三极晶体管及基准电压源形成方法

专利名称：三极晶体管及基准电压源形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种三极晶体管及基准电压源形 成方法。
背景技术：
在大量集成电路中，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线 性稳压器和开关稳压器中，都需要精密而稳定的电压基准源。在精密测量仪 器仪表，例如电压表、欧姆表、电流表等，以及广泛应用的数字通信系统中 要把基准电压源用作系统测量和校准的基准。基准电压源在模拟集成电路中 占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性能和精度。
因此基准电压源对于温漂，以及与精度有关的指标要求比较高。由于带 隙基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源中性 能最佳的基准源电路。
为了实现高精度，通常都用硅半导体材料本身固有的特征电压作为基准 电压，但由于硅半导体材料具有一定的温度系数，所以为解决温漂问题，通 常选择一种与基准电压的温度系数极性相反但绝对值相近的器件或电路(如△ VBE电路)，使两者结合起来，相互温度补偿，使总体温度系数近似为零。图l 给出带隙基准电压源结构，图中以采用NPN型三极晶体管为例，包括
电流源ll,用于向整个基准电源提供电流；
三极晶体管12,其集电极与电流源ll的一端相连，发射极e接地，其基极 b与发射极e间电压Vbe输出至加法器15的一端；
热电压VT产生模块13，用于产生热电压VT,典型的热电压VT产生模块 13由齐纳二才及管构成；
5放大器14，用于将热电压VT进行放大，若放大器14的放大倍数为K倍， 放大后输出放大热电压KVT至加法器15的一端；
加法器15，用于将输入的三极晶体管14基极b与发射极e间电压Vbe与放大 热电压KVT求和，输出参考电压VREF。
电压Vbe具有负温度系数，其温度系数在室温下为-2.2mV/K。而热电压 具有正的温度系数，其温度系数在室温下为+0.085mV/K。将VT乘以常数K 并和VBE相加可得到I^出电压VREF:
VREF=VBE+KVT (1)
将式(1)对温度T微分并代入VBE和VT的温度系数可求得K,使VREF的温 度系数在理论上为O。 Vbe受电源电压变化的影响很小，因而带隙基准电压的 输出电压受电源的影响也很小。由于在这种情况下得到的基准电压的值接近 于材料的带隙电压，所以称为带隙基准电压源。
现有技术公开了一种带隙基准电压源，通过增加两条电流支路，分别为 两个三才及晶体管的集电极注入电流和取出电流，/人而改变了注入两个三才及晶 体管的电流的温度特性，从而改变了输出基准电压源的温度特性。
在申请号为200610114282的中国专利申请中还可以发现更多与上述技术 方案相关的信息。
在上述基准电源中通过改变电路结构增加带隙基准电压源输出电压的精 确度。然而这增加了设计带隙基准电压源和形成基准电压源的工艺复杂度， 增加成本。
现有技术还公开了 一种技术方案，通过调整放大器的放大系数的方法来 调整整个带隙基准电压源的输出电压，但是同样，调整基准电压源的工作较 为复杂，需要将整个带隙基准电压源电路进行重新设计和验证，成本巨大， 故需要一种新的基准电压源的形成方法。

发明内容
本发明解决的问题是提供一种三极晶体管及基准电压源形成方法，可以 调节三极晶体管发射极电压的温度系数。
为解决上述问题，本发明提供一种三极晶体管的形成方法，包括根据 公式(1 ) NA.JC = exp ( Vbe/Vt) '(q.Dn/WB).D.T、xp(-VGO/Vt),获得发射极 电压温度系数公式(2)为5Vbe/ST(T=TO)=(VbeO-VGO)/TO+(a-Y).(k/q);根据所 需的三极晶体管的发射极电压温度系数选取基区掺杂浓度NA,其中，所述公 式(1)或者公式(2)中NA为基区掺杂浓度；JC为发射区电流密度；Vbe 发射极电压，VbeO为在T二TO下的发射极电压；q为电荷的电量；Dn为电荷 扩散系数；WB为基区的宽度；D为温度常数；T为绝对温度；VG0为半导体 衬底的能带带隙电压；Vt为KT/q,所述k为波尔兹曼常数；Y为与温度无关 的常量；根据基区掺杂浓度NA对基区掺杂。
