三極管npn課程設計報告

1、目錄1.課程設計目的與任務42.課程設計的基本內容42.1 npn雙極型晶體管的設計42.2課程設計的要求與數據43.課程設計原理43.1晶體管設計的一般步驟53.2晶體管設計的基本原則54.晶體管工藝參數設計64.1晶體管的縱向結構參數計64.1.1 集電區(qū)雜質濃度的確定64.1.2 基區(qū)及發(fā)射區(qū)雜質濃度74.1.3 各區(qū)少子遷移率及擴散系數的確定74.1.4 各區(qū)少子擴散長度的計算84.1.5 集電區(qū)厚度的選擇94.1.6 基區(qū)寬度的計算94.1.7擴散結深 124.1.8雜質表面濃度 134.1.9 芯片厚度和質量134.2 晶體管的橫向設計134 .2 .1 晶體管橫向結構參數的選擇1

2、34.3 工藝參數計算144.3.1 晶體管工藝概述144.3.2基區(qū)硼預擴時間154.3.3基級氧化層厚度164.3.4基區(qū)硼再擴散時間計算164.3.5發(fā)射區(qū)預擴散時間174.3.6發(fā)射區(qū)再擴散的時間174.3.7基區(qū)氧化時間184.3.8發(fā)射級氧化層厚度184.4設計參數總結195.工藝流程圖206.生產工藝流程216.1 硅片清洗216.1.1 清洗原理216.1.2硅片清洗的一般程序216.2氧化工藝226.2.1 氧化原理226.2.2基區(qū)氧化的工藝步驟23 6.2.3測量氧化層厚度236.3 第一次光刻工藝（光刻基區(qū)）246.3.1 光刻原理246.3.2 工藝步驟246.4 基

3、區(qū)硼擴散工藝266.4.1 硼擴散原理266.4.2 硼擴散工藝步驟266.5發(fā)射區(qū)氧化的工藝步驟266.6第二次光刻工藝（光刻發(fā)射區(qū)）276.7發(fā)射區(qū)磷的擴散276.7.1 磷擴散原理276.7.2 磷擴散工藝步驟286.8引線孔氧化的工藝步驟296.9 第三次光刻（光刻引線孔）306.10引線孔金屬化316.10.1集成電路對金屬化材料特性的要求316.10.2金屬化步驟316.11光刻金屬電極327. 心得體會328. 參考文獻33微電子器件與工藝課程設計報告npn雙極型晶體管的設計1.課程設計目的與任務微電子器件與工藝課程設計是有關微電子器件和工藝知識的綜合應用的課程，使我們系統(tǒng)的掌握

4、半導體器件，集成電路，半導體材料及工藝的有關知識的必不可少的重要環(huán)節(jié)。其目的是使我們在熟悉晶體管基本理論和制造工藝的基礎上，掌握晶體管的設計方法。要求我們根據給定的晶體管電學參數的設計指標，完成晶體管的縱向結構參數設計晶體管的圖形結構設計材料參數的選取和設計等設計過程的訓練，為從事微電子器件設計、集成電路設計打下必要的基礎。2.課程設計的基本內容2.1 npn雙極型晶體管的設計設計一個均勻摻雜的npn型雙極晶體管，滿足T=300K時，共基極電流增益a=0.9920，BVCBO=90V, NB=1016cm-3。設計時應盡量減小基區(qū)寬度調制效應的影響，假設經驗參數為年n=3)。2.2課程設計的要

5、求與數據1了解晶體管設計的一般步驟和設計原則2根據設計指標設計材料參數，包括發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度NE, NB,和NC, 根據各區(qū)的摻雜濃度確定少子的擴散系數，遷移率，擴散長度和壽命等。3根據主要參數的設計指標確定器件的縱向結構參數，包括集電區(qū)厚度Wc，基本寬度Wb，發(fā)射區(qū)寬度We和擴散結深Xjc, 發(fā)射結結深Xje等。4根據擴散結深Xjc, 發(fā)射結結深Xje等確定基區(qū)和發(fā)射區(qū)預擴散和再擴散的擴散溫度和擴散時間；由擴散時間確定氧化層的氧化溫度、氧化厚度和氧化時間。 5根據設計指標確定器件的圖形結構，設計器件的圖形尺寸，繪制出基區(qū)、發(fā)射區(qū)和金屬接觸孔的光刻版圖。 6. 根據現有工藝條件，制

6、定詳細的工藝實施方案。7撰寫設計報告3.課程設計原理晶體管的設計是有關晶體管物理知識的綜合應用。晶體管的基本理論只能反映晶體管內部的基本規(guī)律，而且這些規(guī)律往往是基于很多假設，并忽略了很多次要因素的情況下得到的，如工藝因素的影響，半導體材料的影響及雜質濃度的具體分布形式等。因此，在進行晶體管設計時必須從生產實踐中總結出經驗數據與基本的理論結合起來，經過多次反復，才能得到切實可行的設計方案。同時，對有志從事半導體器件以及集成電路有關工作的工程技術人員來說，要系統(tǒng)的掌握半導體器件，集成電路，半導體材料及工藝的有關知識，晶體管設計也是必不可少的重要環(huán)節(jié)。晶體管設計過程，實際上就是根據現有的工藝水平，材

