器件物理課程設(shè)計

1、npn雙極型晶體管的設(shè)計課 程 設(shè) 計 課程名稱 微電子器件與工藝課程設(shè)計題目名稱 npn雙極型晶體管的設(shè)計 33目錄1設(shè)計任務(wù)書21.1內(nèi)容21.2要求與數(shù)據(jù)21.3應(yīng)完成的工作21.4主要參考文獻32物理參數(shù)計算32.1. 各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計算32.2少子的遷移率42.3少子的擴散系數(shù)42.4少數(shù)載流子的擴散長度52.5各區(qū)的厚度52.5.1集電區(qū)厚度Wc52.5.2基區(qū)寬度WB62.6擴散結(jié)深92.7電阻率103實際器件設(shè)計103.1硅片選擇103.2圖形結(jié)構(gòu)103.3各區(qū)面積114.工藝參數(shù)計算114.1基區(qū)硼擴散114.1.1預(yù)擴散114.1.2再擴散134.1.3氧化層厚度

2、134.2發(fā)射區(qū)磷擴散134.2.1預(yù)擴散134.2.2再擴散144.2.3氧化層厚度154.3氧化時間154.3.1基區(qū)氧化154.3.2發(fā)射區(qū)氧化165、設(shè)計參數(shù)總結(jié)176、工藝流程186.1主要流程186.2清洗工藝226.3氧化工藝236.4光刻工藝256.5硼擴散工藝(基區(qū)擴散)276.6磷擴散工藝(發(fā)射區(qū)擴散）297.版圖設(shè)計317.2發(fā)射區(qū)掩膜板317.3接觸孔掩膜版328.總結(jié)與體會321設(shè)計任務(wù)書題目名稱npn雙極型晶體管的設(shè)計學(xué)生學(xué)院材料與能源學(xué)院專業(yè)班級姓 名學(xué) 號1.1內(nèi)容設(shè)計一個均勻摻雜的npn型雙極晶體管，使T=300K時，hfe=120,BVCBO=80V.晶體管

3、工作于小注入條件下，設(shè)計時應(yīng)盡量減小基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響。1.2要求與數(shù)據(jù)1了解晶體管設(shè)計的一般步驟和設(shè)計原則2根據(jù)設(shè)計指標設(shè)計材料參數(shù)，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(jù)各區(qū)的摻雜濃度確定少子的擴散系數(shù)，遷移率，擴散長度和壽命等。3根據(jù)主要參數(shù)的設(shè)計指標確定器件的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jié)深Xjc, 發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等。4根據(jù)擴散結(jié)深Xjc, 發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等確定基區(qū)和發(fā)射區(qū)預(yù)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(jù)設(shè)計指標確定器件的圖形結(jié)構(gòu)，設(shè)計器件的圖形尺寸，繪

4、制出基區(qū)、發(fā)射區(qū)和金屬接觸孔的光刻版圖。 6. 根據(jù)現(xiàn)有工藝條件，制定詳細的工藝實施方案。7撰寫設(shè)計報告1.3應(yīng)完成的工作1. 材料參數(shù)設(shè)計2.晶體管縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計3.晶體管的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計（設(shè)計光刻基區(qū)、發(fā)射區(qū)和金屬化的掩膜版圖形）4工藝參數(shù)設(shè)計和工藝操作步驟5.總結(jié)工藝流程和工藝參數(shù)6. 寫設(shè)計報告1.4主要參考文獻1半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)Robert F. Pierret著，黃如譯，電子工業(yè)出版社，2004. 2半導(dǎo)體物理與器件 趙毅強等譯，電子工業(yè)出版社，2005年. 3硅集成電路工藝基礎(chǔ)，關(guān)旭東編著，北京大學(xué)出版社，2005年.2物理參數(shù)計算2.1. 各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計算發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集

5、電區(qū)摻雜濃度NE, NB,和NC三極管的擊穿電壓是雪崩擊穿電壓和穿通電壓中較小的一個。當集電結(jié)上的偏置電壓接近擊穿電壓V時，集電結(jié)可用突變結(jié)近似，對于硅器件擊穿電壓為,由此可得集電區(qū)雜質(zhì)濃度為：由設(shè)計的要求可知C-B結(jié)的擊穿電壓為：BVCBO=80V根據(jù)公式,可算出集電區(qū)雜質(zhì)濃度：一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NE>>NB>NC，2.2少子的遷移率 圖1 室溫下載流子遷移率與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系根據(jù)圖1，可知，當基區(qū)的摻雜濃度，基區(qū)的少子遷移率： 當集電區(qū)的摻雜濃度，集電區(qū)的少子遷移率：當發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，發(fā)射區(qū)的少子遷移率：2.3少子的擴散系數(shù)由愛因斯坦關(guān)系式可知，基區(qū)擴散系數(shù)