可选地，所述三极晶体管的基区掺杂通过离子注入形成。
可选地，还包括在p型半导体衬底中形成n型掺杂阱、在n型掺杂阱上 形成PMOS晶体管的栅介质层和栅极、以及在栅极两侧n型掺杂阱内形成p 型源极和漏极步骤，所述p型半导体衬底、n型掺杂阱、p型的源极或者漏极 构成PNP三极晶体管的集电区、基区和发射区。
可选地，所述基区注入的离子为n型离子。
可选地，所述基区注入的离子为P离子，注入的能量范围为380至420Kev, 剂量范围为1E13至5E13/cm2，角度范围为0~2°。
可选地，还包括在n型半导体衬底中形成p型掺杂阱、在p型掺杂阱上 形成NMOS晶体管的栅介质层和栅极、以及在栅极两侧n型掺杂阱内形成n 型源极和漏极步骤，所述n型半导体衬底、p型纟参杂阱、n型的源极或者漏极 构成NPN三极晶体管的集电区、基区和发射区。可选地，所述基区注入的离子为p型离子。
可选地，所述基区注入的离子为B离子，注入的能量范围为200至 240KeV,剂量范围为lE13至5E13/cm2，角度范围为0~2°。
本发明还提供一种基准电压源形成方法，包括提供用于将热电压放大 的放大器；根据用于将热电压放大的放大器的放大系数，确定所需的三极晶 体管的发射极电压温度系数；根据公式(1 ): NA'JC = exp ( Vbe/Vt ) '(q'Dn/WB).D.T3'exp(-VGO/Vt)获得发射才及电压温度系#^>式(2)为 SVbe/5T(T=T0)=(Vbe0-VGO)/T0+(a-力.(k/q),才艮据所述发射极电压温度系数公式 (2)选取三极晶体管的基区掺杂浓度NA，其中，所述公式(1 )或公式(2) 中NA为基区掺杂浓度；JC为发射区电流密度；Vbe发射极电压；q为电荷 的电量；Dn为电荷扩散系数；WB为基区的宽度；D为温度常数；T为温度； VG0为半导体衬底的能带带隙电压；Vt为KT/q，所述k为波尔兹曼常数；y 为与温度无关的常量；根据基区掺杂浓度NA对基区掺杂。
可选地，还包括形成加法器，用于将输入的发射极电压Vbe与经放大的 热电压求和，输出参考电压。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点根据所需的三极晶体管的 发射极电压温度系数选取基区掺杂浓度NA,通过调整三极晶体管的基区掺杂 浓度，可以调节三极晶体管发射极电压的温度系数。
本技术方案通过选取基准电压源中的三极晶体管的基区掺杂浓度，可以 调整三极晶体管发射极电压的温度系数，无需调整基准电压源电路中的电路 结构，使基准电压源输出电压近似为零。


图l是带隙基准电压源结构；
图2是本发明的形成三极晶体管的一个具体实施方式
的流程图；图3至图7是本发明的三极晶体管形成方法的结构示意图； 图8是图7中沿直线B-B，方向的剖视图； 图9是本发明的形成基准电压源一个具体实施方式
的流程图。
具体实施例方式
本发明根据所需的三极晶体管的发射极电压温度系数选取基区掺杂浓度 NA，通过调整三极晶体管的基区掺杂浓度，可以调节三极晶体管发射极电压 的温度系数。本发明通过选取基准电压源中的三极晶体管的基区掺杂浓度， 可以调整三极晶体管发射极电压的温度系数，无需调整基准电压源电路中的 电路结构，使基准电压源输出电压近似为零。
以下依据附图详细地描述具体实施例，上述的目的和本发明的优点将更 加清楚
本发明首先提供一种三极晶体管的形成方法，参照图2，执行步骤Sll, 根据公式(1):
NA'JC = exp ( Vbe/Vt) '(q.Dn/WB).D.T3.exp(画VGO/Vt)， 获得发射极电压温度系数公式(2)为 SVbe/ST(T=T())=(Vbe0-VGO)/T0+(a-力《k/q);