7、料水平，設計水平和手段以及所掌握的晶體管的有關基本理論，將用戶提出的或預期要得到的技術指標或功能要求，變成一個可實施的具體方案的過程。因此，設計者必須對當前所能獲取的半導體材料的有關參數和工藝參數有充分的了解，并弄清晶體管的性能指標參數與材料參數，工藝參數和器件幾何結構參數之間的相互關系，才可能得到設計所提出的要求。但是晶體管的種類繁多，性能指標要求也就千差萬別，因此要將各類晶體管的設計都要講清楚是很難的，所以我們只能簡單介紹一下晶體管設計的一般步驟和基本原則。3.1晶體管設計的一般步驟晶體管設計可大致按下列步驟進行：第一，根據預期指標要求選定主要電學參數，如摻雜濃度確定主要電學參數的設計指標

8、。第二，根據設計指標的要求，了解同類產品的現有水平和工藝條件，結合設計指標和生產經驗進行初步設計，設計內容包括以下幾個方面：（1）根據主要參數的設計指標確定器件的縱向結構參數，如集電區(qū)厚度Wc，基區(qū)寬度Wb和擴散結深Xj等。（2）根據設計指標確定器件的圖形結構，設計器件的圖形尺寸，繪制出光刻版圖。（3）根據設計指標選取材料，確定材料參數，如電阻率r，位錯，壽命，晶向等。（4）根據現有工藝條件，制定實施工藝方案。（5）根據晶體管的類型進行熱學設計，選擇分裝形式，選用合適的管殼和散熱方式等。第三，根據初步設計方案，對晶體管的電學驗算，并在此基礎上對設計方案進行綜合調整和修改。第四，根據初步設計方案

9、進行小批測量試制，暴露問題，解決矛盾，修改和完善 設計方案。3.2晶體管設計的基本原則（1）全面權衡各電學參數間的關系，確定主要電學參數盡管晶體管的電學參數很多，但對于一類型的晶體管，其主要電學參數卻只有幾個，如對高頻大功率管，主要的電學參數是fT ， BVCBO， P CM和ICM等；而高速開關管的主要電學參數則為to n，toff，UBES和UCES。因此，在進行設計時，必須全面權衡各電學參數間的關系，正確處理各參數間的矛盾。找出器件的主要電學參數，根據主要電學參數指標進行設計，然后再根據生產實踐中取得的經驗進行適當調整，以滿足其他電學參數的要求。（2） 正確處理設計指標和工藝條件之間的矛

10、盾，確定合適的工藝實施方案。任何一個好的設計方案都必須通過合適的工藝才能實現。因此，在設計中必須正確處理設計指標和工藝條件之間的矛盾。設計前必須了解工藝水平和設備精度，結合工藝水平進行合理設計。（3） 正確處理技術指標的經濟指標間的關系。設計中既要考慮高性能的技術指標，也要考慮經濟效益。否則，過高的追求高性能的技術指標，將使成本過高。同時，在滿足設計指標的前提下，盡可能降低參數指標水準，便于降低對工藝的要求，提高產品成品率。（4） 在進行產品設計時，一定要考慮器件的穩(wěn)定性和可靠性。4.晶體管工藝參數設計4.1 晶體管的縱向結構參數設計雙極晶體管是由發(fā)射結和集電結兩個PN結組成的，晶體管的縱向結

11、構就是指在垂直于兩個PN結面上的結構。因此，縱向結構設計的任務有兩個：首先是選取縱向尺寸，即決定襯底厚度、集電區(qū)厚度、 基區(qū)厚度、 擴散結深和等；其次是確定縱向雜質濃度和雜質分布，即確定集電區(qū)雜質濃度、 襯底雜質濃度、 表面濃,以及基區(qū)雜質濃度分布等，并將上述參數轉換成生產中的工藝控制參數。4.1.1 集電區(qū)雜質濃度的確定集電區(qū)厚度的最小值主要由擊穿電壓決定，最大值受集電區(qū)串聯電阻rcs的限制。對于Si器件擊穿電壓為 由此可得集電區(qū)雜質濃度為：由設計的要求可知C-B結的擊穿電壓為：BVCBO=90V 根據公式,可算出集電區(qū)雜質濃度：5.824×1015 cm34.1.2 基區(qū)及發(fā)射區(qū)

12、雜質濃度一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NE>>NB>NC，故4.1.3 各區(qū)少子遷移率及擴散系數的確定圖1 遷移率與雜質濃度的關系圖（1）少子遷移率少子的遷移率可以通過遷移率與雜質濃度的關系圖查出來。此關系圖如圖1所示。通過圖2可以查出在300K時，集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)各自的少子的遷移率如下。C區(qū)： cp= 443cm 2/v.s；B區(qū)： Bn=1248cm 2 /v.s；E區(qū)： Ep=132cm 2/v.s；各區(qū)的電阻率通過相對應的濃度直接讀圖，如圖2 所示。圖2 電阻率與雜質濃度的關系圖（半導體器件物理P109）可得襯底電阻率： (襯底) （2）各區(qū)少子擴散系數的計算根據愛