6、：集電區(qū)擴散系數(shù)：發(fā)射區(qū)擴散系數(shù)：2.4少數(shù)載流子的擴散長度由經(jīng)驗值設(shè)置少子壽命，由擴散長度公式和有：基區(qū)擴散長度：發(fā)射區(qū)擴散長度：集電區(qū)擴散長度：2.5各區(qū)的厚度集電區(qū)厚度Wc，基區(qū)寬度Wb2.5.1集電區(qū)厚度Wc 根據(jù)公式求出集電區(qū)厚度的最小值為：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)厚度必須大于擊穿電壓時的耗盡層寬度，其中是集電區(qū)臨界擊穿的耗盡層寬度，綜合考慮，選擇集電區(qū)厚度Wc為2.5.2基區(qū)寬度WB（1）基區(qū)寬度的最大值對于低頻管，與基區(qū)寬度有關(guān)的主要的電學(xué)參數(shù)是，因此低頻器件的基區(qū)寬度的最大值由確定。當發(fā)射效率1時，電流放大系數(shù)，因此基區(qū)寬度的最大值可

7、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(shù)仍能滿足要求，因而設(shè)計過程中取=4。根據(jù)公式,求得低頻管的基區(qū)寬度的最大值為：（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。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,此處，對于均勻基區(qū)晶體管，當集電結(jié)電壓接近雪崩擊穿時，基區(qū)一側(cè)的耗盡層寬度為：則由上述計算可知基區(qū)的范圍為：（3）求基區(qū)準中性區(qū)由下列公式可求W解得（4）基區(qū)耗盡區(qū)寬度與PN結(jié)二極管的分析類似，在平衡和標準工作條件下，BJT可以看成是由兩個獨立的PN結(jié)構(gòu)成，它在平衡時的結(jié)構(gòu)圖如下所示： E B C P NW 圖2 平衡條件下的np

8、n三極管的示意圖由于，E-B耗盡區(qū)寬度（）可近視看作全部位于基區(qū)內(nèi)，又由，得到大多數(shù)C-B耗盡區(qū)寬度（）位于集電區(qū)內(nèi)。因為C-B結(jié)輕摻雜一側(cè)的摻雜濃度比E-B結(jié)輕摻雜一側(cè)的濃度低，所以。因為是基區(qū)寬度，其中是基區(qū)中準中性基區(qū)寬度；也就是說，對于NPN晶體管，有：其中和分別是位于P型區(qū)內(nèi)的E-B和C-B耗盡區(qū)寬度，其中指的就是準中性基區(qū)寬度。E-B結(jié)的內(nèi)建電勢為：C-B結(jié)的內(nèi)建電勢為：根據(jù)公式,E-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層寬度為： ，可以當成單邊突變結(jié)處理根據(jù)公式,B-C結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層寬度為：（5）基區(qū)總寬度由以上計算結(jié)果可求基區(qū)總寬度為：但為了減小結(jié)深，還是取=，且滿足條件。2.6擴散結(jié)深

9、集電結(jié)深Xjc, 發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje在晶體管的電學(xué)參數(shù)中，擊穿電壓與結(jié)深關(guān)系最為密切，它隨結(jié)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(jié)深一些。但另一方面，結(jié)深卻又受條寬限制，由于基區(qū)積累電荷增加，基區(qū)渡越時間增長，有效特征頻率就下降，因此，通常選?。悍瓷浣Y(jié)結(jié)深為集電結(jié)結(jié)深為 圖3發(fā)射極條寬對結(jié)面形狀的影響2.7電阻率 圖4 摻雜濃度與電阻率的函數(shù)關(guān)系根據(jù)圖4，可得到不同雜質(zhì)濃度對應(yīng)的電阻率：3實際器件設(shè)計3.1硅片選擇在這個npn雙極晶體管的設(shè)計中，襯底的電阻率為0.6，選取n型硅襯底，晶向為（111）。3.2圖形結(jié)構(gòu)此次設(shè)計的晶體管只是普通的晶體管，對圖形結(jié)構(gòu)沒有特別的要求。

