硅平面NPN三极管设计与制作.doc

硅平面NPN三极管设计与管芯制作 四川大学 物理学院 微电子学 谭迁宁（第二组）摘要：本实验报告立足于微电子实验室的现有条件，根据实验要求的放大倍数与击穿电压设计出其他的工艺参数与各区的参数。然后在实验室里用抛光好的硅片经过氧化、扩散、光刻以及其他步骤制作出能够用晶体管特性仪测试的NPN管，然后利用特性仪测试各参数并理解工艺条件对三极管各个参数的影响。关键词：NPN三极管 放大倍数 击穿电压 方块电阻一、引言 电子工业在过去40年间迅速增长，这一增长一直为微电子学革命所驱动。从20世纪40年代晶体管发明开始，半导体器件工艺技术的发展经历了三个主要阶段：1950第一次生产出了实用化的合金结三极管；1955年扩散技术的采用是半导体器件制造技术的重大发展，为制造高频器件开辟了新途径；1960年由扩散、氧化、光刻组成的平面工艺的出现是半导体器件制造技术的重大变革，大幅度地提高了器件的频率、功率特性，极大地改善了器件的稳定性和可靠性。在这期间每项变革对人们的生产、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。 在过去的几十年里，双极型晶体管做为微电子产业的基石有着无以伦比的作用。虽然近年来，随着金属-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。但它在模拟电路领域仍然有着广泛的应用，发挥着不可取代的作用。在这样的大环境下，了解晶体管的功能、工艺流程及工艺参数是十分必要的，这就是本实验的目的。二、NPN三极管设计根据实验的要求，本实验设计目标为放大倍数55；击穿电压60V；样品三极管的纵向和横向结构如下：n+npEBC 图1：晶体管结构示意图器件制备工艺流程：工艺参数的设计过程：一)晶体管参数设计在实验室里，硅片的衬底电阻率为3-6CM，查表一得所对应的Nc=厘米3。设B、E区都为均匀掺杂。设： =厘米3，= 厘米3，=1.3um.采用浅基区近似,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, =55时,WB =1.12um.故设计的NPN型晶体管的各数据为:= 厘米3，=厘米3，=1.25um, Wb =1.12um。（在与设计报告中由于对的取值有偏差，严重偏小，故设计出来的Wb偏小，在实验室根本不能实现。）二）晶体管制工艺参数设计 在半导体晶圆中应用扩散工艺形成结需要两步。第一步称为预沉积，第二步称为再分布或推进氧化，两步都是在水平或者垂直的炉管中进行的. 在预沉积的过程中，要受到以下几个因素的制约：。杂质的扩散率；杂志在晶圆材料中的最大固溶度。扩散工艺及时间、温度确定和步骤如下：a) 衬底氧化 采用干氧湿氧干氧的步骤进行氧化温度T=1100 干氧10min，由半导体手册图七查得生成0.5氧化层。湿氧30min，确定干氧1100生成0.5氧化层所需时间t=1.1min后就可以确定湿氧总时间为30min+1.1min，由图OX-2查得tox=0.4。干氧10min：确定1100干氧生长0.4厚度氧化层需900min，910min所对应的几乎没有变化。所以最终生成7000埃氧化层b) 基区扩散下图5为常见杂质在硅中的扩散率，图6为常见杂质在硅中的固溶度，将在下面的计算中用到。 图5： 常见杂质在硅中的扩散率图6： 常见杂质在硅中的固溶度i. 硼预沉积设温度T=955，采用高斯分布模型查表得Cs=，=0.085解得t=0.2h。此时的D=0.037*exp(-3.46/kt),则(Dt)1/2=0.17um硼的预沉积要求硼的浓度为1018厘米3 方块电阻值的参考值为4560欧姆/,此时结深为1um。ii. 硼推进扩散（在氧气气氛中） T=1100 =2.37um =0.27 近似认为为 求得t=50min在此过程中同时产生了氧化层。 c) 发射区磷扩散 T=950，采用余误差分布模型 只采用一步预沉积扩散 =0.2 = 求得t=15min，=1.25um。三、晶体管制作过程实验室提供了8块硅片，其中5块正片，3块陪片。实验分为两组：其中一组使用实验室所提供是实验参数和条件，采用2块正片2块陪片；另一组使用我们自己设计的实验参数和实验条件进行实验，采用3块正片1块陪片。实验过程中用陪片确定方块电阻，以此来确定下一组的工艺参数和下一步继续实验的工艺参数。