度为5.0e18/cm3,然后在基底上生长15um的N-外延层，浓度为4.5e15/cm3，最后进行扩散注入浓度为3.3e18/cm3的P+型杂质（基区），和浓度为2.07e20/cm3N+型杂质（发射区）。语句详见附录。3 原胞版图和工艺仿真结果：（1）用工艺软件ATHENA制作的NPN基本结构BC结深的提取BE结深的提取用Cutline工具截取Boron的浓度分布图如下：用Cutline工具截取Phosphorus的浓度分布图如下网格分布图4器件仿真结果器件仿真有两种方法。第一种：利用ATHENA 已经建立好的结构在ATLAS中进行仿真。第二种直接在ATLAS中建立器件结构并进行器件仿真。优缺点：第一种方法更接近现实当中做器件的环境，但网格较难设置，仿真当中容易出现不收敛的情况。第二种方法更理想化，制作环境都是在理想中进行包括掺杂浓度的分布是均匀的（这在实际操作过程中是不可能实现的），但是它的网格更容易设置一些，收敛比较容易出现。鉴于以上各种方法的优缺点本次设计使用两种思路相结合的方法来实现集电极与发射极的击穿电压提取图结果基本符合题目要求中20V击穿电压放大倍数的提取图基本符合题目要求的放大倍数120附录：方案一程序：go athena# mesh initline x loc=0.00 spac=0.2line x loc=4 spac=0.2line x loc=10 spac=0.2line x loc=15 spac=0.2#line y loc=0.00 spac=0.05line y loc=1.00 spac=0.05line y loc=2 spac=0.2line y loc=4 spac=0.2line y loc=10 spac=0.5# chen diinit silicon c.phosphor=5.0e18 orientation=100 two.d# wai yanepitaxy time=50 temp=1100 thickness=15 c.phosphor=4.5e15# yang huadiffus time=50 temp=1100 weto2 press=1.00# ke shietch oxide start x=5 y=-16etch cont x=10 y=-16etch cont x=10 y=-14etch done x=5 y=-14# kuo sandiffus time=60 temp=1160 nitro press=1.00 c.boron=1e20# ke shietch oxide all# yang huadiffus time=30 temp=1100 weto2 press=1.00# ke shietch oxide start x=6.5 y=-16etch cont x=8.5 y=-16etch cont x=8.5 y=-14etch done x=6.5 y=-14# kuo snadiffus time=60 temp=1130 nitro press=1.00 c.phosphor=2e20#extract name=nxj xj material=Silicon mat.occno=1 x.val=8 junc.occno=1# ke shietch oxide all# depositdeposit oxide thick=2 divisions=10# ke shietch oxide start x=11 y=-17etch cont x=12 y=-17etch cont x=12 y=-14etch done x=11 y=-14# zhu ruimplant boron dose=5.0e18 energy=50 rotation=30 crystal# ke shietch oxide start x=6.5 y=-17etch cont x=8.5 y=-17etch cont x=8.5 y=-14etch done x=6.5 y=-14# depositdeposit aluminum thick=2 divisions=10# ke shietch aluminum left p1.x=6.50# ke shietch aluminum right p1.x=12.50# ke shietch aluminum start x=8.5 y=-19etch cont x=10.5 y=-19etch cont x=10.5 y=-14etch done x=8.5 y=-14#electrode name=base x=11#electrode name=emitter x=7#electrode name=collector backside#struct outfile=bjt6.strgo atlas#mesh infile=bjt6.str# set emittercontact name=emitter n.poly surf.recmaterial taun0=5e-6 taup0=5e-6# set models models bipolar print impact selbsolve initmethod newton trap solve prevsolve vbase=0.025solve vbase=0.05solve vbase=0.2contact name=base currentmethod newton trap ir.tol=1.e-20 ix.tol=1.e-20solve ibase=3.e-15log outf=bjt05.log master# ramp collector voltagesolve vcollector=0.25solve vcollector=0.5solve vcollector=1solve vcollector=3solve vcollector=5solve vstep=0.5 vfinal=30 name=collector compl=5.e-11 p=3# plot resultstonyplot bjt05.log -set bjt05_log.setquit方案二程序（1）击穿电压的提取go atlas#mesh space.mult=1.0# x.mesh