PNP双极型晶体管课程设计

1、pnp双极型晶体管课程设计学生姓名馥语甄心目录1. 设 计 任 务 及 目标P12. 概 述一 发 展 现状P13. 设计思路P24. 各材料参数和结构参数的设计P2原材料的选择P2各 区 掺杂浓 度和相关参数 的 计算P4集 电 区 厚 度 Wc 的 选 择.P5基 区 宽 度WB的 选择P7扩散结深及发射区面积、基区面积的确 定P75. 工艺参数设计P8硅 片 氧 化 相 关 参 数 基区扩散相关参数 发 射 区 扩 散 相 关 参 数.P106. 刻画掩模板P12基区掩模板 a1发射区掩模板P12金属引线掩模板P13设计参数总结P147. 工艺步骤P14清 洗P15氧化工艺 a1光刻工艺

2、P17磷扩散工艺P18硼扩散工艺P19B、的测量P208 .工艺总流程P219 .体会与心得P241 .设计任务及目标设计一个均匀掺杂的pn p型硅双极晶体管，满足T=300K时，基区掺杂浓度为Nb曰。%!)：' 共发射极电流增益=80。BVc卡60Y,设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响，假设经验 参数为年n=3)1. 了解晶体管设计的一般步骤和设计原则2 .根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度2,凡,和,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，包括集电区厚度基本宽度麻， 发射区宽度

3、We和扩散结深X",发射结结深心等。4 .根据扩散结深X",发射结结深X*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8 .概述一发展现状微电子器件与集成电路工艺课是电子材料及元器件专业本科教学中的重要教学实践 环节。目的是帮助学生理解课堂上学到的基本原理和知识，了解并掌握集成电路制造的基本 方法，提高实际动手能力，以适应社会的要求。集成电路工艺

4、基础课程讲述了集成电路制造的基本工艺：扩散、离子注入、氧化、光刻、刻 蚀、外延、化学气相沉积、金属化和钝化等。集成电路工艺课程设计主要包含了四个方 面：氧化工艺、光刻工艺、硼扩散工艺和磷扩散工艺，将以上四个工艺按集成电路制造工艺 流程结合起来，制造出一个集成电路最重要的单元一一双极晶体管并进行击穿特性测试、双 极晶体管直流放大特性测试、在集成电路工艺中，最早得到广泛应用的一种双极型工艺技术就是所谓的三重扩散方 法，由于其成本低、工艺简单以及成品率高等优点，这种技术在今天在某些应用领域中仍在 继续使用。在基本的三重扩散工艺技术基础上所做的改进之一就是增加一个集电区埋层，即 位于集电区下而的一个重

5、掺杂的扩散区，它可以使集电区的串联电阻大大减小。不同的制造 工艺会产生不同的发射极寄生电容、发射极击穿电压及基区接触电阻等。较为先进的双极型 器件工艺则利用自对准多晶硅结构形成器件发射区和基区的欧姆接触，而金属和多晶硅的接 触可以在较厚的场氧化层上制备完成，这样就使器件的结面积大大缩小。此外，利用多晶硅 形成发射区欧姆接触，还可以使器件的本征电流增益有所增大。9 .设计思路确定基区宽度2.晶体管的纵向设计确定基区、发 射区、集电区 的杂质浓度确定各区的少子 专命，犷敌系数, 扩散长度聆证。值是否符合设计要求，不合要 求重新确定以上参数计算扩散结深b.X於以及基区、 发射区面积计算毡区和发区分别

6、所需的扩 散时间，氧化层厚度、氧化时间全面验证各种参数是否符合要求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， 如图1所示。因此，纵向结构设计的任务有两个：首先 是选取纵向尺寸，即决定衬底厚度叫、集电区厚度Wc 基区厚度Wb、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Nc、衬 底杂质浓度Nqp表面浓度Ne$,Nb$以及基区杂质浓 度分布Nb（X）等，并将上述参数转换成生产中的工艺控 制参数。具体工艺流程：清洗一氧化一光刻（光刻基区）一磷预扩散一磷再扩散（基区扩散）一去氧化膜一氧化工艺一光刻（

