器件物理课程设计

1、1 .课程设计目的与任务书22 .物理参数设计32.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算32.2 集电区厚度Wc的选择62.3 基区宽度WB62.4 扩散结深102.5 芯片厚度和质量102.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择103 .工艺参数设计113.1 工艺部分杂质参数113.2 基区相关参数的计算过程113.3 发射区相关参数的计算过程133.4 氧化时间的计算144 .设计参数总结165 .工艺流程图176 .生产工艺流程197 .版图288 .心得体会299 .参考文献30广东工业大学课程设计任务书题目名称npn双极型晶体管的设计学生学院材料与能源学院专业班级微电子学专业2012级1

2、班姓名魏梁学号3112007312一、课程设计的内容设计一个均匀掺杂的npn型双极晶体管，使T=300K时，hfe=120,BVCBO=80V.晶体管工作于小注入条件下，设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。二、课程设计的要求与数据1 .了解晶体管设计的一般步骤和设计原则健康2 .根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度Ne,Nb,和Ng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，包括集电区厚度Wc,基本宽度Wb,发射区宽度We和扩散结深Xjc,发射结结深Xe等。4 .根据扩散结深Xc,发射结结深Xje

3、等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间；由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化时间。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。7 .撰写设计报告三、课程设计应完成的工作1 .材料参数设计2 .晶体管纵向结构设计3 .晶体管的横向结构设计（设计光刻基区、发射区和金属化的掩膜版图形）4 .工艺参数设计和工艺操作步骤5 .总结工艺流程和工艺参数6 .写设计报告四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1教师布置设计任务，讲解设计要求和方法教1-4032015.1.1

4、22学生熟悉设计任务，进行资料查阅和整体设计方案的制定图书馆，教1-4032015.1.133设计晶体管的材料参数图书馆，教1-4032015.1.144.设计晶体管的纵向结构参数图书馆，教1-4032015.1.155教师集中辅导，分析设计中存在的主要问题教1-4032015.1.166设计纵向结构参数，绘制光刻基区、发射区和金属化的版图教1-4032015.1.172015.1.198工艺操作步骤设计图书馆，教1-4032015.1.209教师集中辅导和检查版图和工艺操作的设计教1-4032015.1.2110写课程设计报告图书馆，教1-4032015.1.222015.1.23五、应收集

5、的资料及主要参考文献1 .半导体器件基础RobertF.Pierret著，黄如译，电子工业出版社，2004.2 .半导体物理与器件赵毅强等译，电子工业出版社，2005年.3 .硅集成电路工艺基础，关旭东编著，北京大学出版社，2005年.发出任务书日期：2015年1月12日指导教师签名：计划完成日期:主管院长签章:2015年1月24日基层教学单位责任人签章:2、物理参数设计2.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算击穿电压主要由集电区电阻率决定。因此，集电区电阻率的最小值由击穿电压决定，在满足击穿电压要求的前提下，尽量降低电阻率，并适当调整其他参量,以满足其他电学参数的要求。对于击穿电压较高的器件，在

6、接近雪崩击穿时，集电结空间电荷区已扩展至均匀掺杂的外延层。因此，当集电结上的偏置电压接近击穿电压V时，集电结可3用突变结近似，对于Si器件击穿电压为VB61013(NBC)4,由此可得集电区杂质浓度为：Nc134(6 10 )3BVcbo136 10 n.1BVceo)3由设计的要求可知C-B结的击穿电压为:BV cbo80 Vcbo根据公式，可算出集电区杂质浓度:Nc-13 4(6 1013)3BVcbo-13 4(6 1013)380_ _1536.814 10 cm 3般的晶体管各区的浓度要满足ne>>nb>n C艮据以往的经验可取NB10Nc,Ne100NB即各区的杂

7、质溶度为：153163183Nc6.81410cm,NB6.81410cm,Ne6.81410cmiqh他妍猱度（A工或A J图1室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系（器件物理P108）根据图1,得到少子迁移率:cp450900EP160根据公式可得少子的扩散系数:DCKTC0.02645011.7qDBKTB0.02690023.4qDEKTE0.0261604.16q图2掺杂浓度与电阻率的函数关系（器件物理P59）根据图2,可得到不同杂质浓度对应的电阻率:C0.71?CMB0.28?CME0.0061?CMIQTIO 4IS 1AX肆电微嚏图5-21Si中少数延通产电 r的寿命和tr散粒