loc=0.00 spac=0.2x.mesh loc=30 spac=0.2#y.mesh loc=0.00 spac=0.5y.mesh loc=2.5 spac=0.25y.mesh loc=7 spac=0.25y.mesh loc=10 spac=0.5y.mesh loc=25 spac=0.5#region number=1 x.min=0 x.max=30 y.min=0 y.max=25 material=Siliconregion number=2 x.min=0 x.max=30 y.min=15 y.max=25 material=Siliconregion number=3 x.min=4 x.max=26 y.min=0 y.max=5 material=Siliconregion number=4 x.min=13 x.max=17 y.min=0 y.max=2.5 material=Silicon# #1=base #2=collector #3=emitter electrode name=base number=1 x.min=20 x.max=23 y.min=0 y.max=0electrode name=collector number=2 bottomelectrode name=emitter number=3 x.min=13 x.max=17 y.min=0 y.max=0#doping uniform conc=4.5e15 n.type direction=y regions=1doping uniform conc=4.5e18 n.type direction=y regions=2doping gaussian characteristic=0.7 peak=3.2 conc=3.3e18 p.type direction=y regions=3doping gaussian characteristic=1 peak=1.2 conc=2e20 n.type direction=y regions=4save outf=bjt62.strtonyplot bjt62.str# set poly emittercontact name=emitter n.poly surf.recmaterial taun0=1e-7 taup0=1e-7# set models models bipolar print impact selbsolve initmethod newton trap solve prevsolve vbase=0.025solve vbase=0.05solve vbase=0.2contact name=base currentmethod newton trap ir.tol=1.e-20 ix.tol=1.e-20solve ibase=3.e-15log outf=bjtex05.log master# ramp collector voltagesolve vcollector=0.25solve vcollector=0.5solve vcollector=1solve vcollector=3solve vcollector=5solve vstep=1 vfinal=100 name=collector compl=5.e-11 p=3# plot resultstonyplot bjtex05.log -set bjtex05_log.setquit（2）放大倍数的提取go atlas#mesh space.mult=1.0# x.mesh loc=0.00 spac=0.2x.mesh loc=30 spac=0.2#y.mesh loc=0.00 spac=0.5y.mesh loc=2.5 spac=0.25y.mesh loc=7 spac=0.25y.mesh loc=10 spac=0.5y.mesh loc=25 spac=0.5#region number=1 x.min=0 x.max=30 y.min=0 y.max=25 material=Siliconregion number=2 x.min=0 x.max=30 y.min=15 y.max=25 material=Siliconregion number=3 x.min=4 x.max=26 y.min=0 y.max=5 material=Siliconregion number=4 x.min=13 x.max=17 y.min=0 y.max=2.5 material=Silicon# #1=base #2=collector #3=emitter electrode name=base number=1 x.min=20 x.max=23 y.min=0 y.max=0electrode name=collector number=2 bottomelectrode name=emitter number=3 x.min=13 x.max=17 y.min=0 y.max=0#doping uniform conc=4.5e15 n.type direction=y regions=1doping uniform conc=4.5e18 n.type direction=y regions=2doping gaussian characteristic=0.7 peak=3.2 conc=3.3e18 p.type direction=y regions=3doping gaussian characteristic=1 peak=1.2 conc=2e20 n.type direction=y regions=4save outf=bjt62.strtonyplot bjt62.str# set material models etc.material taun0=5e-6 taup0=5e-6contact name=emitter n.poly surf.reccontact name=base common=base1 shortmodels bipolar print # initial solution solve init# change to two carrier