课程设计-微电子器件与工艺课程设计报告

1、目 录1.设计任务及目标.12.课程设计的基本内容.12.1 pnp双极型晶体管的设计.12.2 设计的主要内容.13.晶体管工艺参数设计.23.1 晶体管的纵向结构参数设计.23.1.1 集电区杂质浓度的确定.23.1.2 基区及发射区杂质浓度.33.1.3 各区少子迁移率及扩散系数的确定.33.1.4 各区少子扩散长度的计算.43.1.5 集电区厚度的选择.43.1.6 基区宽度的计算.43.1.7 扩散结深.6 3.1.8 表面杂质浓度.73.2晶体管的横向设计.83.3工艺参数的计算.83.3.1 基区磷预扩时间 .83.3.2基区磷再扩散时间计算.83.3.3 发射区硼预扩时间计算.

2、93.3.4 发射区硼再扩散时间计算.93.3.5 基区磷扩散需要的氧化层厚度.103.3.6 发射区硼扩散需要的氧化层厚度113.3.7 氧化时间的计算11 3.3.8设计参数总结.124晶体管制造工艺流程.134.1硅片及清洗.154.2氧化工艺.164.3光刻工艺.174.3.1光刻原理.174.3.2具体工艺流程.184.3.3硼的扩散.194.3.4磷的扩散.205 版图.206总结.237参考文献.2323微电子器件与工艺课程设计报告pnp双极型晶体管的设计1、课程设计目的与任务微电子器件与工艺课程设计是继微电子器件物理、微电子器件工艺和半导体物理理论课之后开出的有关微电子器件和工

3、艺知识的综合应用的课程，使我们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设计方法。要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完成晶体管的纵向结构参数设计晶体管的图形结构设计材料参数的选取和设计制定实施工艺方案晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练，为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。 2、课程设计的基本内容2.1 pnp双极型晶体管的设计设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使t=300k时，=120。vceo=15v,vcbo=80v.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流

4、为ic=5ma。设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。2.2 设计的主要内容：（1）了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。（2）根据设计指标选取材料，确定材料参数，如发射区掺杂浓度ne,，基区掺杂浓度nb，集电区掺杂浓度nc，根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命等。（3）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，如集电区厚度wc，基区宽度wb，发射极宽度we和扩散结深xjc，发射结结深等。（4）根据结深确定氧化层的厚度，氧化温度和氧化时间；杂质预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间。（5）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、发射区和金属接触孔

5、的光刻版图。 （6）根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。3晶体管工艺参数设计3.1 晶体管的纵向结构参数设计双极晶体管是由发射结和集电结两个pn结组成的，晶体管的纵向结构就是指在垂直于两个pn结面上的结构。因此，纵向结构设计的任务有两个：首先是选取纵向尺寸，即决定衬底厚度、集电区厚度、 基区厚度、 扩散结深和等；其次是确定纵向杂质浓度和杂质分布，即确定集电区杂质浓度、 衬底杂质浓度、 表面浓度,以及基区杂质浓度分布等，并将上述参数转换成生产中的工艺控制参数。3.1.1 集电区杂质浓度的确定根据击穿电压与浓度的关系图来读出bvcbo=80v时的nc，如图1图1 击穿电压与杂质浓度的关系从图

6、1中可以读出，当bvcbo=80v时，集电区杂质浓度nc=51015cm-3，对应的电阻率为1.2*cm,所以选用（111）晶向的p型硅。3.1.2 基区及发射区杂质浓度一般的晶体管各区的浓度要满足nenbnc，故（1）基区杂质浓度取nb51016cm3 。（2）发射杂质浓度取ne51018cm3 。3.1.3 各区少子迁移率及扩散系数的确定（1）少子迁移率少子的迁移率可以通过迁移率与杂质浓度的关系图查出来。此关系图如下图2所示。图2 迁移率与杂质浓度的关系图通过图2可以查出在300k时，集电区、基区和发射区各自的少子的迁移率如下。c区： uc= 1298cm 2/v.s；b区： ub =37