7、光刻发射区）一硼预扩散一硼再扩散（发射区扩散）一去氧 化膜一沉积保护层一光刻（光刻接触孔）一金属化一光刻（光刻接触电极）一参数检测10 各材料参数和结构参数的设计硅片原材料的选择本次课程设计选用的硅片：电阻率为7。”的P型硅，晶向是<111>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C对于击穿电压较高的器件，在接近雪崩击穿时，集电结空间电荷区已扩展至均匀掺杂的外延层C因此，当集电结上的偏置电压接近击穿电压60V时，集电结可用突变结近似

8、，对于Si器件击穿电压为3%=6x10"（Nbc）% ,由此可得集电区杂质浓度为：腔=（曳叱）乙二0” ：BL陀?8展。由设计的要求可知C-B结的击穿电压为60V 根据公式,可算出集电区杂质浓度:Nc = （'*。户=1.42x 10,5c/n-3¥1 + 80x60一般的晶体管各区的浓度要满足NE»NB>NC,根据以往的经验可取:Ne = 0%/3V-s) 461 460 459 458 455 448 437 419 378 331(cm* / 1358 1357 1352 1345 1332 1298 1248 1165986 801 >

9、“4« 彳 4 4。外，一 I ，4,. - -r-rtrNa 或 Ab (cm、 1，船,必«£03:l:r W.:£LHi.:.:U:】.L 一二. 硅r = 300 K*99:;?<4. J %4 十3： i 二 2 y ；&； 二 * *<丁个,y < 今* .4.A 4101，1015101610«71018Na 或川口 (cm-3)(a)根据图(a) 300k下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系图，可以看出% = 1020 cm2/Ve S% = 437 cm2 /V Su. = 280cm2/VeSkTkT

10、由爱因斯坦关系式。=u，可得，300k下，六0.026,所以少子的扩散系数为qqDc = 0.026 X1020 = 26.52cm2/sDh = 0.026 x 437 = 11 .36c?2 / $Dt = 0.026 x 280 = 7.28c/?2 /.v图5-21 p P Si中少数融流干电，的得命和扩FftK值与律杂祗或的关系IE10r5IO冬ILI O IO-» 杂浓)lOr* 10MI o, JW 1O'IO50W IO'5 IO'11。一,E*3 5-22 n & Si中小敝较流于空穴的母命和扩般长度与惨杂浓ST的关系从上面两个图可以

11、看出，少子的我流子寿命为Tc =1Q-4S% = 6x10-6s一般来说是1°"数量级，所以T 8 = 1°"飞所以，少子的扩散长度，由公式L = j£>Jn Lp =4Dp Tp可得Lc =0.0515 品=3.37xl0-3 乙七=6.609 x 10、集电区厚度K的选择根据公式,可计算叫的最小值,得2£。晨8匕加qM2x8.85xlO I4xll.8xVl + 80 x601.6x10I9x1.42x1015 1.54x10 'em = 15.4u mI匕的最大值受串联电阻res的限制。增大集电区国度会使串联电阻r

12、es增加，饱和压降VCES增大，因此I匕的最大值受串联电阻限制,所以综合考虑这两方面的因素，故选择叱.二25um基区宽度的选择基区宽度最大值计算对于低频管，与基区宽度有关的主要电学参数是，因此低频器件的基区宽度最大值由确定。当发射效率Y时，电流放大系数L =因此基区宽度的最大值可按下式估计：P叫p为r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二鼠根据公式，求得低频 管的基区宽度的最大值为：< 乌;=4x(3.37x107 = 7.54xl0_4cm = 7.54m mu p v 80由公式可看出，电流放大系数B要求愈而，则基区宽度愈窄。为提高二次击穿耐空，在满足

13、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。基区宽度的最小值的计算为保证器件正常匚作，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8匕w)=80V ,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. 八%8 y 12BzT(Nd (Nd + Na) CBo=1等芹xn*Mh消qNbnb+Nc)r2xll.8x8.85xl0-141.42x108r1= Er-X kXVl + 80x60 21.6x10-19x101610,6+1.42x1015、2,O5xl(r