执行步骤S12,根据所需的三极晶体管的发射极电压温度系数选取基区掺 杂浓度NA。
其中，所述公式(1)或者公式(2)中NA为基区掺杂浓度；JC为发射 区电流密度；Vbe发射极电压；q为电荷的电量；Dn为电荷扩散系数；WB 为基区的宽度；D为温度常数；T为温度；VG0为半导体衬底的能带带隙电 压，半导体衬底为石圭条件下，VG0为1.205V; Vt = kT/q, k为波尔兹曼常数；
Y为与温度无关的常量。
所述三极晶体管的基区掺杂通过离子注入形成。所述三极晶体管为采用标准CMOS工艺形成。下面具体给出形成PNP三才及晶体管为例加以说明。
首先参照图3，为半导体衬底100,所述半导体衬底100为硅。所述半导 体衬底100可以为n型或者p型，本实施例中，所述半导体衬底100为p型。
参照图4，在半导体衬底100中形成隔离结构101,把半导体衬底分为不 同有源区。如图3的第一有源区120、第二有源区130和第三有源区140。所 述隔离结构101可以为浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化隔离(LOCOS) 结构。在0.25|1111以下优选浅沟槽隔离(STI)结构。所述第一有源区120、第 二有源区130和第三有源区140为沟道具有不同导电类型的MOS晶体管区 域。
参照图5，为在第一有源区120和第三有源区140形成具有第一导电类型 的掺杂阱的结构示意图。所述掺杂阱的导电类型与MOS晶体管的沟道导电类 型相反，本实施例中，第一有源区120和第三有源区140为待形成沟道导电 类型为p型的MOS晶体管区域，故形成n型掺杂阱104。具体步骤包括在 半导体衬底IOO上形成第一掩膜层102，保护住第二有源区130;进行第一离 子注入103,形成n型掺杂阱104。所述第一离子注入103注入的离子为n型， 可以为P离子或者As离子。作为本实施例的实施方式，第一离子注入103注 入的离子为P离子，注入能量范围为380至420KeV,剂量范围为1E13至 5E13/cm2。
参照图6，为在第二有源区130形成第二导电类型的掺杂阱107的结构示 意图。所述第二导电类型为n型或者p型，本实施例中，第二有源区130为 待形成沟道导电类型为n型的MOS晶体管区域，故形成p型掺杂阱107。
p型掺杂阱107将作为三极晶体管的基区，故p型掺杂阱107的掺杂浓度 为根据所需的三极晶体管的发射极电压温度系数获得，具体步骤为根据公 式(1):
NAJC = exp (Vbe/Vt) (qDn/WB)DT3.exp(-VGO/Vt),获得发射极电压温度系数公式(2)为 Wbe/ST(T=T0)=(Vbe0-VGO)/T0+(a-Y).(k/q);
根据所需的三极晶体管的发射极电压温度系数调整基区掺杂浓度NA,其 中，所述公式(1 )或者公式(2)中NA为基区掺杂浓度；JC为发射区电流 密度；Vbe发射极电压；q为电荷的电量；Dn为电荷扩散系数；WB为基区 的宽度；D为温度常数；T为温度；VG0为半导体衬底100的能带带隙电压 (1.205V); Vt = kT/q， k为波尔兹曼常数；y为与温度无关的常量。
形成p型掺杂阱107的具体工艺包括在半导体衬底100上形成第二掩 膜层105,保护住第一有源区120、第三有源区140;进行第二离子注入106, 形成p型掺杂阱107。所述第二离子注入106注入的离子为p型，可以为B 离子或者In离子。作为本实施例的实施方式，第二离子注入106注入的离子 为B离子，注入能量范围为200至240KeV，剂量范围为1E13至5E13/cm2。
同时，还需要注意的是本发明在根据所需的三极晶体管的发射极电压温 度系数调整基区掺杂浓度NA过程中，需要将基区即p型掺杂阱107两侧的n 型掺杂阱104的掺杂浓度、MOS晶体管的沟道等处的掺杂浓度加以修改，以 便满足半导体器件的隔离、防穿通(punchthrough)等性能的要求。