10、三極管剖面圖如圖4，三極管俯視圖如圖5。EBC圖4：三極管剖面圖圖5：三極管俯視圖3.3各區(qū)面積發(fā)射區(qū)面積取：基區(qū)面積?。?。 集電曲面積?。?4.工藝參數(shù)計算4.1基區(qū)硼擴散4.1.1預(yù)擴散預(yù)擴散溫度：基區(qū)硼的預(yù)擴溫度為950，即1223K。 基區(qū)硼預(yù)擴時間：雜質(zhì)元素BPD0/（cm2/s）10.510.5E/eV3.693.69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 由上述表1可知硼在硅中有： 擴散系數(shù)D：單位面積雜質(zhì)濃度： 圖6硅晶體中各種雜質(zhì)的固溶度曲線由圖6查得 由公式 ，得出基區(qū)的預(yù)擴散時間： 4.1.2再擴散再擴散溫度：主擴散的溫度為12

11、00，即1473K。由公式可求出擴散系數(shù)：由于預(yù)擴散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，由再擴散結(jié)深公式：，其中，。所以,即經(jīng)過化簡得： 解得基區(qū)再擴散的時間： t=11209s=3.11h4.1.3氧化層厚度考慮到生產(chǎn)實際情況，基區(qū)氧化層厚度取為6000。4.2發(fā)射區(qū)磷擴散4.2.1預(yù)擴散 溫度：發(fā)射區(qū)磷預(yù)擴散溫度為1150，即1423K發(fā)射區(qū)預(yù)擴散時間：由表1可知 磷在硅中的擴散系數(shù)為單位面積雜質(zhì)濃度： 查表知固溶度：由公式 ，得出發(fā)射區(qū)的預(yù)擴散時間： 4.2.2再擴散npn發(fā)射區(qū)的磷再擴散的溫度這里取1200，即1473K。由公式可求出擴散系數(shù)：由于預(yù)擴散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，由再擴散結(jié)深

12、公式：，其中, 可得： 即經(jīng)過化簡得： 可得發(fā)射區(qū)再擴散的時間： t=96725s=26.87h4.2.3氧化層厚度考慮到生產(chǎn)實際情況，發(fā)射區(qū)氧化層厚度取為7000。4.3氧化時間4.3.1基區(qū)氧化由前面得出基區(qū)氧化層厚度是6000，可以采用干氧濕氧干氧的工藝,將6000的氧化層的分配成如下的比例進行氧化工藝： 干氧：濕氧：干氧=1：4：1即先干氧1000（0.1um），再濕氧4000（0.4um），再干氧1000（0.1um）取干氧和濕氧的氧化溫度為1200，由圖7可得出：干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時間為：濕氧氧化4000的氧化層厚度需要的時間為：所以，基區(qū)總的氧化時間為： 圖7 氧

13、化時間與氧化厚度的關(guān)系圖基區(qū)氧化時間：在1200下采用干氧濕氧干氧工藝進行如下操作干氧0.1 um 20.4min濕氧0.4 um 16.8min干氧0.1 um 20.4min4.3.2發(fā)射區(qū)氧化由前面可知發(fā)射區(qū)氧化層厚度是7000，采用干氧濕氧干氧的工藝,將7000的氧化層的分配成如下的比例進行氧化工藝： 干氧：濕氧：干氧=1：5：1即先干氧1000（0.1um），再濕氧5000（0.5um），再干氧1000（0.1um）取干氧和濕氧的氧化溫度為1200，由圖9可得出：干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時間為：濕氧氧化5000的氧化層厚度需要的時間為：所以，發(fā)射區(qū)總的氧化時間為：發(fā)射區(qū)氧化

14、時間：在1200下采用干氧濕氧干氧工藝進行如下操作干氧0.1 um 20.4min濕氧0.5 um 22.8min干氧0.1 um 20.4min5、設(shè)計參數(shù)總結(jié)采用外延硅片，其襯底的電阻率為0.6的N型硅，選取<111>晶向。相關(guān)參數(shù)集電區(qū)C基區(qū)B發(fā)射區(qū)E各區(qū)雜質(zhì)濃度少子遷移率440 74072少子擴散系數(shù)11.4419.241.872電阻率0.60.240.0062少子壽命擴散長度結(jié)深/W()面積(2)1200600100擴散溫度()和時間預(yù)擴散/950,108.9s1150, s再擴散/1200, 11209s1200, 96725s氧化層厚度()/60007000氧化時間/