14、4c7 = 2,O5um在高频器件中，基区宽度的最小值往往还受1：艺的限制。所以2.05u m << 7.54u mWm由于Ne» Nb，所以可以看做单边突变结 所以E-B耗尽区宽度（1匕汕）可近视看作全部位于基区内, 又由N" >Nc，做近似计算，也看做单.边突变结，大多数C-B耗尽区宽度（叱）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 > a由图可得 = W + xnEB + xnCB根据公式2a =可得一元二次方程铲+2%_Lw_-L = o,2 LJ % 刈 L, 80 D。匚 C进一步解得该方程的

15、解为w=5.2xl0c/?z = 5.2u m重新代入公式得，B=.符合设计邛=80的要求E-B结的内建电势为:%0.026x In 叱°6 = 0,364V'EB q n；(IO10)2由突变结计算公式Xeb =空包q Nb(Ne + Nb)VbiEB2KAy vbiEB 叫2可得X“EB =2xll.8x8.85xl0-ux0.364 11.6x10",9x1016=2.18xl0c/?z = 0.218u mC-B结的内建电势为:1Z kT、NNr cccn VbiCB =In = 0.026 x Inq %1.42x1015x1016(IO10)2=0.29

16、5VXCB =同理，由2Ks%Nbq Nc® + Nc)VbiCB可得X“cB = 1.64x1 ()-' cm = 0.164Hm综上述可得，基区宽度= W + x . + x,. =5.2 + 0.218 +0.164 =5.6u m符合2.05"1)<1/7.54“1"的要求 所以最终的基区选择宽度为um扩散结深及发射区面积、基区面积的确定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r 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

17、频率就下降，因此发射结结深为X芦= 5.6m m由于二次氧化，在考虑基区扩散深度时须对发射区掩蔽层消耗的硅进行补偿。集电结结深=发射结结深+基区宽度+发射区掩蔽层厚度C集电结结深为 xK = 2xWB+ 0.46x0.7 = 11.5u mP-Si上面两个图分别是木次设计的晶体管的纵向剖视图和横向俯视图 基区面积：= 6p mx 6u m = 36u m2发射区而积：Ae = 4u mx4p m = 16u m25.工艺参数设计硅片氧化相关参数由公式 Xo=A/2 1+ (t+ t)/(AV4B) 1/2-1)公式变形可得 + T = -(-+ 1)2-1,方便计算，取T =0 4B A(1)

18、干氧氧化,辄化温度1200C,氧化层厚度Um,计算得氧化时间为6min查表得，1200C下，干氧氧化的 A=um, B = 7.5 x 10"4 u in2 / mint = 竺 2 x 0.()5 + 尸一 “ = 6nMn ,所以氧化时间为6mm4x7.5xl()70.04(2)湿氧氧化,氧化温度1200C,氧化层厚度Um,计算可得氧化时间为4min查表得，1200C下，湿氧氧化的A=um. B = 1.2xW2um2/min代入公式，=空r(- X()," +1)2 -1 = 4. Inin ,所以氧化时间为Imin4x1.2x10-20.05(3)干氧氧化，氧化温度

19、1200C,氧化层国度um,计算得氧化时间为19min查表得，1200C下，干氧氧化的 A=um, B = 7.5 x 10"4 u in2 / minO.O42 r 2x0.1 八2 r .t =r(+ l)-l = l8.6min,所以氧化时间为 19min4x7.5xl0-4 0.04(4)湿氧氧化,氧化温度1200C,氧化层厚度Um,计算得氧化时间为15min查表得，1200C下，湿氧氧化的A=um, B = 1.2xW2kinr/mint =电r(-+ 1)2 -1 = 15 min ,所以氧化时间为 I5min4x1.2x10-2 o.O5(5)湿氧氧化,氧化温度1200