7、8 cm 2 /v.s；e区： ue=130 cm 2/v.s；（2）各区少子扩散系数的计算根据爱因斯坦关系式可以求出各区少子的扩散系数c区：；b区：；e区：；3.1.4 各区少子扩散长度的计算由，其中少子寿命 ，； 3.1.5 集电区厚度的选择（1）集电区厚度的最小值集电区厚度的最小值由击穿电压决定。通常为了满足击穿电压的要求，集电区厚度wc必须大于击穿电压时的耗尽层宽度，即 (是集电区临界击穿时的耗尽层宽度）。对于高压器件，在击穿电压附近，集电结可用突变结耗尽层近似，因而（2）集电区厚度的最大值的最大值受串联电阻的限制。增大集电区厚度会使串联电阻增加，饱和压降增大，因此的最大值受串联电阻限

8、制。考虑到实际情况最终确定。3.1.6 基区宽度的计算（1）基区宽度的最大值对于低频管，与基区宽度有关的主要电学参数是b，因此低频器件的基区宽度最大值由b确定。当发射效率g1时，电流放大系数，因此基区宽度的最大值可按下式估计： 为了使器件进入大电流状态时，电流放大系数仍能满足要求，因而设计过程中取l=4。将数据代入上式中得：所以基区宽度的最大值为5.7um。（2）基区宽度的最小值为了保证器件正常工作，在正常工作电压下基区绝对不能穿通。因此，对于高耐压器件，基区宽度的最小值由基区穿通电压决定。对于均匀基区晶体管，当集电结电压接近雪崩击穿时，基区一侧的耗尽层宽度为 所以基区宽度的取值范围为：0.4

9、36umwbxj时，发射结变为旋转椭圆面旋转椭圆面，如图3所示。发射结集电结两个旋转椭圆面之间的基区体积大于平面结之间的基区体积，因而基区积累电荷增多，基区渡越时间增长。按照旋转椭圆的关系，可以解出当se与xj接近时，有效特征频率为 式中 ，因此，愈大，有效特征频率愈低。图3也明显表明，越大，则基区积累电荷比平面结时增加越多。由于基区积累电荷增加，基区渡越时间增长，有效特征频率就下降，因此，通常选取， 则：xjewb4um， 则：xjc2wb8um 图 3 发射极条宽对结面形状的影响3.1.8 表面杂质浓度结构尺寸选定的情况下，发射区和基区表面杂志浓度及其杂志分布的情况主要影响晶体管的发射效率

10、和基区电阻。减小基区电阻要求提高基区平均杂质浓度和表面浓度。同时，提高基区平均杂质浓度，也有利于减小基区宽变效应和基区电导调制效应。提高发射效率则要求减小，增大发射区和基区浓度差别。为了保证在大电流下，晶体管仍具有较高的发射效率，要求发射区和基区表面浓度相差两个数量级以上，即。在这个晶体管设计中取=1019 cm-3左右，则=1021 cm-3。3.2晶体管的横向设计无特别要求，取有效的，。在这个pnp双极晶体管的设计中，衬底选取p型硅衬底，晶向为（111）晶向。3.3工艺参数的计算3.3.1 基区磷预扩时间 首先先列出表1，是计算扩散系数时所需要用到的数据，如下表一所示。杂质元素bpd0/（

11、cm2/s）0.763.85e/ev3.463.66表1：硼、磷元素在硅中的d0与激活能e注：适用温度范围（oc）为:8001350 基区磷的预扩温度为1000 ，即1273k。扩散系数： 通过单位表面积扩散到硅片内部的杂质数量： 根据公式可解得在特定温度下扩散的时间：3.3.2基区磷再扩散时间计算 基区磷的预扩温度为1300 ，即1573k。硅衬底中原有杂质的浓度：磷在硅中的扩散系数为：由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故再扩散结深：（2）又所以代入（2）式可得 化简得解得基区磷主扩时间为：t=7166s=2h3.3.3 发射区硼预扩时间计算发射区硼预扩散温度为1000，即1273k硼在硅中