在最后一步磷扩中，更是分成了更多的组，每一组做出来后用I-V测试仪对各结的I-V特性进行测量，然后调整下一组的工艺参数，以满足我们的设计目标（放大倍数55, 击穿电压60-80V）。 a、清洗在制备样片和其中使用的陪片都要经过一系列的清洗过程，防止不必要的杂质进入硅片中影响结果。对硅片的清洗主要是去除表面的离子，包括酸，碱及氧化物，使用的清洗液都有一定的配比，清洗也必须遵守一定的流程。清洗硅片过程中使用的药品名称及作用见表1。名称浓度配比作用浓硫酸95%98%去除有机物和金属离子I号液H2O：H2O2：NH4OH=3：2：1去除颗粒、金属、有机物II号液H2O：H2O2：HCL =3：2：1去除金属离子去离子水清洗表1：硅片清洗主要药品名称及作用实验中的清洗过程见表2：步骤药品操作1浓硫酸煮至冒白烟后3-5分钟2热、冷去离子水清洗3浓硫酸煮至冒白烟后3-5分钟4热、冷去离子水清洗5I号液煮沸后3-4分钟6热、冷去离子水清洗7II号液煮沸后3-4分钟8热、冷去离子水清洗至水的电阻率大于5兆欧表2：硅片清洗流程在清洗过程中切记要注意安全，包括两个方面，一是要主要人身安全，实验中用到的药品比如浓硫酸等很危险，除了遵守制作步骤外，要听从实验室老师的安排，比如煮沸的浓硫酸要冷却等什么程度才能进行下一步的操作等。二是要注意实验室器具的安全，由于微电子的实验，器材很贵，做实验时又带着手套很容易拿滑，从而摔坏。b、一次氧化对清洗后的硅片进行一次氧化，在温度为1220时。采用干氧湿氧干氧的方法。大概生长7000埃的氧化层。C、一次光刻将氧化后得到的样片进行光刻，刻出硼扩基区，使用的光刻掩模如下：图7：一次光刻掩摸板光刻过程中使用得主要药品及其作用见表3。名称作用负性光刻胶抗蚀剂丁酮显影丙酮定影氢氟酸缓冲剂(HF:NH4F:H2O=3:6:10)刻蚀液表3：光刻药品及其作用光刻过程中使用的主要仪器及其作用见表4。名称作用SJT-1/300型匀胶台匀胶KXH202A恒温干燥箱前烘、坚膜对准仪套刻对准曝光机曝光水浴锅刻蚀显微镜检测光刻质量表4：光刻仪器及其作用光刻的步骤如下：涂胶：用旋转法在待光刻的Si片表面涂敷上一层光刻胶膜。条件：转速为3000转/min，时间为30s。要求：光刻胶粘附良好、均匀、厚薄适当。前烘：在恒温干燥箱中烘烤涂胶后的硅片。条件：90，11min30s。目的：促使胶SiO2膜体内溶剂充分的挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与SiO2膜的粘附性和胶膜的耐磨性。曝光：在涂好光刻胶的硅片表面覆盖掩膜版，用汞灯紫外光进行选择性的照射，使受光照部分的光刻胶发生光化学反应。条件：曝光时间1min30s10s。要求：保证对准精度和曝光时间。显影，定影：操作：用镊子夹住硅片在丁酮晃动1分钟，然后在丙酮中晃动30秒。目的：将未感光部分的光刻胶溶解，留下感光部分的胶膜。检查光刻的质量：看图形是否套准，图形边缘是否整齐，有无皱胶和胶发黑，有无浮胶，硅片表面有无划伤。坚膜：在恒温干燥箱中烘烤定影涂胶后的硅片。条件：176，18min30s。目的：使胶膜与硅片之间紧贴得更牢，增强胶膜抗蚀能力。刻蚀：用刻蚀液将无光刻胶膜覆盖的氧化层腐蚀掉，有光刻胶覆盖的区域保存下来。条件：42水浴，3-4min。d、基区硼扩散硼扩散一般分为两步扩散：预沉积和再分布扩散。两组实验温度如表5：实验室数据组（）自己设计数据组（）预扩散温度950955再分布温度11301100表5：基区硼扩散温度预沉积扩散在一定的温度下将硅片进行分组扩散，扩散的温度时间由实验要研究的温度和时间范围决定,18个片子放在石英舟上，进行烘干后放入了氧化炉中，通氮气5分钟后，扩散20分钟。扩散后用HF溶液（HF:H2O=1:10）腐蚀氧化层。样片腐蚀30s，正片15s（防止过多腐蚀一次氧化光刻后留下的氧化层，造成氧化台阶不明显）。腐蚀完毕用去离子水清洗，准备再分布使用对陪片用四探针测试方块电阻。调整电压，使测试电流大小为1mA，测试数据记录。再分布扩散及氧化将清洗后的样片进行再分布扩散的同时进行氧化，在氧气的氛围中进行，采用干氧湿氧干氧的方法，两端采用干氧主要是为了使接触面更致密以及和光刻胶的粘附性好。再分布的温度一般比预沉积高接近两百度左右。将再分布后的样片用HF溶液（HF:H2O=1:1）腐蚀样片氧化层，时间为3-4分钟用去离子水清洗硅片，然后对陪片用四探针测试方块电阻，并记录数据。