8、檀，掉余浓度的关系WZTWe装捧余需或力aAim”由5-22H型Sig少栽栽藻干空穴的特命和扩趋长度与锋杂浓度的关奉根据经验，可得到各区的少子寿命C、B和EC106SB10-6SE107S根据公式得出少子的扩散长度:m C 3O 1 423546X-2.2 集电区厚度Wcfi勺选择根据公式求出集电区厚度的最小值为:1WC XmB 寸产 14_12 8.85 1011.8 80 2/ 一 / - 19. _15 1.6 106.814 10539.1 10 cm 3.91umW的最大值受串联电阻rcs的限制。增大集电区厚度会使用联电阻rcs增加,饱和压降VCe社曾大，因此W的最大值受审联电阻限制

9、。综合考虑这两方面的因素，故选择W=8pm2.3 基区宽度Wb(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丫，因此低频器件的基区宽2度最大值由丫确定。当发射效率丫=1时，电流放大系数-吟,因此基区LB122宽度的最大值可按下式估计：WBLB2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，因而设计过程中取入=4。根据公式，求得低频管的基区宽度的最大值为：L21WB.maxB28.76um由公式可看出，电流放大系数B要求愈高，则基区宽度愈窄。为提高二次击穿耐量，在满足B要求的前提下，可以将基区宽度选的宽一些，使电流在传输过程中逐渐分散开，以提高二次击穿耐性。(2)基区宽

10、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，此处BVcbo80V,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:2。N-X20SNDBV2XB,min一一一BvCBOqNANaNd1上BVcbo2 11.8 8.85 10 14_ _156.814 10i80户qNBNbNc一一19_16_16_151.6106.814106.814106.814100.373104cm0.373um在高频器件中，基区宽度的最小值往往还受工艺的限制。则由上述计算可知基区的范围为：0.373mWb8.76m

11、(3)基区宽度的具体设计与PN结二极管的分析类似，在平衡和标准工作条件下，BJT可以看成是由两个独立的PN结构成，它在平衡时的结构图如下所示：N图4平衡条件下的PNPE极管的示意图具体来说，由于NeNb,所以E-B耗尽区宽度（Web）可近视看作全部位于基区内，又由NbNc,得到大多数C-B耗尽区宽度（WCb）位于集电区内。因为C-B结轻掺杂一侧的掺杂浓度比E-B结轻掺杂一侧的浓度低,所以WCb>Web。另外注意到Wb是基区宽度，W是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于NPN晶体管，有：WbWXnEBXnCB其中XnEB和x1cB分别是位于N型区内的E-B和C-B耗尽区宽度，在BJT分析中

12、W指的就是准中性基区宽度。E-B结的内建电势为:VbiEBkT ln NENNB 0.026q n,6.81410186.8141016八八八，ln00.938V(10)2C-B结的内建电势为:kT NcNbln -2-B 0.026 qniln6.814 1015 6.814 1016(1010)20.758V根据公式，E-B结在基区一边的耗尽层宽度XnEB为:NeNb ,可以当成单边突变结处理XnEB12Ks 0 Ne2VbiEBq Nb Ne Nb2Ks o/VbiEB qNB12 11.8 8.85 10 14 0.938 万1.6 10 19 6.814 10161.34 10 5c

13、m 0.134umC-B结在基区一边的耗尽层厚度 4cb为：XnCB12F(VbiEB -Vcb) 2q Nb Nc Nb穿通时有W 0,则WbX nEB X nCB 0VCBVbiCBB,max - 八 nEB2Ks ° Nc q Nb Nc Nb0.758 1444714446.242V则Vcb|VCBO1所以有XnCB空二NVbiEB2qNbNcNb20.758211.88,8510146.81410151.610196.81410166.81410156.81410160.363105cm0.0363um对于准中性基区宽度w根据公式有:1dc2DeNbW工W4 215.42

14、10-324,8 100.0363 5.42umDbNeLe2Lb_16_44.166.814105.4210_18T423.46,814106.4510120解得W=5.25umWbWXXnC5.250.134bnebncB解得的B接近于设计的要求，符合设计指标，所以基区宽度为Wb5.42m满足条件0.373mWb8.76mo2.4 扩散结深在晶体管的电学参数中，击穿电压与结深关系最为密切，它随结深变浅，曲率半径减小而降低，因而为了提高击穿电压，要求扩散结深一些。但另一方面，结深却又受条宽限制，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：反射结结深为XjeWb