最后，参照图7,为在半导体衬底100上形成n型MOS晶体管113的栅 介质层lll、多晶硅栅极112、位于多晶硅栅极112两侧的半导体衬底100上 的侧墙114、以及位于半导体村底100中的n型掺杂阱107中的源/漏极115。 形成所述n型MOS晶体管113和p型MOS晶体管114为本领域技术人员公 知技术，在此不做赘述。
同时图8给出沿着图7中直线B-B，方向的剖视图。由图7和图8可以看 出，p型半导体衬底100、 n型掺杂阱107和源/漏极115构成了 PNP三极晶体 管的集电区、基区和发射区。同时可以在三极晶体管的集电区、基区和发射 区作引出电极以便连接。本发明采用标准CMOS工艺制作三极晶体管，通过调节三极晶体管的基 区掺杂浓度，以调整三极晶体管发射极电压的温度系数，工艺方便。
上述实施例中为形成PNP三极晶体管的工艺过程，形成NPN三极晶体管 的形成过程采用形成沟道导电类型为n型的MOS晶体管的过程，与上述形成 PNP三极晶体管的工艺过程类似，除了在n型半导体衬底100中形成p型掺 杂阱以及形成n型源/漏才及有所不同以外。故在此不再详细加以描述。形成沟 道导电类型为p型的MOS晶体管之后，n型半导体衬底、p型掺杂阱以及n 型源极或漏极构成NPN三极晶体管。
本发明还提供一种基准电压源形成方法，参照图9，包括执行步骤S21, 提供用于将热电压放大的放大器；执行步骤S22,根据用于将热电压放大的放 大器的放大系数，确定所需的三极晶体管的发射极电压温度系数；
执行步骤S23,根据公式(1):
NA-JC = exp ( Vbe/Vt) .(q.Dn/WB).D.T3.exp(-VGO/Vt)
获得发射极电压温度系数公式(2)为 SVbe/ST(T=T。)=(Vbe0-VGO)/T0+(a-Y>(k/q),
执行步骤S24,根据所迷发射极电压温度系数公式(2)选取三极晶体管 的基区掺杂浓度NA,其中，所述公式(1 )或公式(2)中NA为基区掺杂浓 度；JC为发射区电流密度；Vbe发射极电压；q为电荷的电量；Dn为电荷扩 散系数；WB为基区的宽度；D为温度常数；T为温度；VG0为半导体衬底 100的能带带隙电压(1.205V); Vt = kT/q, k为波尔兹曼常数；Y为与温度无 关的常量。
具体基准电压源继续参考图1,所述基准电压源包括 电流源ll,用于向整个电压源中4是供电流；
三极晶体管12,其集电极与电流源ll的一端相连，发射极e接地，其基极 b与发射极e间电压Vbe输出至加法器15的 一端；
12用于产生热电压VT,典型的热电压VT产生模块 13由齐纳二才及管构成；
放大器14,用于将热电压VT进行放大，假设放大器14的放大倍数为K倍， 放大后输出放大热电压KVT至加法器15的一端；
加法器15,用于将输入的三极晶体管14基极b与发射极e间电压Vbe与放大 热电压KVT求和，输出参考电压VREF。
所述基准电压源还包括加法器15,用于将输入的发射极电压与放大的热 电压求和，输出参考电压VREF。
本发明在基准电压源中，通过调整基准电压源中的三极晶体管的基区掺 杂浓度，来调整三极晶体管发射极电压的温度系数，从而调整基准电压源的 温度系数，无需调整基准电压源中的电路结构，使基准电压源输出电压近似 为零。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改， 因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1. 一种三极晶体管的形成方法，其特征在于，包括根据公式(1)NA·JC＝exp(Vbe/Vt)·(q·Dn/WB)·D·T3·exp(-VGO/Vt)，获得发射极电压温度系数公式(2)为δVbe/δT(T＝T0)＝(Vbe0-VGO)/T0+(α-γ)·(k/q)；根据所需的三极晶体管的发射极电压温度系数选取基区掺杂浓度NA，其中，所述公式(1)或者公式(2)中NA为基区掺杂浓度；JC为发射区电流密度；Vbe发射极电压，Vbe0为在T＝T0下的发射极电压；q为电荷的电量；Dn为电荷扩散系数；WB为基区的宽度；D为温度常数；T为绝对温度；VG0为半导体衬底的能带带隙电压；Vt为KT/q，所述k为波尔兹曼常数；γ为与温度无关的常量；根据基区掺杂浓度NA对基区掺杂。