e、二次光刻在硼扩散之后就形成了晶体管的基区，之后就要进行二次光刻以便进行发射区的磷扩散，基本上二次光刻与一次光刻的过程是一样的，只是二次光刻需要进行对准，并且相当重要。二次光刻的掩模如下：图9：二次光刻掩模f、发射区磷扩散两组实验磷扩温度见表6。实验室数据组（）自己设计数据组（）1060950表6：发射区磷扩温度当刻出发射区窗口后，发射区的扩散就是样品制备的最后一个过程。将清洗后的样片和陪片正面向上放置于磷源上，前后均有磷源。放入恒温区进行扩散。一般磷扩的温度不能超过再分布的温度，以防止影响硼扩散的再分布结果。由于我们组的片子较多，我们组的磷扩分为3组完成。也就是说每组磷扩的片子中都包含两片：实验室数据组片子和自己设计数据组片子。因此，测试也是分为3组来测的。3组实验温度和时间如表7。第1组第2组第3组温度（）107010701065时间（min）10510表7：3组磷扩实验条件将扩散过后的样片取出， 制备工艺分析用HF溶液（HF:H2O=1:1）腐蚀氧化层，时间为3-4分钟。腐蚀完毕用去离子水清洗。用四探针测试陪片的方块电阻，用图示仪观察样片的输出特性曲线和各结击穿特性电压，测试并记录数据。四、 实验结果及数据分析（1）、方块电阻R的测试与分析，实验中第一组为实验室数据组，第二组为自己设计数据组。硼扩预淀积方块电阻，再分布后的方快电阻硼预扩散测得的方块电阻如表8。单位为/一次二次三次平均前陪片（第一组）12.254=4912.84=51.213.654=54.612.94=51.6后陪片（第一组）13.34=53.213.24=52.812.84=51.213.14=52.4陪片（第二组）13.74=54.814.14=56.4144=5613.94=55.6表8：预方块电阻（注：修正系数为4）参考方块电阻R=40-60/，所以实验测得的方块电阻符合实验的要求。再分布测得的方块电阻如表9。单位为/一次二次三次平均前陪片（第一组）55.54=277.653.54=21454.34=217.254.34=217.2后陪片（第一组）624=24860.64=242.4614=24461.24=244.8陪片（第二组）57.44=229.658.94=235.659.24=236.858.54=234表9：再分布方快电阻（注：修正系数为4）参考方块电阻R=180-250/，所以实验测得的方块电阻符合实验的要求。由实验看出来，第二组的方块电阻比第一块的大，这是不应该的。因为第二组在其他条件不变的情况下，只是温度升高了5度，因此方块电阻应该更小才对，而不应该更大。原因可能是做完第一组后，做第二组时已经没有足够的氧化硼，在做第二次并没有先同氧气，当然第二个原因是实验室条件的限制，第二次时，虽然显示温度更高，但不一定实际温度就更高。总之数据结果不能用理论解释。第二，实验中再分布后的方块电阻明显比设计的要大，这是因为在再分布时，当时炉子可能放得不是很平导致湿氧氧化的时间控制很难（停止通氧后还是有水气），湿氧时间实际为34分钟，氧化层增厚，吸杂效应增加，即吸出了更多的硼导致再分布后方块电阻增大，但我们把后面的干氧氧化的时间缩短，因此对结深的影响应该不大，因为再分布的总时间变化不大。四探针测量原理：四探针法是测量方块电阻的最简单的方法，四探针可以排成不同的几何形状，最常见的一种是排成一条直线。在这种排列方式下，在外面的两根探针之间施加电流，并在里面两根探针之间加电压。计算测量到的电压降与所加电流之间的比值就可得到薄层电阻。最后结果还要乘上一个几何修正因子，这个因子与探针的几何排列形状以及探针间距与扩散区深度之间的比值有关。 图 8 四探针工作原理方块电阻: 在掺杂中，杂质的浓度分布不能通过比较直接的方法测得，一个比较简单的方法是通过测量扩散区的薄层电阻得到一个数值进而比较扩散入圆片的杂质量的多少，方块电阻仅仅在一个薄层内是有意义的。 （2）、Vcb击穿电压两组片子的BC结击穿特性都不理想，原因将在讨论中描述，表10将列出这些片子上的晶体管的击穿电压 击穿电压（V）特性第一组（1）100120不均匀第一组（2）8090不均匀，有分段第二组（1）100左右不均匀严重第二组（2）100120分段，不均匀第二组（3）2080不均匀严重表10：各组片上晶体管的击穿电压（3）、磷扩后晶体管特性（方块电阻，放大倍数，各个结的击穿电压）按上面的磷扩步骤把片子分为了三组，结果记录在下面的表中。原因将在讨论中描述。