20、C,氧化层厚度，m,计算得氧化时间为23min查表得，1200C下，湿氧氧化的 A=um, B = 1.2 x 102 u nY / mint =电F (丁x()5 + 2 - i = 22.9+Vn ,所以氧化时间为23min4x1.2x10-2 0.05基区扩散相关参数(1)基区磷预扩散参数1200C时，K=ED = Di) exp(-乙)，由书上表 5-1 可知，璘在111硅中的= 10.5cL/s Ea = 3.69V k Ta aq所以。=10.5exp(-) = 2.468xl0-128.614x10x1473.15单位时间扩散到硅中的磷的总量Q(t) = (NB+Nc)xXjc

21、=(1016 + 1.42xl0,5)xl 1.5X10-4 =1.3xlO15代入公式(5-io), Q(t) = A3Csy/75t . C, =3xl017c/n-3解得，=9.9min所以，基区预扩散的时间为lOnnn(2)基区磷再扩散参数yJTrDt CsX =2!Dt |lnC代入数据得，/Inf一八In2D(1.28xlO13)2(1.42x 1015)2 x 3.14x 2.468x 10-12(11.5xlO4)22x2.468x1 O-12=0化简得 f (In t-162) + 267929 = 010h. Int是：lOOh, Int是，随着t变大，Int值变大越来越缓

22、慢,所以可以近似算出-267929 -267929 一，t =七七 14/?hiZ-16.211-16.2化成sLnt值代入原式重算10h3600046922Uh3960012h1320013h168004916114h504004989315h5400050552由上表可以看出，13h是，最接近方程的解，所以基区磷再扩散时间为Mh(3)基区氧化时间在实际，生产中基区氧化层厚度一般是6000埃，所以本次设计中，基区氧化层厚度为6000埃。采用干氧 一湿氧一干氧的工艺,氧化温度为1200eC将um的氧化层的分配成如下的比例进行氧化1：艺：干氧：湿氧：干氧:1： 4： 1即先干氧um,再湿氧。Mm

23、,再干氧um 由前面计算的氧化时间值可知 干氧辄化um的氧化层厚度需要的时间为：t, =19nin湿氧氧化um的氧化层厚度需要的时间为：t, =15nin所以，基区总的氧化时间为：t = 2t+* =2x19 + 15 =53nin发射区扩散相关参数(1)发射区硼预扩散时间扩散温度 950C, 950c下，K=1223ED = D() exp(-由网上查阅资料可知 k T硼在 <111> 硅中的=0.76c/?2 Is Ea = 3.46V所以 O = 0.76exp(3.468.614x10-X1223)= 4.2x10h5整位时间扩散到硅中的硼的总量Q(1) = (Ne + N

24、b)xX，=(10,8 + 10,6)x5.6x10 =5.656xlO14代入公式(5-io), Q(t) = lA3CsyDt , CT =3x1O2Oc/m"3解得 f «11 min所以发射区硼预扩散时间为llmin(2)发射区硼再扩散时间扩散温度1200CCs=-=Q_ = e缶X,=2Vd7 lhCsCb(Q2 X,2rlnr-rhi = + = 0lQ2npJ 2D代入数据得，rlnr-rln(5.656xl014)2(1016)2x3.14xl.09xl0H2(5.6xl04)2广 2xl.09xl()T2=0化筒得 r(lnr- 20.66) +14385

25、3 = 0lh3600115352h7200122113h1080012651418000132466h21600131697h252008h288009h32400由图可以看出方程的解在3h和4h之间。取 In 6 9.4,/ x -'3 = 3.6/120.66-9.4所以发射区硼再扩散时间为(S)发射区氧化时间在实际生产中发射区氧化层厚度一般是7000埃，所以本次设计中，发射区氧化层厚度为7000埃。采用干 氧一湿氧一干氧的工艺,氧化温度为1200C将um的氧化层的分配成如下的比例进行氧化1：艺：干氧：湿氧：干氧:1： 5： 1即先干氧um,再湿氧。um

26、,再干我um由前面计算的氧化时间值可知干氧氧化m m的氧化层厚度需要的时间为：J = 19nin湿氧氧化p m的氧化层厚度需要的时间为：t, = 23nin所以，发射区总的氧化时间为：t = 2t. +t7 =2x19 + 23 =61nin6.刻画掩模板基区掩模板发射区掩模板AE =4 u mX4 p m金属孔掩模板组合起来的图如下AE=4 u mX4 u mAB =6 U mX6 U mAc=9 u mX9 u m设计参数总结木次设计采用iii晶向的P型硅，电阻率为P = 7OC7”相关参数集电区C居区B发射区E各区杂质浓度Nx（C广3）1.42X101510,61018杂质表面浓度Nis