12、的扩散系数为：发射区进行扩散时的总的杂质数量：发射区表面杂质浓度：根据公式可解得在特定温度下扩散的时间：3.3.4 发射区硼再扩散时间计算发射区硼再扩散温度为1200，即1473k在1473k时，硼在硅中的扩散系数为：由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故再扩散结深： 化简上式可得：解得发射区硼再扩散时间：t=6571s=1.83h3.3.5 基区磷扩散需要的氧化层厚度杂质元素磷（p）1.75硼（b）3.50表2：二氧化硅中磷和硼的与氧化层厚度的最小值由发射区主扩温度为1000，预扩时间为209s,磷元素在硅中的do与激活能e 为了便于后续的氧化时间的计算及湿法干法的分配，最终取基区磷扩散需要的

13、氧化层厚度为。3.3.6 发射区硼扩散需要的氧化层厚度氧化层厚度的最小值由发射区主扩温度为1100，预扩时间为1233s 由于最小氧化层厚度小于，考虑到生产的实际情况，最终取发射区硼扩散需要的氧化层厚度为。3.3.7 氧化时间的计算a()b()b/a()干氧0.094.56湿氧(95水汽)0.110表3 1100的干氧和湿氧的氧化速率常数a()b()b/a()干氧0.041.62湿氧(95水汽)0.050表4 1200的干氧和湿氧的氧化速率常数（1）基区氧化时间的计算以上已经计算出基区磷扩散需要的氧化层厚度为。根据合适的氧化时间，将分配：先干氧500，然后湿氧5000，最后再干氧500干氧氧化

14、：解得t=11min湿氧氧化：解得t=36min（2）发射区氧化时间计算以上已经计算出发射区硼扩散需要的氧化层厚度为。根据合适的氧化时间，将分配：先干氧1000，然后湿氧5000，最后再干氧1000干氧氧化：解得t=17min湿氧氧化：解得t=22.9min3.3.8设计参数总结整个pnp双极晶体管设计的相关参数通过表5总结如下。参数发射区（e）基区（b）集电区（c）材料参数结构参数面积ae=30um2ab=100um2ac=500um2扩散温度和时间(s)预扩散t=10000c3.5mint=10000c20.5min再扩散t=12000c1.83ht=13000c2h氧化层厚度氧化时间干氧

15、氧化11min湿氧氧化36min干氧氧化11min干氧氧化34min湿氧氧化22.9min干氧氧化34min表5 pnp设计参数4晶体管制造工艺流程a.硅片选用和清洗电阻率为1.2*cm,（111）晶向的p型硅。 b.氧化基区厚度7000，干氧氧化34min湿氧氧化22.9min干氧氧化34minc.光刻基区涂胶，前烘，使用接触式曝光机曝光，显影，坚膜，显影检验，刻蚀，去胶d.基区扩散（p）预扩散：1000，20.5分钟主扩散：1300，2小时e.去氧化层由于hf可以在室温下与二氧化硅反应而不会与硅反应，所以使用hf去氧化层f.氧化发射区厚度6000干氧氧化11min湿干氧氧化11min氧氧化

16、36ming.发射区光刻涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，显影检验，刻蚀，去胶h.发射区扩散(b)预扩散：1000，3.5min主扩散：1200，1.83hi.去氧化膜使用hf去除氧化膜j.涂光刻胶使用加速旋转托盘，转速提升得越快，越均匀k.光刻引线孔l.镀金属引线孔m.去光刻胶最后进行性能检测4.1硅片及清洗在晶体管和集成电路生产中，几乎每道工艺有化学清洗的问题.化学清洗的好坏对器件性能有严重的影响，处理不当，可使全部硅片报废，无法做出管芯，或使制造出来的器件性能低劣，稳定性和可靠性很差。化学清洗是指清除吸附在半导体，金属材料以及生产用具表面上的各种有害杂质或油污的工艺。清洗方法是利用各种化学试

17、剂与吸附在被清洗物体表面上的杂质及油污发生化学反应和溶解作用，或伴以超声，加热，抽真空等物理措施，使杂质从被清洗物体的表面脱附，然后用大量的高纯热，冷去离子水冲洗，从而获得洁净的物体表面。化学清洗主要包括三个方面的清洗。一是硅片表面的清洗；二是生产过程中使用的金属材料的清洗；三是生产用的工具，器皿的清洗。硅片清洗的一般程序：吸附在硅片表面的杂质大体上可分为分子型，离子型和原子型三种，分子型杂质粒子与硅片表面之间的吸附较弱，清除这些杂质粒子比较容易.它们多属油脂类杂质，具有疏水性的特点，这种杂质的存在，对于清除离子型和原子型杂质具有掩蔽作用，因此在对硅片清洗时首先要把它们清除，离子型和原子型吸附