15、先干氧氧化20.4分鐘，后濕氧氧化16.8分鐘，再干氧氧化20.4分鐘，共氧化57.6分鐘。先干氧氧化20.4分鐘，后濕氧氧化22.8分鐘，再干氧氧化20.4分鐘，共氧化63.6分鐘 表2 設(shè)計參數(shù)總表6、工藝流程6.1主要流程6.1.1硅片選用和清洗 (電阻率為0.6, <111>晶向的n型硅)。N-Si6.1.2氧化基區(qū)氧化一層氧化膜做為掩蔽膜, 厚度6000干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時間為：濕氧氧化4000的氧化層厚度需要的時間為：干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時間為：N-SiSiO26.1.3光刻基區(qū)在掩膜版上光刻一個基區(qū)窗口，面積為N-SiSiO2SiO2紫外

16、線6.1.4基區(qū)硼預(yù)擴散雜質(zhì)濃度為預(yù)擴散溫度：950預(yù)擴散時間：108.9sN-SiSiO2SiO2硼摻雜6.1.5去膜氧化將預(yù)擴散中摻入雜質(zhì)的氧化層通過清洗工藝去除（氧化層用HF去除，光刻膠殘膜用1號液去除）N-Si6.1.6硼再擴散與發(fā)射區(qū)氧化再擴散溫度：1200再擴散時間：11209s基區(qū)結(jié)深：再氧化一層氧化膜作為掩蔽膜，厚度6000干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時間為：濕氧氧化5000的氧化層厚度需要的時間為：干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時間為： N-SiSiO2P6.1.7光刻發(fā)射區(qū)在掩膜版上光刻一個發(fā)射區(qū)窗口，面積為： N-SiSiO2SiO2紫外線P6.1.8磷預(yù)擴散雜

17、質(zhì)濃度：預(yù)擴散溫度：1150預(yù)擴散時間：117.3sN-SiSiO2SiO2磷摻雜P6.1.9去氧化層將預(yù)擴散中摻入雜質(zhì)的氧化層通過清洗工藝去除（氧化層用HF去除，光刻膠殘膜用1號液去除）N-SiP6.1.10磷再擴散再擴散溫度：1200再擴散時間: 96725s發(fā)射區(qū)結(jié)深:N-SiPN6.1.11沉積保護層：保護晶體管各區(qū)雜質(zhì)濃度不變N-SiPN+6.1.12光刻接觸孔N-SiPN+6.1.13金屬化N-SiPN+6.1.14光刻金屬孔N-SiPN+6.1.15參數(shù)檢測：用晶體管測試儀測試相關(guān)參數(shù)，驗證參數(shù)的正確性6.2清洗工藝6.2.1 定義：化學(xué)清洗是指清除吸附在半導(dǎo)體，金屬材料以及生產(chǎn)

18、用具表面上的各種有害雜質(zhì)或油污的工藝。6.2.2清洗原理：清洗主要利用各種化學(xué)試劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質(zhì)及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和溶解作用，或伴以超聲，加熱，抽真空等物理措施，使雜質(zhì)從被清洗物體的表面脫附，然后用大量的高純熱，冷去離子水沖洗，從而獲得潔凈的物體表面。6.2.3 清洗流程：化學(xué)清洗主要包括三個方面的清洗。一是硅片表面的清洗；二是生產(chǎn)過程中使用的金屬材料的清洗；三是生產(chǎn)用的工具，器皿的清洗。6.2.4 硅片清洗的一般程序：吸附在硅片表面的雜質(zhì)大體上可分為分子型，離子型和原子型三種。分子型雜質(zhì)粒子與硅片表面之間的吸附較弱，清除這些雜質(zhì)粒子比較容易。它們多屬油脂類雜質(zhì)，具有疏水性的特

19、點，這種雜質(zhì)的存在，對于清除離子型和原子型雜質(zhì)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(zhì)屬于化學(xué)吸附雜質(zhì)，其吸附力都較強，因此在化學(xué)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(zhì)，然后用王水或酸性雙氧水再來清除殘存的離子型雜質(zhì)用原子型雜質(zhì)，最后用高純?nèi)ルx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。簡而言之，工藝程序為：去分子-去離子-去原子-去離子水沖洗、烘干。6.2.5 常用硅片清洗液名稱配方使用條件作用號洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:51:2:780±510min去油脂去光刻膠殘膜去金屬離子去金屬原子號洗液HCl