27、（c?-3）/N 内=3xl0,7N 群=3xlO20杂质浓度（。，广2）/基区侦扩散L3xl0”发射区预扩散5.7x10“少子迁移率x（/V 7）1020137280少子扩散系数（c-m2/s）少子寿命Tx （s）10-410-66x10"扩散长度Lx （c,n）3.37x10-36.609x10-3结深/W（U2）XjC = 11.5WB =5.6Xj15.6而积（加2）813616扩散温度（C）和时间（s）预扩散/1200C, 10mm950C,llmin再扩散/1200'C, 14h1200 C,0氧化层厚度（A ）/60007000氧化时间扩散前氧化掩蔽层1000C

28、湿氧 8min扩散时的氧化/先干氧氧化19分钟，后 湿氧氧化15分钟，再干 氧氧化19分钟，共氧化 53分钟。先干氧氧化19分钟,后湿氧氧 化23分钟，再干氧氧化19分 钟，共氧化61分钟共发射极电流增益=80。BVcro=60V7.工艺步骤工艺流程：清洗一氧化一光刻（光刻基区）一磷预扩散一磷再扩散（基区扩散）一去氧化膜一氧化工艺 一光刻（光刻发射区）一硼预扩散一硼再扩散（发射区扩散）一去氧化膜一沉积保护层一光刻（光刻接 触孔）一金属化一光刻（光刻接触电极）一参数检测清洗清洗原理：a.表面活性剂的增溶作用：表向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

29、显着增大。b,表面活性剂的润湿作用：固一气界面消失，形成固一液界面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，包爽起来C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、物理渗透和机械作川，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C常用硅片清洗液有：名称配方使用条件作用I号洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5-*1:2:780±

30、5cC lOmin去油脂去光刻胶残膜 去金属离子 去金属原子II号洗液HC1:H2O2:H2O=1:1:6-*1:2：880±5cC lOmin去金属离子 去金属原子HI号洗液H2SO4:H2O2=3:1i2o±ior1015min去油、去腊 去金属离子 去金属原子工艺步骤：1 .以NH4OH:H2O2:H2O=1：1:5的比例配制1号液2 .把硅片放进配制好的溶液中，加热浸泡清洗10mm中3 .把硅片取出,用去离子水冲洗10分钟4,冲洗完的硅片放进烘箱，在100C下干燥lOmin5,取出，用于接下来的氧化工艺氧化工艺氧化原理二氧化硅能够紧紧地依附在硅衬底表而，具有极稳定的

31、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、碑等）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C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【艺最重要的I: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名匚艺。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化物质作用下生长S102薄层，氧化气氛 可为水汽，湿氧或干氧。实验表明，水汽氧化

32、法：生长速率最快，但生成的S102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S102膜结构致密，干燥，均匀性和重且性好，掩蔽能力强，钝化 效果好，S102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，虽然致密性略差干干氧法生长的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S102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

33、利用湿氧和干氧的优点，采用干氧一湿氧一干氧交替的方法。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 为他位时间通过电位而积的粒子数。（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宛（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一湿氧一干氧工艺制备。氧化工艺步骤（1）开氧化炉，并将温度

34、设定值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，将石英舟推倒恒温区。并开始升温：（3）达到氧化温度1200C后,调整氧气流量3升/分钟,并开始计时,确定干氧时间6miru在开始干氧的 同时，将湿氧水壶加热到95-98C。干乳完成后，立即开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流 量计，确定湿氧时间4min：（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6min：（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

35、度：（7）关氧化炉，关气体。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、腐饨法和比色法等。在精度不高时，可用比色法来简单判断厚度C比色法是利用不同凰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。颜色氧化膜厚度（埃）第一周期氧化膜厚度（埃）第二周期氧化膜里度（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250013506250光刻工艺光刻原理光刻1：