15、5.42um集电结结深为Xjc2Wb10.84um2.5 芯片厚度和质量本设计选用的是电阻率为0.7cm的N型硅，晶向是111。硅片厚度主要由集电结深、集电区厚度、衬底反扩散层厚度决定。同时扩散结深并不完全一致，在测量硅片厚度时也存在一定误差。因此在选取硅片厚度时必须留有一定的的余量。衬底厚度要选择适当，若太薄，则易碎，且不易加工；若太厚，则芯片热阻过大。因此，在工艺操作过程中，一般硅片的厚度都在300um以上，但最后要减薄到150200um硅片的质量指标主要是要求厚度均匀，电阻率符合要求，以及材料结构完整、缺陷少等。2.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择(1)横向设计进行晶体管横向设计的任

16、务，是根据晶体管主要电学参数指标的要求，选取合适的几何图形，确定图形尺寸，绘制光刻版图。晶体管的图形结构种类繁多：从电极配置上区分，有延伸电极和非延伸电极之分；从图形形状看，有圆形、梳状、网格、覆盖、菱形等不同的几何图形。众多的图形结构各有其特色。此次设计的晶体管只是普通的晶体管，对图形结构没有特别的要求，所以只是采用普通的单条形结构。三极管剖面图如图5,三极管俯视图如图6。图5:三极管剖面图图6:三极管俯视图（2）基区和发射区面积发射区面积取A1010100m2基区面积取AB3020600m2。3、工艺参数设计3.1 工艺部分杂质参数杂质元素c，2，、D°(cm/s)Ea(eV)磷

17、（P）3.853.66硼（B）0.763.46表1硅中磷和硼的D0与Ea3.2 基区相关参数的计算过程3.2.1 预扩散时间NPNa区的硼预扩散的温度取900C,即1173K单位面积杂质浓度：Q(t)(NBNC)Xjc(6.81410166.8141015)10.841048.131013cm2由上述表1可知硼在硅中有：DO0.76cm2/sEa3.46eV所以，DD0exo(反)0.76exp(346)1.021015cm2/skT8.6141051173快始触杂及在iib中的丁假票.“BrftAMahiu中的must图57一些杂质在桂1111)曲中的打微系数产"&)为慢犷

18、放杂质在III麻中的犷散系收.图5)(I.)为快/做杂质在,整丸可她行敢系数顷程度变化洞沙速温发越局，非散票*俏越-条城鱼池0''1之厂(,也岫温也I，拓；勺！上|竺惺山；，£用一I，的扩於有上图可知取CS61019cm3由公式Q（t）CsWDt,得出基区的预扩散时间:_2132,Q(t)8.13103.14t221416s23.6min4C1D4610191.0210153.2.2 氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散（1173K）的时间t=1416s来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求Xmin4.6/5不，由一些相关资料可查出硼（B）在温度900c时在SO?

19、中的扩散系数：Dso261015cm2/s0所以，xmin46DSi02t4.6.6101514161.34105cm1340A考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为6000A3.2.3 基区再扩散的时间NPN®区的硼再扩散的温度这里取1200c即1473K所以，DD0exp(且)0.76exp(3.466)1.091012cm2/skT8.614101473_122D1.0210cm/s由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故,XjC X.再扩10.84 m由再扩散结深公式:X再扩2 Dt ln CSCb而且CScbNC6.8141015cm3.Dt故可整理为:X2再扩 4Dt ln；

20、Cb . Dttlnt 2t lnCb % DX22D4 210.84 10 42 1.02 10 12即 tlnt 2t ln8.13_10136.814101513.141.021012经过化简得：tlnt17.6t97921.30解得基区再扩散的时间：t=11921.4s=3.3h3.3 发射区相关参数的计算过程3.3.1 预扩散时间NPN发射区的磷预扩散的温度这里取950C,即1223K单位面积杂质浓度：Q(t)(NbNe)Xje(6.81410166.8141018)5.421043.731015cm2由上述表1可知磷在硅中有：Do3.85cm2/sEa3.66eVEc3.66152

21、所以，DD0exo()3.85exo(5)3.1410cm/skT8.6141051223查图可知Cs81020cm315 23.73 103.14_ 2t Q (t) 4CSd5434.7s 90 min由公式Q（t）Csdt,得出发射区的预扩散时间:_202_154810203.1410153.3.2 氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散（1223K）的时间t=5434.7s来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求Xmin4.6qD；J,由一些相关资料可查出磷（P）在温度950c时在SO2中的扩散系数：DsiO22.21014cm2/s0所以，xmin4.6DSi02t4.6.2.210