20、: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6.3氧化工藝6.3.1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(xué)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(zhì)膜。二氧化硅的另一個重要性質(zhì)，對某些雜質(zhì)（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(zhì)，并結(jié)合光刻和擴散工藝，才發(fā)展起來平面工藝和超大規(guī)模集成電路。6.3.2熱氧化工藝簡介制備二氧化硅的方法很多，但熱氧化制

21、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(shè)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(nèi)，在氧氣氛中使硅片表面在氧化物質(zhì)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(jié)構(gòu)疏松，表面有斑點和缺陷，含水量多，對雜質(zhì)特別是磷的掩蔽以力較差，所以在器件生產(chǎn)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(jié)構(gòu)致密，干燥，均勻性和重復(fù)性好，掩蔽能力強，鈍化效果好，SiO2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

22、介于前兩者之間，生長速率可通過爐溫或水浴溫度進行調(diào)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(chǎn)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(chǎn)生浮膠。生產(chǎn)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(jù)迪爾和格羅夫模型，熱氧化過程須經(jīng)歷如下過程：（1）氧化劑從氣體內(nèi)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(shù)。（2）氧化劑以擴散方式穿過SiO2層（忽略漂移的影響），到過SiO2-Si界面，其流密度用F2表

23、示。（3）氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2，流密度用F3表示。（4）反應(yīng)的副產(chǎn)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(guān)系。應(yīng)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。 6.3.3 氧化工藝步驟（1）開氧化爐，并將溫度設(shè)定倒750-850，開氧氣流量2升/分鐘；（2）打開凈化臺，將清洗好的硅片裝入石英舟，然后，將石英舟推倒恒溫區(qū)。并開始升溫；（3）達到氧化溫度后，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，確定干氧時間。在開始干氧的同時，將濕氧水壺加熱到95-98。干氧完成后，立即開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關(guān)閉干氧流量計，確定濕氧時間

24、；（4）濕氧完成，開干氧流量計，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，確定干氧時間；（5）干氧完成后，開氮氣流量計，調(diào)整氮氣流量3升/分鐘，并開始降溫，降溫時間30分鐘；（6）將石英舟拉出，并在凈化臺內(nèi)將硅片取出，同時，檢測氧化層表面狀況和厚度；（7）關(guān)氧化爐，關(guān)氣體。 6.3.4 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。比色法是利用不同厚度的氧化膜在白光垂直照射下會呈現(xiàn)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）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（

25、埃）第四周期灰100黃褐300藍800紫1000275046506500深藍1500300049006800綠1850330056007200黃2100370056007500橙225040006000紅2500435062506.4光刻工藝6.4.1光刻原理光刻工藝是加工制造集成電路微圖形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝技術(shù)，起源于印刷技術(shù)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：一個由10萬元件組成的集成電路，其圖形最小條寬約為3µm，而由500萬元件組成的集成電路，其圖形最小條寬1

26、1;m，因此，集成度提高則要求條寬越細，也就要求光刻技術(shù)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(chǎn)量要大，因此，曝光時間應(yīng)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(xiàn)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是少，否則，就無法制造集成電路。4、精密的套刻對準：集成電路的圖形結(jié)構(gòu)需要多次光刻完成，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

27、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(yīng)交鏈成難溶大分子而留下，未曝光部分溶于顯影液而顯掉。由此完成圖形復(fù)制?？稍谝r底表面得到與光刻掩膜版遮光圖案相反的保護膠層。本課程設(shè)計采用正光刻膠，正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。6.4.2工藝步驟

28、1. 準備：A) 開前烘，堅膜烘箱，前烘溫度設(shè)定95，堅膜溫度為120。B) 涂膠前15分鐘開啟圖膠凈化臺，調(diào)整轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)要求。C) 光刻前30分鐘，開啟光刻機汞燈。D) 開啟腐蝕恒溫槽，溫度設(shè)定40E) 清洗膠瓶和吸管，并倒好光刻膠。F) 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(zhuǎn)涂膠法，涂膠前設(shè)定好予勻轉(zhuǎn)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