13、因斯坦關系式: 半導體物理（第七版） P150C區(qū)：B區(qū)：E區(qū)：4.1.4 各區(qū)少子擴散長度的計算由，其中少子壽命 ，4.1.5 集電區(qū)厚度的選擇（1）集電區(qū)厚度的最小值集電區(qū)厚度的最小值由擊穿電壓決定。通常為了滿足擊穿電壓的要求，集電區(qū)厚度WC必須大于擊穿電壓時的耗盡層寬度，即 > (是集電區(qū)臨界擊穿時的耗盡層寬度）。對于高壓器件，在擊穿電壓附近，集電結可用突變結耗盡層近似，因而（2）集電區(qū)厚度的最大值的最大值受串聯電阻的限制。增大集電區(qū)厚度會使串聯電阻增加，飽和壓降增大，因此的最大值受串聯電阻限制?？紤]到實際情況最終確定。 4.1.6 基區(qū)寬度的計算（1）基區(qū)寬度的最大值對于低頻管，

14、與基區(qū)寬度有關的主要電學參數是b，因此低頻器件的基區(qū)寬度最大值由b確定。當發(fā)射效率g»1時，電流放大系數。因此基區(qū)寬度的最大值可按下式估計： 為了使器件進入大電流狀態(tài)時，電流放大系數仍能滿足要求， 因而設計過程中取l=4，將數據代入上式中得：所以基區(qū)寬度的最大值為10.2um。（2）基區(qū)寬度的最小值為了保證器件正常工作，在正常工作電壓下基區(qū)絕對不能穿通，確切的說，穿通指的是因為基區(qū)寬度調制效應最終導致基區(qū)準中性寬度W趨于0的物理狀態(tài)。也就是說，一般認為當E-B和C-B耗盡區(qū)在基區(qū)內接觸在一起時就穿通了。一旦發(fā)生穿通，E-B和C-B結就靜電地聯系在一起。 （相關穿通內容：半導體物理（第

15、7版）P295）。因此，對于高耐壓器件，基區(qū)寬度的最小值由基區(qū)穿通電壓決定。對于均勻基區(qū)晶體管，當集電結電壓接近雪崩擊穿時，基區(qū)一側的耗盡層寬度為 所以基區(qū)寬度的取值范圍為：2.09um<WB<10.2um （3）基區(qū)準中性寬度的計算根據設計要求給出的電流放大倍數=124以及公式可以求出基區(qū)的準中性寬度。W=7.04um （滿足=56.9um>>W）（4）基區(qū)耗盡層寬度的計算E-B結基區(qū)邊的耗盡層寬度的計算先求出E-B結的內建電勢再求出E-B結基區(qū)邊的耗盡層寬度 C-B結基區(qū)邊的耗盡層寬度的計算先求出C-B結的內建電勢再求出C-B結基區(qū)邊的耗盡層寬度 (5)總的基區(qū)寬度

16、具體來說，由于，所以E-B耗盡區(qū)寬度（）可看作位于基區(qū)內，又由，得到大多數C-B耗盡區(qū)寬度（）位于集電區(qū)內。因為C-B結輕摻雜一側的摻雜濃度比E-B結輕摻雜一側的濃度低，所以。另外注意到是基區(qū)寬度，W是基區(qū)中準中性基區(qū)寬度，也就是說，對于PNP晶體管，有： ，其中和分別是位于n型區(qū)內的E-B和C-B耗盡區(qū)寬度。在BJT分析中W指的就是準中性基區(qū)寬度。WB=W+XnEB+XpCB7.04+0.332+0.184=7.56um符合之前計算出來的基區(qū)寬度的范圍，但是這樣的寬度相對應的結深過大，故根據經驗值W=8um特性頻率檢驗計算：4.1.7擴散結深在晶體管的電學參數中，擊穿電壓與結深關系最為密切，

17、它隨結深變淺，曲率半徑減小而降低，因而為了提高擊穿電壓，要求擴散結深一些。但另一方面，結深卻又受條寬限制，當發(fā)射極條寬se>>Xj條件時，擴散結面仍可近似當做平面結。但當se隨著特征頻率fT的提高，基區(qū)寬度Wb變窄而減小到不滿足se>>Xj條件時，發(fā)射結變?yōu)樾D橢圓面，如圖2所示。發(fā)射結集電結兩個旋轉橢圓面之間的基區(qū)體積大于平面結之間的基區(qū)體積，因而基區(qū)積累電荷增多，基區(qū)渡越時間增長。按照旋轉橢圓的關系，可以解出當se與Xj接近時，有效特征頻率為 ，式中。因此，愈大，有效特征頻率愈低。圖3也明顯表明，越大，則基區(qū)積累電荷比平面結時增加越多。由于基區(qū)積累電荷增加，基區(qū)渡越

18、時間增長，有效特征頻率就下降，因此，通常選取， 則：XjeWB8um， 則：Xjc2WB16um（由于二次氧化，在考慮基區(qū)擴散深度時須對發(fā)射區(qū)掩蔽層消耗的硅進行補償。集電結結深發(fā)射結結深基區(qū)寬度0.46發(fā)射區(qū)掩蔽層厚度。發(fā)射結結深12基區(qū)寬度。）對于低頻功率晶體管在保證發(fā)射結處的雜質濃度梯度，即發(fā)射效率不致過低的前提下，基區(qū)寬度一般都取得很寬，因而發(fā)射結深也取得較大。圖3 發(fā)射極條寬對結面形狀的影響4.1.8雜質表面濃度在縱向結構尺寸選定的情況下，發(fā)射區(qū)和基區(qū)表面雜質濃度及其雜質分布的情況主要影響晶體管的發(fā)射效率g和基區(qū)電阻rb。減小基區(qū)電阻rb要求提高基區(qū)平均雜質濃度NB和表面濃度NBS。同