36、艺是加工制造集成电路微图形结构的关键L：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1：形成微图形。光刻工艺包括涂胶、曝光、显影、腐蚀等L：序。集成电路对光刻的基本要 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3 Um,而由500万元件组成的集 成电路，其图形最小条宽为Um,百万以上元件组成的集成电路，其图形最小条宽Wlum,因此，集成度提 府则要求条宽越细，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

37、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

38、光刻胶在曝光前能溶于显影液， 曝光后，由于光化反应交处成难溶大分子而留下，未曝光部分溶于显影液而去掉c由此完成图形更制。本 次采用正光刻胶。工艺步骤1 .准备：A）开前烘，坚膜烘箱，前烘温度设定95C,坚膜温度为120C。B）涂胶前15分钟开启图胶净化台，调整转速950r/min,以满足生产要求。O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40CE）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，涂咬前设定好予匀转速950r/min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

39、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lOnun,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25s （200w）,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25mmo8 ,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，腐蚀后冲水10分钟

40、，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。9 .去胶硅片腐蚀完成后，在3#液中将光刻胶去掉，井冲洗干净.：艺结束。磷扩散工艺（基区扩散）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犷散匚艺简称 扩散，磷扩散L：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，4 = Nserfr%DQ表示恒定表面浓度（杂质在侦扩散温度的固溶度），D1为预扩散温度的扩散系数，工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

41、差分布。（3）再扩散（主扩散）磷再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度分布方程为：N(x,t)=Qexp一(x24D2t其中Q为扩散入硅片杂质总量：<2 = £ N（x、t）dtD2为主扩散（再分布）温度的扩散系数。杂质分布为高斯分布。工艺步骤L准备：开扩散炉，井将温度设定倒700750C,开城气流量3升/分钟。木实验采用液态源扩散，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，使温度达到预扩散温度1200C,调节氧气调整氧气流量为3升/分钟，并开始计时

42、，根据 工艺条件进行干氧。5 .干氧完成后，开赳气流里”，按工艺条件调节怒气氧气比例，然后，开通源陶，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，保持斌气、氧气流量进行吹气，吹气完成后，调整缸气流量3升/分钟， 关闭氧气流生计，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，潦去磷硅玻 璃，冲洗干净后，检测R值用四探针法进行测量。7.将预扩散畦片用2号液清洗，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,调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，根据匚艺条件（氧 化温度12

43、00C）进行干氧19分钟。10 .在开始干氧同时，将湿氧水壶加热到95-98'C。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。根据匚艺条件进行湿氧15min011 ,湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并根据1：艺条件确定干氧时间为19mm。12 .干氧完成后，开赳气流量计，流量3升/分钟，根据工艺条件，确定氮气时间787分钟。13 .奴气完成后，主扩散结束，调整温控器降温，飘气流量不变，时间30分钟。14 .降温完成后，拉出石英舟，取出硅片，检测氧化层厚度、均匀性，擦去氧化层，冲洗干净后，检测RD 值，结深（磨角法或者SEM法），B值。15,将扩散后的

44、硅片交光刻工艺，光刻完成后，检测击穿电压、B值。16、根据实测B值,与工艺要求进行比较,如果不满足工艺条件,重新计算再扩散时间，并制定再扩散工 艺条件，至到达到设计要求。磷扩散工艺实验结束。硼扩散工艺（发射区扩散）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:艺简称犷散, 硼扩散1: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：表示恒定表面浓度（杂质在预扩散温度的固溶度），D1为预扩散温度的扩散系数，工表示由表面算起的垂直 距离（cm），他为扩散

45、时间。此分布为余误差分布。（2）再扩散（主扩散）硼再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度分布方程为：YN(x,t) =0cxp一 (沟)个孙t其中Q为扩散入硅片杂质总量：Q =D2为主扩散（再分布）温度的扩散系数。杂质分布为高斯分布。工艺步骤1 .工艺准备A）开扩散炉，并将温度设定到750-850C,开缸气流量3升/分钟。B）清洗源瓶，并倒好硼源（固态源，由氧化硼与其他稳定的氧化物压制而成）。O开涂源净化台，并调整好涂源转速。2 .硅片清洗：清洗硅片（见清洗工艺），将清洗好的硅片甩下。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，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。调节温控