22、145434.75.029105cm5029A0考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为7000A03.3.3 发射区再扩散的时间NPN®射区的磷再扩散的温度这里取1170C,即1443K,则Do exo(EakT3.85 exo(3.665)8.614 10 5 14436.28 1013cm2/s由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故,Xje X.再扩 5.42由再扩散结深公式:_ _ CsX 再扩 2 Dt ln - Cb而且Cs QSCbNB 6.814 1016cm故可整理为:X2再扩4Dt ln-Cbt ln tQ 2t ln Cb DX2再扩o2D即 tlnt 2t ln_

23、153.73_10 6.814 1016 、3.14 6.28 10 134 25.42 10 42 6.28 1013经过化简得:t lnt 21.1t 233888 00解得基区再扩散的时间：t=20978.9s=5.8h3.4氧化时间的计算3.4.1基区氧化时间0由前面得出基区氧化层厚度是6000A,可以采用干氧-湿氧-干氧的工艺0将6000A的氧化层的分配成如下的比例进行氧化工艺：干氧：湿氧：干氧=1:4:1即先干氧1000A(0.1um),再湿氧4000A(0.4um),再干氧1000A(0.1um)取干氧和湿氧的氧化温度为1200c,由图7可得出：0干氧氧化1000A的氧化层厚度需

24、要的时间为：t10.34h20.4min0湿氧氧化4000A的氧化层厚度需要的时间为：t20.27h16.2min所以，基区总的氧化时间为：t23t2220.416.257min0(104 3科 ).010制化时间(小时)(a)100.0± 4 J lD.n o图7氧化时间与氧化厚度的关系图3.4.2发射区氧化时间0由前面得出发射区氧化层厚度是7000A,可以采用干氧-湿氧-干氧的工0艺，将7000A的氧化层的分配成如下的比例进行氧化工艺：干氧：湿氧：干氧=1:5:1即先干氧1000A(0.1um),再湿氧5000A(0.5um),再干氧1000A(0.1um)取干氧和湿氧的氧化温度

25、为1200C,由图7可得出：0干氧氧化1000A的氧化层厚度需要的时间为：t10.34h20.4min0湿氧氧化5000A的氧化层厚度需要的时间为：t20.4h24min所以，发射区总白氧化时间为：t23t2220.42464.8min4、设计参数总结相关参数集电区C基区B发射区E各区杂质浓度Nxcm36.81410156.81410166.8141018少子迁移率Xcm2/Vs450900160少子扩散系数Dxcm2/s11.723.44.16电阻率X?cm0.70.160.007少子寿命xs106106107扩散长度LXcm3.421034.81036.45104结深/W(m)XjC10.

26、84mWR5.42mBXje5.42m面积(m2)1200600100扩散温度(C)和预扩散/900C,23.6min950c,90min再扩散/1200c,3.3h1170c,5.8h时间0氧化层厚度（A）/60007000氧化时间/先干氧氧化20.4分钟，后湿氧氧化16.2分钟，再干氧氧化20.4分钟，共氧化57分钟。先干氧氧化20.4分钟，后湿氧氧化24分钟，再干氧氧化20.4分钟，共氧化64.8分钟表2设计参数总表5、工艺流程图<111直 向,例的I号洗液清洗1.硅片清洗c 0-7cm 的 n 型NPNft体管生产总的工艺流程图如下：硅片，用NH4OH:H2O2:H20=1:1:

27、6比2.氧化氧化一层氧化膜做为掩蔽膜。3.光刻基区在掩膜版上光刻一个基区窗口，面积为2AB3020600m24.硼预扩散SQ2 b 掺杂 SiO25.去膜氧化将预扩散中掺入杂质的氧化层通过 清洗工艺去除6.硼再扩散与发 射区氧化SiO2再扩散温度：1200c再扩散时间：3.3h基区结深：10.84um氧化一层氧化膜作为掩蔽膜杂质浓度为6.8141016cm预扩散温度：900c预扩散时间：23.6min7.光刻发射区紫外践N-Si8.磷预扩散P掺杂在掩膜版上光刻一个发射区窗口，2面积为：Ae1010100m杂质浓度：6.8141018cm预扩散温度：950预扩散时间：67.7min9.去氧化层将