19、時，提高基區(qū)平均雜質濃度，也有利于減小基區(qū)寬變效應和基區(qū)電導調制效應。提高發(fā)射效率則要求減小，增大發(fā)射區(qū)和基區(qū)濃度差別。為了保證在大電流下，晶體管仍具有較高的發(fā)射效率，要求發(fā)射區(qū)和基區(qū)表面濃度相差兩個數量級以上，即。而發(fā)射區(qū)表面濃度由于受重摻雜效應限制，而不能無限提高，一般選取NES=5´1018cm-3左右，則NBS=5×1016 cm-34.1.9芯片厚度和質量本設計選用的是電阻率為的n型硅，晶向是<111>。硅片厚度主要由集電結深、集電區(qū)厚度、襯底反擴散層厚度決定。同時擴散結深并不完全一致，在測量硅片厚度時也存在一定誤差。因此在選取硅片厚度時必須留有一定的

20、的余量。襯底厚度要選擇適當，若太薄，則易碎，且不易加工；若太厚，則芯片熱阻過大。本設計中不用外延，晶體管直接做在襯底上，厚度大概選擇200um。4.2 晶體管的橫向設計4 .2 .1 晶體管橫向結構參數的選擇選取晶體管的橫向結構參數，實際上就是設計光刻版圖。設計版圖前，首先必須對設計指標進行綜合分析，初步選定圖形結構，然后分析電流容量和功率容量，確定分割單元基區(qū)的數目。采用分割基區(qū)的多單元結構，有利于改善芯片的分布，減小熱阻和降低溫度。至于各單元的總體布局可以從熱阻和頻率特性兩方面考慮。從散熱角度考慮，單元數目可以多一些，單元之間的間距盡量大些。但從頻率角度考慮，單元的排列應有利于內引線的均勻

21、分布，有利于引線長度的縮短，以減小寄生參數。 圖4 三極管剖面圖 圖5 三極管俯視圖故最終決定的三個區(qū)的面積分別為，4.3 工藝參數計算4.3.1 晶體管工藝概述在集成電路工藝中，最早得到廣泛應用的一種雙極型工藝技術就是所謂的三重擴散方法，由于其成本低、工藝簡單以及成品率高等優(yōu)點，這種技術直到今天在某些應用領域中仍然在繼續(xù)使用。這個工藝流程只需七塊光刻掩模版，首先在N襯底上生長一層初始氧化層，并光刻出P保護環(huán)擴散區(qū)窗口；保護環(huán)擴散推進完成后，去掉初始氧化層，重新生長第二次氧化層，并光刻出集電區(qū)注入窗口；集電區(qū)注入推進完成后，把二次氧化層去掉，再生長第三次氧化層，并光刻出基區(qū)注入窗口；完成基區(qū)注

22、入后，去掉三次氧化層，并對基區(qū)雜質進行退火激活，然后生長第四次氧化層，并光刻出發(fā)射區(qū)注入窗口；發(fā)射區(qū)注入完成后，再把四次氧化層去掉，并生長最后一次氧化層，在這層氧化層上光刻出基極歐姆接觸區(qū)窗口；然后進行基極歐姆接觸區(qū)的N+注入，并對基極歐姆接觸區(qū)和發(fā)射區(qū)注入層進行最后一次退火激活；接下來沉積歐姆接觸區(qū)保護層、開接觸孔、形成金屬化導電層并對其進行光刻和刻蝕。在基本的三重擴散工藝技術基礎上所做的改進之一就是增加一個集電區(qū)埋層，即位于集電區(qū)下面的一個重摻雜的擴散區(qū)，它可以使集電區(qū)的串聯電阻大大減小。引入集電區(qū)埋層后意味著集電區(qū)本身必須通過外延技術在襯底上生長出來，這項技術稱為“標準埋層集電區(qū)工藝（S

23、BC）”。不同的制造工藝會產生不同的發(fā)射結寄生電容、發(fā)射結擊穿電壓及基區(qū)接觸電阻等。從歷史發(fā)展來看，雙極型晶體管的性能在很大程度上受其寄生參數的限制，在這些參數中最主要的是與歐姆接觸區(qū)或器件非本征區(qū)有關的結電容。三重擴散工藝或標準埋層集電區(qū)工藝具有較大的非本征電容。較為先進的雙極型器件工藝則利用自對準多晶硅結構形成器件發(fā)射區(qū)和基區(qū)的歐姆接觸，而金屬和多晶硅的接觸可以在較厚的場氧化層上制備形成，這樣就使器件的結面積大大縮小。此外，利用多晶硅形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸，還可以使器件的本征電流增益有所增大。4.3.2基區(qū)硼預擴時間 首先先列出表1，是計算擴散系數時所需要用到的數據，如下表一所示。雜質元素BP

