PNP微電子工藝

1、微電子工藝課程設(shè)計(jì)學(xué) 院： 電信學(xué)院 專 業(yè)： 電子科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 目 錄1.課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)22.設(shè)計(jì)的內(nèi)容2 24.物理參數(shù)設(shè)計(jì)3 4.1 各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算3 4.2 集電區(qū)厚度Wc的選擇6 4.3 基區(qū)寬度WB6 4.4 擴(kuò)散結(jié)深10 4.5 芯片厚度和質(zhì)量10 4.6 晶體管的橫向設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇105.工藝參數(shù)設(shè)計(jì)11 5.1 工藝部分雜質(zhì)參數(shù)11 5.2 基區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程11 5.3 發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程13 5.4 氧化時(shí)間的計(jì)算146.設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)167.工藝流程圖178.生產(chǎn)工藝流程199.版圖28 29 30

2、 PNP雙極型晶體管的設(shè)計(jì)1、課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)微電子器件與工藝課程設(shè)計(jì)是繼微電子器件物理、微電子器件工藝和半導(dǎo)體物理理論課之后開出的有關(guān)微電子器件和工藝知識(shí)的綜合應(yīng)用的課程，使我們系統(tǒng)的掌握半導(dǎo)體器件，集成電路，半導(dǎo)體材料及工藝的有關(guān)知識(shí)的必不可少的重要環(huán)節(jié)。目的是使我們?cè)谑煜ぞw管基本理論和制造工藝的基礎(chǔ)上，掌握晶體管的設(shè)計(jì)方法。要求我們根據(jù)給定的晶體管電學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成晶體管的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)晶體管的圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料參數(shù)的選取和設(shè)計(jì)制定實(shí)施工藝方案晶體管各參數(shù)的檢測(cè)方法等設(shè)計(jì)過程的訓(xùn)練，為從事微電子器件設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)打下必要的基礎(chǔ)。2、設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)均勻摻雜的pnp型雙極晶

3、體管，使T=277K時(shí)，=120，VCEO=15V,VCBO=80V.晶體管工作于小注入條件下，最大集電極電流為IC=5mA。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響。3、設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)（1）了解晶體管設(shè)計(jì)的一般步驟和設(shè)計(jì)原則。（2）根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)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(kuò)散系數(shù)，遷移率，擴(kuò)散長(zhǎng)度和壽命 等。（3） 根據(jù)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)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(kuò)散結(jié)深Xjc,發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等。（4） 根據(jù)擴(kuò)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(kuò)散和再擴(kuò)散

4、的擴(kuò) 散溫度和擴(kuò)散時(shí)間；由擴(kuò)散時(shí)間確定氧化層的氧化溫度、氧化厚度和氧化 時(shí)間。（5） 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定器件的圖形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)器件的圖形尺寸，繪制出基區(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(xì)的工藝實(shí)施方案。4、物理參數(shù)設(shè)計(jì) 4.1 各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 擊穿電壓主要由集電區(qū)電阻率決定。因此，集電區(qū)電阻率的最小值由擊穿電壓決定，在滿足擊穿電壓要求的前提下，盡量降低電阻率，并適當(dāng)調(diào)整其他參量，以滿足其他電學(xué)參數(shù)的要求。對(duì)于擊穿電壓較高的器件，在接近雪崩擊穿時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)已擴(kuò)展至均勻摻雜的外延層。因此，當(dāng)集電結(jié)上的偏置電壓接近擊穿電壓V時(shí)，集電結(jié)可用突變結(jié)近似

5、，對(duì)于Si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(jì)的要求可知C-B結(jié)的擊穿電壓為： 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，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)可取: 即各區(qū)的雜質(zhì)溶度為： 圖1 室溫下載流子遷移率與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系（器件物理P55）根據(jù)圖1，得到少子遷移率： sVcmnE×=/1502mm又該設(shè)計(jì)是在T=277K下，由得：根據(jù)公式可得少子的擴(kuò)散系數(shù)： 圖2 摻雜濃度與電阻率的函數(shù)關(guān)系（器件物理P59）根據(jù)圖2，可得到不同雜質(zhì)濃度對(duì)應(yīng)的電阻率： 又該設(shè)計(jì)在K=277K溫度下，由：得： 圖3 少子壽命與摻雜濃度的函數(shù)