18、的杂质属于化学吸附杂质，其吸附力都较强，因此在化学清洗时，一般都采用酸，碱溶液或碱性双氧水先清除离子型吸附杂质，然后用王水或酸性双氧水再来清除残存的离子型杂质用原子型杂质，最后用高纯去离子水将硅片冲洗干净，再加温烘干就可得到洁净表面的硅片。工艺程序：去分子-去离子-去原子-去离子水冲洗、烘干。硅片清洗液是指能够除去硅片表面沾污物的化学试剂或几种化学试剂配制的混合液。常用硅片清洗液如表6所示：表6：清洗液名称配方使用条件作用号洗液nh4oh:h2o2:h2o=1:1:51:2:780510min去油脂去光刻胶残膜去金属离子去金属原子号洗液hcl:h2o2:h2o=1:1:61:2:880510m

19、in去金属离子去金属原子号洗液h2so4:h2o2=3:1120101015min去油去腊去金属离子去金属原子4.2氧化工艺 （一）氧化原理二氧化硅能够紧紧地依附在硅衬底表面，具有极稳定的化学性和电绝缘性，因此，二氧化硅可以用来作为器件的保护层和钝化层，以及电性能的隔离、绝缘材料和电容器的介质膜。二氧化硅的另一个重要性质，对某些杂质（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用，从而可以选择扩散；正是利用这一性质，并结合光刻和扩散工艺，才发展起来平面工艺和超大规模集成电路。根据迪尔和格罗夫模型，热氧化过程须经历如下过程：（1）氧化剂从气体内部以扩散形式穿过滞流层运动到sio2-气体界面，其流密度用f1表示，流

20、密度定义为单位时间通过单位面积的粒子数。（2）氧化剂以扩散方式穿过sio2层（忽略漂移的影响），到过sio2-si界面，其流密度用f2表示。（3）氧化剂在si表面与si反应生成sio2，流密度用f3表示。（4）反应的副产物离开界面。氧化的致密性和氧化层厚度与氧化气氛（氧气、水气）、温度和气压有密切关系。应用于集成电路掩蔽的热氧化工艺一般采用干氧湿氧干氧工艺制备。（二）基区氧化的工艺步骤1、开氧化炉，并将温度设定到750850，开氧气流量2升/分钟。2、打开净化台，将清洗好的硅片装入石英舟，然后，将石英舟推到恒温区。并开始升温。3、达到氧化温度1100后，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，干氧

21、时间20分钟。4、在开始干氧同时，将湿氧水壶加热到9598。干氧完成后，开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。湿氧时间25分钟。5、湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，干氧时间20分钟。6、干氧完成后，开氮气流量计，调整氮气流量3升/分钟，并开始降温，降温时间30分钟。7、将石英舟拉出，并在净化台内将硅片取出，同时，检测氧化层面状况和厚度。8、关氧化炉，关气体。4.3光刻工艺4.3.1光刻原理光刻工艺是加工制造集成电路微图形结构的关键工艺技术，起源于印刷技术中的照相制版，是在一个平面（硅片）上，加工形成微图形。光刻工艺包括涂胶、曝光、显影、腐蚀等工序。集成电

22、路对光刻的基本要求有如下几个方面：1、高分辨率：一个由10万元件组成的集成电路，其图形最小条宽约为3m，而由500万元件组成的集成电路，其图形最小条宽1m，因此，集成度提高则要求条宽越细，也就要求光刻技术的图形分辨率越高。条宽是光刻水平的标志，代表集成电路发展水平。2、高灵敏度：灵敏度是指光刻机的感光速度，集成电路要求产量要大，因此，曝光时间应短，这就要求光刻胶的灵敏度要高。3、低缺陷：如果一个集成电路芯片上出现一个缺陷，则整个芯片将失效，集成电路制造过程包含几十道工序，其中光刻工序就有10多次，因此，要求光刻工艺缺陷尽是少，否则，就无法制造集成电路。4、精密的套刻对准：集成电路的图形结构需要