24、D0/（cm2/s）0.763.85E/eV3.463.66表1：硼、磷元素在硅中的D0與激活能E注：適用溫度范圍（oC）為:8001350 基區(qū)硼的預擴溫度為950 ，即1223K。擴散系數： 通過單位表面積擴散到硅片內部的雜質數量： 根據公式可解得在特定溫度下擴散的時間：4.3.3基區(qū)硼擴散需要的氧化層厚度雜質元素磷（P）1.75硼（B）3.50表2：硼、磷元素在二氧化硅中磷和硼的與 為了便于后續(xù)的氧化時間的計算及濕法干法的分配，最終取基區(qū)磷擴散需要的氧化層厚度為。4.3.4基區(qū)硼再擴散時間計算 基區(qū)硼的預擴溫度為950 ，即1223K。硅襯底中原有雜質的濃度：硼在硅中的擴散系數為： 由于

25、預擴散的結深很淺，可將它忽略，故再擴散結深：（2）又所以代入（2）式可得 化簡得解得基區(qū)磷主擴時間為： t=11h4.3.5發(fā)射區(qū)預擴散時間NPN發(fā)射區(qū)的磷預擴散的溫度這里取950，即1223K由公式 其中 此處的 ，故 4.3.6發(fā)射區(qū)再擴散的時間主擴溫度取1200（1473K），此時有 由于預擴散的結深很淺，可將它忽略，故，由再擴散結深公式：， 而且 故可整理為： 即經過化簡得， 得t=6.7h4.3.7基區(qū)氧化時間 由前面可知，基區(qū)的氧化層厚度是6000，由圖6氧化層厚度和氧化時間的關系圖， 根據合適的氧化時間，分配如下：干法：濕法：干法=1:4:1 1200干法氧化 20.4min此時

26、的厚度是10001200濕法氧化時間：16.2min此時的厚度是50001200干法氧化時間：20.4min此時的厚度是6000所以，總的氧化時間t=(20.4+16.2+20.4)min=57min=3420s 圖6 氧化層厚度與氧化時間的關系4.3.8發(fā)射區(qū)氧化層厚度氧化層厚度的最小值由預擴散（1223K）的時間t=1730s來決定的，且服從余誤差分布，并根據假設可求 考慮到生產實際情況，發(fā)射區(qū)氧化層厚度取為7000以上已經計算出發(fā)射區(qū)硼擴散需要的氧化層厚度為。根據合適的氧化時間，將分配如下：干法：濕法：干法=1:5:1由圖9可以查得1200時：l 1200干法氧化 20.4min此時的厚

27、度是1000l 1200濕法氧化時間：24min此時的厚度是6000l 1200干法氧化時間：20.4min此時的厚度是7000所以發(fā)射區(qū)氧化需要的總時間為：20.4+24+20.4=64.8min4.4設計參數總結通過前面的分析、計算，初步確定了晶體管各部分的結構數值，歸納出符合制作條件的NPN BJT相關參數如下： 參數發(fā)射區(qū)（E）基區(qū)（B）集電區(qū)（C）材料參數結構參數16參數集電區(qū)（C）擴散溫度和時間(s)預擴散95029min95019.7min再擴散12006.7h120011h氧化層厚 度70006000氧化時 間先干氧氧化20.4min；后濕氧氧化24min；再干氧氧化20.4m

28、in。先干氧氧化20.4min；后濕氧氧化16.2min；再干氧氧化20.4min。表3 總參數表5. 工藝流程圖NPN晶體管生產總的工藝流程圖：清洗工藝氧化光刻發(fā)射區(qū)金屬化氧化硼預擴散磷預擴散磷再擴散氧化去硼硅玻璃光刻金屬孔光刻基區(qū)硼再擴散去磷硅玻璃光刻金屬電極參數檢測6.生產工藝流程6.1 硅片清洗在晶體管和集成電路生產中，幾乎每道工藝有化學清洗的問題.化學清洗的好壞對器件性能有嚴重的影響，處理不當，可使全部硅片報廢，做不出管子來，或使制造出來的器件性能低劣，穩(wěn)定性和可靠性很差?；瘜W清洗是指清除吸附在半導體，金屬材料以及生產用具表面上的各種有害雜質或油污的工藝。6.1.1清洗原理a. 表面

29、活性劑的增溶作用：表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度時會在水溶液中形成膠束，能使不溶或微溶于水的有機物的溶解度顯著增大。b.表面活性劑的潤濕作用：固氣界面消失，形成固液界面c.起滲透作用；利用表面活性劑的潤濕性降低溶液的表面張力后，再由滲透劑的滲透作用將顆粒托起，包裹起來。具有極強滲透力的活性劑分子可深入硅片表面與吸附物之間，起劈開的作用，活性劑分子將顆粒托起并吸附于硅片表面上，降低表面能。顆粒周圍也吸附一層活性劑分子，防止顆粒再沉積。6.1.2硅片清洗的一般程序吸附在硅片表面的雜質大體上可分為分子型，離子型和原子型三種，分子型雜質粒子與硅片表面之間的吸附較弱，清除這些雜質粒子比較容易.它們多屬油

30、脂類雜質，具有疏水性的特點，這種雜質的存在，對于清除離子型和原子型雜質具有掩蔽作用，因此在對硅片清洗時首先要把它們清除，離子型和原子型吸附的雜質屬于化學吸附雜質，其吸附力都較強，因此在化學清洗時，一般都采用酸，堿溶液或堿性雙氧水先清除離子型吸附雜質，然后用王水或酸性雙氧水再來清除殘存的離子型雜質用原子型雜質，最后用高純去離子水將硅片沖洗干凈，再加溫烘干就可得到潔凈表面的硅片。工藝程序：去分子-去離子-去原子-去離子水沖洗、烘干。硅片清洗液是指能夠除去硅片表面沾污物的化學試劑或幾種化學試劑配制的混合液。常用硅片清洗液有（表4）：名稱（表4）配方使用條件作用號洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:

31、1:51:2:780±510min去油脂去光刻膠殘膜去金屬離子去金屬原子號洗液HCl:H2O2:H2O=1:1:61:2:880±510min去金屬離子去金屬原子號洗液H2SO4:H2O2=3:1120±101015min去油去臘去金屬離子去金屬原子6.2氧化工藝6.2.1氧化原理二氧化硅能夠緊緊地依附在硅襯底表面，具有極穩(wěn)定的化學性和電絕緣性，因此，二氧化硅可以用來作為器件的保護層和鈍化層，以及電性能的隔離、絕緣材料和電容器的介質膜。二氧化硅的另一個重要性質，對某些雜質（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用，從而可以選擇擴散；正是利用這一性質，并結合光刻和擴散工藝，才發(fā)

32、展起來平面工藝和超大規(guī)模集成電路。制備二氧化硅的方法很多，但熱氧化制備的二氧化硅掩蔽能力最強，是集成電路工藝最重要的工藝之一。由于熱生長制造工藝設備簡單，操作方便，SiO2膜較致密，所以采用熱氧化二氧化硅制備工藝。熱生長的方法是將硅片放入高溫爐內，在氧氣氛中使硅片表面在氧化物質作用下生長SiO2薄層，氧化氣氛可為水汽，濕氧或干氧。實驗表明，水汽氧化法：生長速率最快，但生成的SiO2層結構疏松，表面有斑點和缺陷，含水量多，對雜質特別是磷的掩蔽以力較差，所以在器件生產上都不采用水汽氧化法。（1）干氧法: 生長速率最慢，但生成的SiO2膜結構致密，干燥，均勻性和重復性好，掩蔽能力強，鈍化效果好，Si

33、O2膜表面與光刻膠接觸良好，光刻時不易浮膠。（2） 濕氧法:生長速率介于前兩者之間，生長速率可通過爐溫或水浴溫度進行調整。使用靈活性大，濕氧法生長的SiO2膜，雖然致密性略差于干氧法生長的SiO2膜，但其掩蔽能力和鈍化效果都能滿足一般器件生產的要求，較突出的弱點是SiO2表面與光刻膠接觸不良，光刻時容易產生浮膠。生產中采用取長補短的方法，充分利用濕氧和干氧的優(yōu)點，采用干氧濕氧干氧交替的方法。根據迪爾和格羅夫模型，熱氧化過程須經歷如下過程：（1）氧化劑從氣體內部以擴散形式穿過滯流層運動到SiO2-氣體界面，其流密度用F1表示，流密度定義為單位時間通過單位面積的粒子數。（2）氧化劑以擴散方式穿過S

34、iO2層（忽略漂移的影響），到過SiO2-Si界面，其流密度用F2表示。（3）氧化劑在Si表面與Si反應生成SiO2，流密度用F3表示。（4）反應的副產物離開界面。氧化的致密性和氧化層厚度與氧化氣氛（氧氣、水氣）、溫度和氣壓有密切關系。應用于集成電路掩蔽的熱氧化工藝一般采用干氧濕氧干氧工藝制備。6.2.2基區(qū)氧化的工藝步驟1、開氧化爐，設定升溫程序，升溫速度不超過每分鐘5，以防止加熱電阻絲保護涂層脫落，并將溫度設定到800-950，開氧氣流量2升/分鐘。2、將清洗好的硅片裝入石英舟，然后，將石英舟推到恒溫區(qū)。并按照設定好的程序開始升溫。3、達到氧化溫度1200后，調整氧氣流量3升/分鐘，并開始

35、計時，干氧時間20.4分鐘。4、在開始干氧同時，將濕氧水壺加熱到9598。干氧完成后，開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關閉干氧流量計。濕氧時間16.2分鐘。5、濕氧完成，開干氧流量計，調整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，干氧時間20.4分鐘。6、干氧完成后，開氮氣流量計，調整氮氣流量3升/分鐘，并開始降溫，降溫時間30分鐘。7、將石英舟拉出，并在凈化臺內將硅片取出，用硅片清洗液進行清洗，甩干，同時，檢測氧化層面狀況和厚度。8、關氧化爐，關氣體。6.2.3測量氧化層厚度測量厚度的方法很多，有雙光干涉法、電容壓電法、橢圓偏振光法、腐蝕法和比色法等。在精度不高時，可用比色法來簡單判斷厚度。比色法是

36、利用不同厚度的氧化膜在白光垂直照射下會呈現出不同顏色的干涉條紋，從而大致判斷氧化層的厚度。顏色氧化膜厚度（埃）灰100黃褐300藍800紫1000275046506500深藍1500300049006800綠1850330056007200黃2100370056007500橙225040006000紅250043506250 6.3 第一次光刻工藝（光刻基區(qū)）6.3.1光刻原理光刻工藝是加工制造集成電路微圖形結構的關鍵工藝技術，起源于印刷技術中的照相制版。是在一個平面（硅片）上，加工形成微圖形。光刻工藝包括涂膠、曝光、顯影、腐蝕等工序。集成電路對光刻的基本要求有如下幾個方面：（1）高分辨率：一