2. 根据权利要求1所述的三极晶体管的形成方法，其特征在于，所述三极晶 体管的基区掺杂通过离子注入形成。
3. 根据权利要求2所述的三极晶体管的形成方法，其特征在于，还包括在p 型半导体衬底中形成n型掺杂阱、在n型掺杂阱上形成PMOS晶体管的栅 介质层和栅极、以及在栅极两侧n型掺杂阱内形成p型源极和漏极步骤， 所述p型半导体衬底、n型掺杂阱、p型的源极或者漏极构成PNP三极晶 体管的集电区、基区和发射区。
4. 根据权利要求2或3所述的三极晶体管的形成方法，其特征在于，所述基区注入的离子为n型离子。
5. 根据权利要求4所述的三极晶体管的形成方法，其特征在于，所述基区注 入的离子为P离子，注入的能量范围为380至420Kev,剂量范围为1E13 至5E13/cm2,角度范围为0~2°。
6. 根据权利要求2所述的三极晶体管的形成方法，其特征在于，还包括在n 型半导体衬底中形成p型掺杂阱、在p型掺杂阱上形成NMOS晶体管的栅 介质层和栅极、以及在栅极两侧n型掺杂阱内形成n型源极和漏极步骤， 所述n型半导体衬底、p型掺杂阱、n型的源极或者漏极构成NPN三极晶 体管的集电区、基区和发射区。
7. 根据权利要求2或6所述的三极晶体管的形成方法，其特征在于，所述基 区注入的离子为p型离子。
8. 根据权利要求7所述的三极晶体管的形成方法，其特征在于，所述基区注 入的离子为B离子，注入的能量范围为200至240KeV,剂量范围为1E13 至5E13/cm2,角度范围为0 2。。
9. 一种基准电压源形成方法，其特征在于，包括提供用于将热电压放大的放大器；根据用于将热电压放大的放大器的放大系数，确定所需的三极晶体管的发 射极电压温度系数； 根据公式(1):NA.JC = exp (Vbe/Vt) .(q.Dn/WB).D'T3'exp(-VGO/Vt) 获得发射极电压温度系数公式(2)为 SVbe/ST(T=T0)=(Vbe0-VGO)/T0+(a-Y).(k/q),根据所述发射极电压温度系数公式(2)选取三极晶体管的基区掺杂浓度 NA，其中，所述公式(1)或公式(2)中NA为基区掺杂浓度；JC为发射区电流密度；Vbe发射才及电压；q为电荷的电量；Dn为电荷扩散系数；WB为基区的宽度；D为温度常数；T为温度；VG0为半导体衬底的能带带隙电压； Vt为KT/q,所述k为波尔兹曼常数；Y为与温度无关的常量； 根据基区掺杂浓度NA对基区掺杂。
10.根据权利要求9所述的基准电压源形成方法，其特征在于，还包括形成加 法器，用于将输入的发射极电压Vbe与经放大的热电压求和，输出参考电压。
全文摘要
一种三极晶体管的形成方法，包括根据公式(1)NA·JC＝exp(Vbe/Vt)·(q·Dn/WB)·D·T³·exp(-VGO/Vt)，获得发射极电压温度系数公式(2)为δVbe/δT_(T＝T0)＝(Vbe0-VGO)/T0+(α-γ)·(k/q)；根据所需的三极晶体管的发射极电压温度系数选取基区掺杂浓度NA。本发明还提供一种基准电压源的形成方法。本发明通过调整三极晶体管的基区掺杂浓度，调整三极晶体管发射极电压的温度系数，从而调整基准电压源的输出电压，使基准电压源输出电压近似为零。
文档编号H01L21/331GK101459077SQ200710094479
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月13日 优先权日2007年12月13日
发明者杨勇胜 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司