28、预扩散中掺入杂质的氧化层通过清洗工艺去除10.磷再扩散再扩散温度：1170c再扩散时间：5.8h发射区结深：5.42um11.沉积保护层保护晶体管各区杂质浓度不变12.光刻接触孔13.金属化用晶体管测试仪测试相关参数，验证参数的正确性6.1硅片清洗1.清洗原理：a.表面活性剂的增溶作用：表面活性剂浓度大于临界胶束浓度时会在水溶液中形成胶束，能使不溶或微溶于水的有机物的溶解度显著增大。b.表面活性剂的润湿作用：固-气界面消失，形成固-液界面c.起渗透作用；利用表面活性剂的润湿性降低溶液的表面张力后，再由渗透剂的渗透作用将颗粒托起，包裹起来。具有极强渗透力的活性剂分子可深入硅片表面与吸附物之间，起

29、劈开的作用，活性剂分子将颗粒托起并吸附于硅片表面上,降低表面能。颗粒周围也吸附一层活性剂分子，防止颗粒再沉积。通过对污染物进行化学腐蚀、物理渗透和机械作用，达到清洗硅片的目的。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。常用硅片清洗液有：名称配方使用条件作用I号洗液NHOH:HQ:H2。=1:1:51:2:780±5c10min去油脂去光刻胶残膜去金属离子去金属原子II号洗液HCl:H2O:H2O=1:1:61:2:880±5c10min去金属离子去金属原子田号洗液HSOMQ=3:1120±10C1015min去油、去腊去金属离子去金

30、属原子6.2氧化工艺6.2.1 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、神等）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。制备二氧化硅的方法很多，但热氧化制备的二氧化硅掩蔽能力最强，是集成电路工艺最重要的工艺之一。由于热生长制造工艺设备简单，操作方便，SiO2膜较致密，所以采用热氧化二氧化硅制备工艺。热生长的方法是将硅片放入高温炉内，在氧气氛中使硅片表面在氧

31、化物质作用下生长SiO2薄层，氧化气氛可为水汽，湿氧或干氧。实验表明，水汽氧化法：生长速率最快，但生成的SiO2层结构疏松，表面有斑点和缺陷，含水量多，对杂质特别是磷的掩蔽以力较差，所以在器件生产上都不采用水汽氧化法。（1）干氧法:生长速率最慢，但生成的SiO2膜结构致密，干燥，均匀性和重复性好，掩蔽能力强，钝化效果好，SiO2膜表面与光刻胶接触良好，光刻时不易浮胶。（ 2） 湿氧法:生长速率介于前两者之间，生长速率可通过炉温或水浴温度进行调整。使用灵活性大，湿氧法生长的SiO2膜，虽然致密性略差于干氧法生长的SiO2膜，但其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件生产的要求，较突出的弱点是SiO2

32、表面与光刻胶接触不良，光刻时容易产生浮胶。生产中采用取长补短的方法，充分利用湿氧和干氧的优点，采用干氧湿氧干氧交替的方法。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

33、用干氧-湿氧干氧工艺制备。6.2.2氧化工艺步骤（ 1）开氧化炉，设定升温程序，升温速度不超过每分钟5，以防止加热丝保护涂层脱落，并将温度设定倒750-850，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，将石英舟推倒恒温区。并开始升温；（ 3）达到氧化温度后，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，确定干氧时间。氧化时间为20.4min。在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到95-98。干氧完成后，立即开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计，开始计时，其中基区扩散需要湿氧氧化时间为为24min,到达时间后关闭湿氧流量计;16.2min,发射区扩散需要湿氧氧化时间

34、(4)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，确定干氧时间为20.4min,到达时间后关闭湿氧流量计；(5)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；(6)将石英舟拉出，并在净化台内将硅片取出，同时，检测氧化层表面状况和厚度；(7)关氧化炉，关气体。6.2.3测量氧化层厚度测量厚度的方法很多，有双光干涉法、电容一压电法、椭圆偏振光法、腐蚀法和比色法等。在精度不高时，可用比色法来简单判断厚度。比色法是利用不同厚度的氧化膜在白光垂直照射下会呈现出不同颜色的干涉条纹，从而大致判断氧化层的厚度，测量时先用HF腐蚀表层，然后用去离子水冲洗干净，最

35、后将硅片上的颜色和条纹与下表数值对比，读出氧化层厚度。颜色氧化膜厚度(埃)第一周期氧化膜厚度(埃)第二周期氧化膜厚度(埃)第三周期氧化膜厚度(埃)第四周期灰100黄褐300蓝800紫1000275046506500深蓝1500300049006800绿1850330056007200黄2100370056007500橙225040006000红2500435062506.3光刻工艺6.3.1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。集成电路对光刻的基本要求有如下几个方