46、器，使温度达到预扩 散温度950C,并开始计时，时间是（10分钟）。5 .侦扩散完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃，冲洗干净后，检测R值，川四探针法进行测 量。6 .将预扩散畦片用2#液清洗，冲洗干净甩干。7,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。调节温控器,使温度达到再扩 散温度1200C,调整辄气流量3升/分钟，并开始计时,前面已算出再扩散时间216min,同时根据工艺条 件先进行干氧氧化。8,调节氧气调整氧气流量:为3升/分钟，并开始计时，干氧时间是19分钟。在开始下氧同时，将湿氧水壶 加热到95C。9 .干乳完成后，开氮1气流量计，按工艺条件调节迎气氧

47、气比例，然后，开通源陶，使通源流量达到工艺要 求，并开始计时。10 .干轼完成后，开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。根据I：艺条件进行湿氧，湿氧时 间是23分钟。11 .湿氧完成后,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,干氧时间是19分钟。12 .干氧完成后，开赳气流曳计，流量3升/分钟，根据1：艺条件，确定斌气时间155分钟。13,缸气完成后，再扩散结束，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，检测氧化层厚度、均匀性，潦去氧化层，冲洗干净后，检测RD 值，结深(磨角法或者SEM法)，B值。15,将扩散后的

48、硅片交光刻工艺，光刻完成后，检测击穿电压、。值。16.根据实测B值，与:艺要求进行比较，如果不满足1：艺条件，重新计算再扩散时间，并制定再扩散1：艺 条件、至到达到设计要求。硼扩散1：艺结束,B、的测量用晶体管图示仪进行输出特性曲线的测试B值的测量(a)输出特性曲线的测试：L开启电源，预热10分钟。调节辉度、聚焦辅助、标尺亮度，阶梯调零2 .根据集电极基极的极性测试开关置于PNP,并将极性开关置干常态3 .被测试管的C/B/E管脚插在相应的插座上4 .将Y/X轴选择开关置于合适的电流/电压档级5,选择合适的阶梯幅度/级开关，合适的功耗限制电阻6.峰值电压调节：调至零点后将测试选择开关拨到被测试

49、管一边，逐渐调高集电极扫描电压得到输出特性 曲线 一匕工曲线，进行调节，根据坐标刻度所在档位读出值根据梯度选择开关得到4值。把得到的 Ic VcE曲线绘制在记录本上，根据 一匕”曲线计算晶体管的放大倍数P的值根据曲线计算晶体管的放大倍数B的值：定义共射极直流电流增益：I _ I.，二 C=%+*所以口=箸所以只要从图中读出相应的增量，即可算出B的值击穿电压的测量1 .被测试管的CBE按规定进行连接2 .将Y/E置于合适的电流/电压档级3,选择合适的阶梯幅度/级开关，合适的功耗限制电阻4 .集电极电压宣于合适的档级，峰值电压为零，逐渐加大水平偏转因素和集电极扫描电压，扫线拐点处即 为击穿电压5

50、.读出8%净匕加的值8.工艺总流程（1）硅片清洗（硅片清洗:艺）选用111晶向p型硅，用I号液清洗10 分钟J44.（2）氧化（氧化工艺）干氧氧化6nm1,氧化温度1200C ;湿氧氧化时间4min,氧化温度1200C;干氧氧化6mm,氧化温度1200C氧化层总厚度um氧化厚度可以通过比色法确定（3）光刻基区（光刻工艺）在掩膜上光刻出基区窗口涂光刻胶1-2 M m,设置转速950r/mm用紫外光曝光，200% 25s120坚膜25分钟用有机溶剂去胶（4）磷预扩散（磷扩散工艺）预扩散温度1200X:,预扩散时间lOmin表面杂质浓度3x 10“c 尸（5）磷再扩散（磷扩散匚艺）再扩散温度1200C ,预扩散时间14h结深um杂质浓度l.3xio"c?"1200C 干氧 1