23、多次光刻完成，每次曝光都需要相互套准，因此集成电路对光刻套准要求非常高，其误差允许为最小条宽的10%左右。集成电路所用的光刻胶有正胶和负胶两种：正性光刻胶通常由碱溶性酚醛树脂、光敏阻溶剂及溶剂等组成，光敏剂可使光刻胶在显影液中溶解度减小，但曝光将使光敏阻溶剂分解，使光刻胶溶解度大增加而被显掉，未曝光部分由于溶解度小而留下，负性光刻胶和正性光刻胶相反，负性光刻胶在曝光前能溶于显影液，曝光后，由于光化反应交链成难溶大分子而留下，未曝光部分溶于显影液而显掉。由此完成图形复制。可在衬底表面得到与光刻掩膜版遮光图案相反的保护胶层。本课程设计采用正光刻胶，正光刻胶通常由碱溶性酚醛树脂、光敏阻溶剂及溶剂等组

24、成，光敏剂可使光刻胶在显影液中溶解度减小，但曝光将使光敏阻溶剂分解，使光刻胶溶解度大大增加而被显掉，未曝光部分由于溶解度小而留下。其4.3.2具体工艺流程如下1 准备：开前烘，坚膜烘箱，前烘温度设定95-110，坚膜温度为135-145。涂胶前15分钟开启图胶净化台，调整转速，以满足实验要求。光刻前30分钟，开启光刻机汞灯。开启腐蚀恒温槽，温度设定40清洗胶瓶和吸管，并倒好光刻胶。清洗掩膜版，并在净化台下吹干2 涂胶：光刻工艺实验采用旋转涂胶法，涂胶前设定好予匀转速和时间。将氧化完成或扩散完成的硅片放在涂胶头上，滴上光刻胶进行涂胶，要求胶面均匀、无缺陷、无未涂区域。3 前烘：温度在95将涂好光

25、刻胶的硅片放入前烘烘箱，并计时，前烘完成后将硅片取出。4 对准：将掩膜版上在光刻机上，并进行图形套准。5 曝光：将套准后的硅片顶紧，检查套准误差、检查曝光时间，确认无误后，在进行曝光。6 显影：本实验采用浸泡显影，25时，分别在1#显影液，2#显影液显3-5分钟，然后在定影液定影3-5分钟，之后在甩干机中甩干，在显微镜下检查是否合格，否则，返工。7 坚膜：在显影检查合格后将硅片放入坚膜烘箱进行坚膜，设定坚膜时间，坚膜温度为140。8 腐蚀：将坚膜好的硅片准备腐蚀，首先确认氧化层厚度，计算腐蚀时间。然后进行腐蚀，温度是40左右，用氢氟酸进行腐蚀，腐蚀后冲水10分钟，甩干后在显微镜下检查是否腐蚀干

26、净，若未腐蚀干净继续腐蚀。9 去胶：硅片腐蚀完成后，在3#液中将光刻胶去掉，并冲洗干净，工艺结束。4.3.3 硼的扩散（一）原理扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式，各种分离器件和集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散，硼扩散工艺是将一定数量的硼杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片原来的电学性质。硼扩散是属于替位式扩散，采用预扩散和再扩散两种扩散法：（1）预扩散磷杂质浓度分布方程为：，d1为预扩散温度的扩散系数。 （2）再扩散（主扩散）：硼再扩散为有即源面扩散，杂质浓度分布方程为：，其中q为扩散入硅片杂质的总量，d2为主扩散（再分布）温度的扩散系数，杂质分布为高斯分布。（二）工艺步骤：1、准备：开扩散炉，并将温度设定倒750-850，开氮气流量3升/分钟。本实验采用液态源扩散，源温用低温恒温槽保持在5以内。2、硅片清洗：清洗硅片（见清洗工艺）将清洗好的硅片甩干。3、将清洗干净、甩干的硅片涂上硼源。4、从石英管中取出石英舟，将硅片装上石英舟上，并将石英舟推到恒温区，调节温控器，使温度达到预扩散温度1120，并开始计时。5、预扩完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃，冲洗干净后，检测r0值。6、将预扩