37、個由10萬元件組成的集成電路，其圖形最小條寬約為3um，而由500萬元件組成的集成電路，其圖形最小條寬為1.5-2um，百萬以上元件組成的集成電路，其圖形最小條寬1um，因此，集成度提高則要求條寬越細，也就要求光刻技術的圖形分辨率越高。條寬是光刻水平的標志，代表集成電路發(fā)展的水平。（2）高靈敏度：靈敏度是指光刻機的感光速度，集成電路要求產量要大，因此，曝光時間應短，這就要求光刻膠的靈敏度要高。（3）低缺陷：如果一個集成電路芯片上出現一個缺陷，則整個芯片將失效，集成電路制造過程包含幾十道工序，其中光刻工序就有10多次，因此，要求光刻工藝缺陷盡量少，否則，就無法制造集成電路。（4）精密的套刻對準：

38、集成電路的圖形結構需要多此光刻完成，每次曝光都需要相互套準，因此集成電路對光刻套準要求非常高，其誤差允許為最小條寬的10%左右。集成電路所用的光刻膠有正膠和負膠兩種：正性光刻膠通常由堿溶性酚醛樹脂、光敏阻溶劑及溶劑等組成，光敏劑可使光刻膠在顯影液中溶解度減小，但曝光將使光敏阻溶劑分解，使光刻膠溶解度大大增加而被顯掉，未曝光部分由于溶解度小而留下。負性光刻膠和正性光刻膠相反，負性光刻膠在曝光前能溶于顯影液，曝光后，由于光化反應交鏈成難溶大分子而留下，未曝光部分溶于顯影液而去掉。由此完成圖形復制。本次采用正光刻膠。6.3.2工藝步驟（1) 準備：1) 開前烘，堅膜烘箱，前烘溫度設定95，堅膜溫度為

39、135。2) 涂膠前15分鐘開啟圖膠凈化臺，調整轉速，以滿足生產要求。3) 光刻前30分鐘，開啟光刻機汞燈。4) 開啟腐蝕恒溫槽，溫度設定405) 清洗膠瓶和吸管，并倒好光刻膠。6) 清洗掩膜版（基區(qū)光刻掩膜版），并在凈化臺下吹干（2) 涂膠：光刻工藝采用旋轉涂膠法，涂膠前設定好予勻轉速和時間，甩干速度和時間。將氧化完成或擴散完成的硅片放在涂膠頭上，滴上光刻膠進行涂膠，要求膠面均勻、無缺陷、無未涂區(qū)域。(3) 前烘 將涂好光刻膠的硅片放入前烘烘箱，并計時，前烘完成后將硅片取出。（4) 對準 將掩膜版上在光刻機上，并進行圖形套準。（5) 曝光 將套準后的硅片頂緊，檢查套準誤差、檢查曝光時間，確認

40、無誤后，進行曝光（紫外光曝光）。（6) 顯影此采用浸泡顯影，分別在1#顯影液，2#顯影液顯3-5分鐘，然后在定影液定影3-5分鐘，之后在甩干機中甩干，在顯微鏡下檢查是否合格，否則，返工。7) 堅膜在顯影檢查合格后將硅片放入堅膜烘箱進行堅膜，設定堅膜時間。8) 腐蝕將堅膜好的硅片準備腐蝕，首先確認氧化層厚度，計算腐蝕時間。然后進行腐蝕（溶液是硝酸和氫氟酸），腐蝕后沖水10分鐘，甩干后在顯微鏡下檢查是否腐蝕干凈，若未腐蝕干凈繼續(xù)腐蝕。9) 去膠硅片腐蝕完成后，在3#液中將光刻膠去掉，并沖洗干凈，工藝結束。光刻基區(qū)域時掩膜板如圖7所示： 圖7 光刻基區(qū)域時掩膜板6.4 基區(qū)硼擴散工藝6.4.1硼擴散

41、原理擴散是微觀粒子的一種極為普遍的熱運動形式，各種分離器件和集成電路制造中的固態(tài)擴散工藝簡稱擴散，硼擴散工藝是將一定數量的硼雜質摻入到硅片晶體中，以改變硅片原來的電學性質。硼擴散是屬于替位式擴散，采用預擴散和再擴散兩個擴散完成。（1）預擴散硼雜質濃度分布方程為：表示恒定表面濃度（雜質在預擴散溫度的固溶度），D1為預擴散溫度的擴散系數，x表示由表面算起的垂直距離（cm）,他為擴散時間。此分布為余誤差分布。（2）再擴散（主擴散）硼再擴散為有限表面源擴散，雜質濃度分布方程為：其中Q為擴散入硅片雜質總量：D2為主擴散（再分布）溫度的擴散系數。雜質分布為高斯分布。6.4.2硼擴散工藝步驟（1) 工藝準備

42、1) 開擴散爐，設定升溫程序，升溫速度不超過每分鐘5，以防止加熱電阻絲保護涂層脫落。并將溫度設定到800-950，開氮氣流量3升/分鐘。2) 清洗源瓶，并倒好硼源（固態(tài)源，由氧化硼與其他穩(wěn)定的氧化物壓制而成）。3) 開涂源凈化臺，并調整好涂源轉速。（2) 硅片清洗：清洗硅片（見清洗工藝），將清洗好的硅片甩干。（3) 將清洗干凈、甩干的硅片涂上硼源。（4) 從石英管中取出石英舟，將硅片裝在石英舟上，并將石英舟推到恒溫區(qū)。調節(jié)溫控器，使溫度達到預擴散溫度950，并開始計時，時間是19.7分鐘。（5) 預擴散完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃（用1:1的HF溶液進行漂洗，直至硅片表面不沾水為