第一组晶体管数据记录第一组磷扩T=1070, t=10min实验室数据组自己设计数据组放大倍数100左右80100击穿电压E-C结低压击穿（8V）；B-C结分段击穿（70V）;E-B结雪崩击穿（7.5V）E-C结击穿电压较好（55V）；B-C结击穿图线读不出击穿电压；E-B结软击穿输出特性均匀性不好，厄利电压很小厄利电压还是小，输出特性曲线间隔不均匀陪片方块电阻0.9454=3.78/表11：第1组磷扩实验数据记录第二组晶体管数据记录第二组磷扩T=1070, t=5min实验室数据组自己设计数据组放大倍数410 10左右击穿电压各个结均表现出软击穿E-C低压击穿（8V）；B-C和E-B分段击穿输出特性Ic-Vce间隔不均匀，厄利电压小厄利电压要大一点，片子上个个晶体管的表现不一样，有测到Ic-Vce间隔很均匀，厄利电压也还比较大的管子陪片方块电阻没有测量表12：第2组磷扩实验数据记录第三组晶体管数据记录第三组磷扩T=1065, t=10min实验室数据组自己设计数据组放大倍数10到100不等 10到100不等击穿电压E-C结击穿电压（50V）, B-C结击穿电压(100V)E-B软击穿E-C击穿电压很小，且表现出靠背椅击穿；B-C和E-B表现为软击穿输出特性Ic-Vce间隔不均匀，厄利电压小Ic-Vce间隔不均匀，厄利电压小陪片方块电阻没有测量表13：第3组磷扩实验数据记录五、 讨论（1）对击穿电压的讨论 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表11，12，13所示也不标准，不是我们想要的硬击穿，且击穿电压也没有达到我们预计的要求，偏小，测其各结击穿特性则出现了各种击穿现象，有低压击穿，雪崩击穿，靠背椅击穿，分段击穿，软击穿，但大部分为低压击穿和软击穿，击穿电压变化很大。两种主要的击穿示意图如图10图10：实验中测到的两种主要击穿形式下面我们通过回忆实验做一个简单分析 低压击穿：低击穿是一种局部击穿，往往由材料的不均匀性和位错缺陷等造成，此外光刻图形边缘的毛刺、锯齿或划痕、扩散的合金点或杂质管道以及材料的位错缺陷等，也都可能成为低击穿的原因。在实验中由于操作时比较粗糙，很多片子都有划伤，导致低压击穿很多，而找不到我们想要的硬击穿。 软击穿：软击穿的特点是反向电流在低电压就开始逐渐增加，在曲线上找不出明显的转折点。软击穿实际上就是由反向漏电流大造成的，其形成原因也与反向漏电流大致相同。硅片的表面态、复合中心、表面沾污、表面沟道、SiO2-Si界面电荷等等均可能造成反向漏电流增大。在实验中有一组的片子掉在地上一次，从上面的表中我们也可以看到表12中片子上晶体管的各个结均表现为软击穿，表面沾污是这次实验中造成软击穿的主要原因 除此之外我们还看到了雪崩击穿和分段击穿。也简单描述一下。雪崩击穿:是在晶体管击穿中比较常见和正常的击穿现象。每一个晶体管在加的反向电压到一定值时，都会出现雪崩击穿。雪崩主要是发生在集电区，对发射区注入离子和基区的复合离子数都有影响。我们研究此击穿现象主要是想通过控制掺杂浓度，来控制它的击穿电压以达到更好的应用。用来制备出高反向电压或者低反向电压的不同种类的不同应用的晶体管。分段击穿：严格来说它是一种低压击穿。是由于材料的不均匀性和缺陷，或是表面合金点、光刻时针孔、小岛等引起。影响击穿电压的因素有一下几点：a.杂质浓度 击穿电压主要由集电区的杂质浓度决定b半导体薄层厚度c.晶体管的击穿电压还与PN结的形状，表面状况及材料结构等诸多因素有关。d.晶格缺陷、光刻过程中的缺陷、或扩散过程中的合金点，也可能引起PN结局部击穿或者时软击穿。（2）对放大倍数的讨论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的可表示为：+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。在本实验中曲线的大致形状都差不多，只是在击穿电压、放大倍数和厄利电压上有一定的差异。见表11，表12和表13。在本实验中我们能通过改变工艺参数控制的上面公式的前两项，因此放大倍数可以用下面的公式表示。由上面的三个表我们可以看出此次实验中放大倍数的主要问题为： 放大倍数较大，这是由于我们在做在分布时，湿氧时间长，氧化层厚度偏厚，造成了硼为事实上的轻掺杂，从硼的再分布后方块电阻偏大这一事实就能看出来。 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。