29、光 將套準后的硅片頂緊，檢查套準誤差、檢查曝光時間，確認無誤后，進行曝光。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(shè)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，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號液中將光刻膠去掉，并沖洗干凈，工藝結(jié)束。6.5硼擴散工藝(基區(qū)擴散)6.5.1 工藝原理（1）擴散是微觀粒子的一種極

30、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(shù)量的硼雜質(zhì)摻入到硅片晶體中，以改變硅片原來的電學(xué)性質(zhì)。硼擴散是屬于替位式擴散，采用預(yù)擴散和再擴散兩步擴散法，（2）預(yù)擴散磷雜質(zhì)濃度分布方程為：表示恒定表面濃度（雜質(zhì)在預(yù)擴散溫度的固溶度），D1為預(yù)擴散溫度的擴散系數(shù)，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。（3）再擴散（主擴散）硼再擴散為有限表面源擴散，雜質(zhì)濃度分布方程為：其中Q為擴散入硅片雜質(zhì)總量：D2為主擴散（再分布）溫度的擴散系數(shù)。雜質(zhì)分布為高斯分別。 6.5.2 工藝步驟1.準備：開擴散爐，并將溫度設(shè)定倒850-90

31、0，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(nèi)。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)。4.調(diào)節(jié)溫控器，使溫度達到預(yù)擴散溫度950，調(diào)節(jié)氧氣調(diào)整氧氣流量為3升/分鐘，并開始計時，時間是108.9s，根據(jù)工藝條件進行干氧。5.干氧完成后，開氮氣流量計，按工藝條件調(diào)節(jié)氮氣氧氣比例，然后，開通源閥，使通源流量達到工藝要求，并開始計時。6.通源完成后，關(guān)閉通源流量計，保持氮氣、氧氣流量進行吹氣，吹氣完成后，調(diào)整氮氣流量3升/分鐘，關(guān)閉氧氣流量計，同時調(diào)整擴散爐溫控器，進行降溫30分鐘。之

32、后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃，沖洗干凈后，檢測R值用四探針法進行測量。7.將預(yù)擴散硅片用2號液清洗，沖洗干凈甩干。8.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)。9.調(diào)節(jié)溫控器，使溫度達到再擴散溫度1200，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，時間是11209ss，根據(jù)工藝條件進行干氧20.4分鐘。10.在開始干氧同時，將濕氧水壺加熱到95-98。干氧完成后，開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關(guān)閉干氧流量計。根據(jù)工藝條件進行濕氧16.8分鐘。11.濕氧完成，開干氧流量計，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并根據(jù)工藝條件確定干氧時間為20.4分鐘。12.干氧完成后，開氮氣流量

33、計，流量3升/分鐘，根據(jù)工藝條件，確定氮氣時間328分鐘。13.氮氣完成后，主擴散結(jié)束，調(diào)整溫控器降溫，氮氣流量不變，時間30分鐘。14.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R值，結(jié)深(磨角法或者SEM法)，â值。15.將擴散后的硅片交光刻工藝，光刻完成后，檢測擊穿電壓、â值。16、根據(jù)實測â值，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(shè)計要求。硼擴散工藝實驗結(jié)束。6.6磷擴散工藝(發(fā)射區(qū)擴散）6.6.1 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

34、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(shù)量的磷雜質(zhì)摻入到硅片晶體中，以改變硅片原來的電學(xué)性質(zhì)。磷擴散是屬于替位式擴散，采用預(yù)擴散和再擴散兩個擴散完成。（1）預(yù)擴散磷雜質(zhì)濃度分布方程為： 表示恒定表面濃度（雜質(zhì)在預(yù)擴散溫度的固溶度），D1為預(yù)擴散溫度的擴散系數(shù)，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）磷再擴散為有限表面源擴散，雜質(zhì)濃度分布方程為： 其中Q為擴散入硅片雜質(zhì)總量：D2為主擴散（再分布）溫度的擴散系數(shù)。雜質(zhì)分布為高斯分布。 6.6.2 工藝步驟1. 工藝準備A) 開擴散爐，并將溫度設(shè)定到650-750，開氮氣流量3升/分鐘。B) 清洗源瓶，并倒好磷源（固態(tài)源，由氧化磷與其他穩(wěn)定的氧化物壓制而成）。C) 開涂源凈化臺，并調(diào)整好涂源轉(zhuǎn)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、甩干的硅片涂上磷源。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(diào)節(jié)溫控器，使溫度達到預(yù)擴散溫度115