36、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3umi而由500万元件组成的集成电路，具图形最小条宽为1.5-2um,百万以上元件组成的集成电路，具图形最小条宽01um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，代表集成电路发展的水平。（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。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量少，否则，就无法制造集成电路。精密的

37、套刻对准：集成电路的图形结构需要多此光刻完成，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去掉。由此完成图形复制。本次采用正光刻胶。6.3.2工艺步骤1. 准备：A) 开前烘，坚膜烘箱，前烘温度设定95，坚

38、膜温度为120。B) 涂胶前15分钟开启图胶净化台，调整转速，慢速转速为960r/min，时间55, 5s后调整快转速为3960r/min,时间25s。以满足生产要求。C) 光刻前30分钟，开启光刻机汞灯。D) 开启腐蚀恒温槽，温度设定40E) 清洗胶瓶和吸管，并倒好光刻胶。F) 清洗掩膜版(基区光刻掩膜版)，并在净化台下吹干2. 涂胶：光刻工艺采用旋转涂胶法，涂胶前设定好予匀转速和时间，甩干速度和时间。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. 前烘将涂好光刻胶的硅片放入前烘烘箱，并计时，前烘95，15min完成后将硅片取出，4. 对准

39、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、检查曝光时间为25s,确认无误后，进行曝光。6. 显影此采用浸泡显影，分别在1#显影液，2#显影液0.5%NaOK3-5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2min,温度130。8. 腐蚀将坚膜好的硅片准备腐蚀，首先确认氧化层厚度，其中基区氧化层厚度为6000A,发射区氧化层厚度为7000A,计算腐蚀时间。然后用HF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净，若未腐蚀干净继续腐蚀

40、。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。6.4磷扩散工艺（基区扩散）6.4.1 工艺原理（1）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，磷扩散工艺是将一定数量的磷杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片原来的电学性质。磷扩散是属于替位式扩散，采用预扩散和再扩散两步扩散法，（2）预扩散磷杂质浓度分布方程为：N（x,t）Nserfc（x2Dt）表示恒定表面浓度（杂质在预扩散温度的固溶度），D为预扩散温度的扩散系数，x表示由表面算起的垂直距离（cmj），他为扩散时间。此分布为余误差分布。（3）再扩散（主扩散）磷再扩散为有限

41、表面源扩散，杂质浓度分布方程为：2x、Qexp()N(x,t).D2t4D2t其中Q为扩散入硅片杂质总量:Q°N（x,t）dtD2为主扩散（再分布）温度的扩散系数。杂质分布为高斯分别。6.4.2 工艺步骤（基区）1 .准备：开扩散炉，并将温度设定倒700-750C,开氮气流量3升/分钟。本实验采用液态源扩散（BBa）,源温用低温恒温槽保持在5c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 .将从石英管中取出石英舟，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。4 .调节温控器，使温度达到预，硼预扩散温度900C,时间为23.6min.5 .干氧完成后，开氮气流量计，

42、按工艺条件调节氮气氧气比例，然后，开通源阀,使通源流量达到工艺要求，并开始计时6 .通源完成后，关闭通源流量计，保持氮气、氧气流量进行吹气，吹气完成后，调整氮气流量3升/分钟，关闭氧气流量计，同时调整扩散炉温控器，进行降温30分钟。之后，拉出石英舟，取出硅片，漂去磷硅玻璃，冲洗干净后，检测R值用四探针法进行测量。7 .将预扩散硅片用2#液清洗，冲洗干净甩干。8 .取出再扩散石英舟，将甩干的硅片装入石英舟，并将石英舟推到恒温区。9 .调节温控器，使温度达到再扩散温度1200C,时间3.3h。调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，根据工艺条件进行干氧11分钟。10 .在开始干氧同时，将湿氧水壶加热到

43、95-98Co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。根据工艺条件进行湿氧36分钟。11 .湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并根据工艺条件确定干氧时间为11分钟。12 .干氧完成后，开氮气流量计，流量3升/分钟，根据工艺条件，确定氮气时间328分钟。13 .氮气完成后，主扩散结束，调整温控器降温，氮气流量不变，时间30分钟。14 .降温完成后，拉出石英舟，取出硅片。6.5磷扩散工艺(发射区扩散)6.5.1 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个扩散完成。(1)预扩散硼杂质浓度分布方程为：N(x,t)Nserfc(.x2Dt)表示恒定表面浓度(杂质在预扩散温度的固溶度)，D为预扩散温度的扩散系数，x表示由表面算起的垂直距离(cm),他为扩散时间。此分布为余误差分布。(2)再扩散(主扩散)硼再扩散为有限表