43、止，因為二氧化硅親水，而硅疏水），沖洗干凈。（6）將預擴散硅片用2#液清洗，沖洗干凈甩干。（7）取出再擴散石英舟，將甩干的硅片裝入石英舟，并將石英舟推到恒溫區(qū)。調節(jié)溫控器，使溫度達到再擴散溫度1200，并開始計時，前面已算出再擴散時間5.4小時。6.5發(fā)射區(qū)氧化的工藝步驟1、完成硼再擴散后，將溫度降至1200，調整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，干氧時間20.4分鐘。2、在開始干氧同時，將濕氧水壺加熱到9598。干氧完成后，開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關閉干氧流量計。濕氧時間16.2分鐘。3、濕氧完成，開干氧流量計，調整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，干氧時間20.4分鐘。4、干氧完成后

44、，開氮氣流量計，調整氮氣流量3升/分鐘，并開始降溫，降溫時間30分鐘。5、將石英舟拉出，并在凈化臺內將硅片取出，沖洗干凈，同時，檢測氧化層面狀況和厚度。6、關氧化爐，關氣體。完成后的版圖如圖8所示：圖8 完成發(fā)射區(qū)氧化后的版圖6.6第二次光刻工藝（光刻發(fā)射區(qū)）工藝步驟與光刻基區(qū)的一樣，光刻發(fā)射區(qū)時掩膜板如圖9所示：圖9 光刻發(fā)射區(qū)時掩膜板6.7發(fā)射區(qū)磷的擴散6.7.1磷擴散原理擴散是微觀粒子的一種極為普遍的熱運動形式，各種分離器件和集成電路制造中的固態(tài)擴散工藝簡稱擴散，磷擴散工藝是將一定數量的磷雜質摻入到硅片晶體中，以改變硅片原來的電學性質。磷擴散是屬于替位式擴散，采用預擴散和再擴散兩種擴散法

45、：（1）預擴散磷雜質濃度分布方程為：，D1為預擴散溫度的擴散系數。（2）再擴散（主擴散）：磷再擴散為有即源面擴散，雜質濃度分布方程為：，其中Q為擴散入硅片雜質的總量，D2為主擴散（再分布）溫度的擴散系數，雜質分布為高斯分布。6.7.2磷擴散工藝步驟（1）準備：開擴散爐，并將溫度設定倒800-950，開氮氣流量3升/分鐘。本實驗采用液態(tài)源擴散，源溫用低溫恒溫槽保持在5以內。（2）硅片清洗：清洗硅片（見清洗工藝）將清洗好的硅片甩干。（3）將清洗干凈、甩干的硅片涂上磷源。（4）從石英管中取出石英舟，將硅片裝上石英舟上，并將石英舟推到恒溫區(qū)，調節(jié)溫控器，使溫度達到預擴散溫度950，并開始計時29分鐘。

46、（5）預擴完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去磷硅玻璃，（用1:1的HF溶液進行漂洗，直至硅片表面不沾水為止，因為二氧化硅親水，而硅疏水），沖洗干凈。（6）將預擴散硅片用2#液清洗，沖洗干凈甩干。（7）取出再擴散石英舟，將甩干的硅片裝入石英舟，并將石英舟推到恒溫區(qū)，在1200再擴散6.7小時。（8）主擴散結束，調整溫控器降溫，氮氣流量不變，時間30分鐘。（9）降溫完成后，拉出石英舟，取出硅片，檢測氧化層厚度、均勻性，漂去氧化層，沖洗干凈后，檢測R0值，結深，值，擊穿電壓。用四探針法進行測量：四探針法中探針等間距配置，有恒流源供給外側兩根探針一個小電流I，在內部兩個探針之間可以測到電壓V，對于厚度

47、遠小于直徑d的薄型半導體樣品來說，電阻率可以由下式給出: 式中CF為修正因子，它與壁紙d/s有關，s為探針間距，當d/s>20時，修正因 子為4.54。（10）根據實測值和擊穿電壓，與工藝要求進行比較，如果不滿足工藝條件，重新計算再擴散時間，并制定再擴散工藝條件，至到達到設計要求。磷擴散工藝實驗結束。6.8引線孔氧化的工藝步驟（在Si表面淀積擴散阻擋層，ptSi，pd2si，CoSi2等硅化物，從而改善Al/Si的接觸。）1、開氧化爐，設定升溫程序，升溫速度不超過每分鐘5，以防止加熱電阻絲保護涂層脫落，并將溫度設定到800-950，開氧氣流量2升/分鐘。2、將清洗好的硅片裝入石英舟，然后，將石英舟推到恒溫區(qū)。并按照設定好的程序開始升溫。3、達到氧化溫度1200后，調整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，干氧時間20.4分鐘。4、在開始干氧同時，將濕氧水壺加熱到9598。干氧完成后，開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關閉干氧流量計。濕氧時間16.2分鐘。5、濕氧完成，開