6、關(guān)系根據(jù)圖3，可得到各區(qū)的少子壽命 根據(jù)公式得出少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度： 4.2 集電區(qū)厚度Wc的選擇根據(jù)公式求出集電區(qū)厚度的最小值為：WC的最大值受串聯(lián)電阻rcs的限制。增大集電區(qū)厚度會(huì)使串聯(lián)電阻rcs增加，飽和壓降VCES增大，因此WC的最大值受串聯(lián)電阻限制。 綜合考慮這兩方面的因素，故選擇WC=8m 4.3 基區(qū)寬度WB （1）基區(qū)寬度的最大值 對(duì)于低頻管，與基區(qū)寬度有關(guān)的主要電學(xué)參數(shù)是b，因此低頻器件的基區(qū)寬度最大值由b確定。當(dāng)發(fā)射效率1時(shí)，電流放大系數(shù)，因此基區(qū)寬度的最大值可按下式估計(jì)： 為了使器件進(jìn)入大電流狀態(tài)時(shí)，電流放大系數(shù)仍能滿足要求，因而設(shè)計(jì)過程中取=4。根據(jù)公式,求得低頻管的基區(qū)寬

7、度的最大值為：由公式可看出，電流放大系數(shù)要求愈高，則基區(qū)寬度愈窄。為提高二次擊穿耐量，在滿足要求的前提下，可以將基區(qū)寬度選的寬一些，使電流在傳輸過程中逐漸分散開,以提高二次擊穿耐性。 （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(duì)不能穿通。因此，對(duì)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(duì)于均勻基區(qū)晶體管，當(dāng)集電結(jié)電壓接近雪崩擊穿時(shí)，基區(qū)一側(cè)的耗盡層寬度為： 在高頻器件中，基區(qū)寬度的最小值往往還受工藝的限制。則由上述計(jì)算可知基區(qū)的范圍為：。（3）基區(qū)寬度的具體設(shè)計(jì)與PN結(jié)二極管的分析類似，在平衡和標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，BJT可以看成是由兩個(gè)獨(dú)立的PN結(jié)構(gòu)成，它在

8、平衡時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖4 平衡條件下的PNP三極管的示意圖 具體來說，由于，所以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?yàn)镃-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。另外注意到是基區(qū)寬度，是基區(qū)中準(zhǔn)中性基區(qū)寬度；也就是說，對(duì)于PNP晶體管，有：其中和分別是位于N型區(qū)內(nèi)的E-B和C-B耗盡區(qū)寬度，在BJT分析中指的就是準(zhǔn)中性基區(qū)寬度。E-B結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)為： C-B結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)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(dāng)成單邊突變結(jié)處理C-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層厚度為：所以有：對(duì)于準(zhǔn)中性基區(qū)寬度W，取

9、基區(qū)寬度，則 驗(yàn)證其取值的準(zhǔn)確性，根據(jù)公式有： 解得的接近于設(shè)計(jì)的要求，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以基區(qū)寬度為，滿足條件。 4.4 擴(kuò)散結(jié)深在晶體管的電學(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(kuò)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(shí)間增長(zhǎng)，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 4.5 芯片厚度和質(zhì)量本設(shè)計(jì)選用的是電阻率為的P型硅，晶向是<111>。硅片厚度主要由集電結(jié)深、集電區(qū)厚度、襯底反擴(kuò)散層厚度決定。同時(shí)擴(kuò)散結(jié)深并不完全一致，在測(cè)量硅片厚度時(shí)也存在一定誤差。因此在選取

10、硅片厚度時(shí)必須留有一定的的余量。襯底厚度要選擇適當(dāng)，若太薄，則易碎，且不易加工；若太厚，則芯片熱阻過大。因此，在工藝操作過程中，一般硅片的厚度都在300um以上，但最后要減薄到150200um。硅片的質(zhì)量指標(biāo)主要是要求厚度均勻，電阻率符合要求，以及材料結(jié)構(gòu)完整、缺陷少等。 4.6 晶體管的橫向設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 (1)橫向設(shè)計(jì)進(jìn)行晶體管橫向設(shè)計(jì)的任務(wù)，是根據(jù)晶體管主要電學(xué)參數(shù)指標(biāo)的要求，選取合適的幾何圖形，確定圖形尺寸，繪制光刻版圖。晶體管的圖形結(jié)構(gòu)種類繁多：從電極配置上區(qū)分，有延伸電極和非延伸電極之分；從圖形形狀看，有圓形、梳狀、網(wǎng)格、覆蓋、菱形等不同的幾何圖形。眾多的圖形結(jié)構(gòu)各有其特色。

11、此次設(shè)計(jì)的晶體管只是普通的晶體管，對(duì)圖形結(jié)構(gòu)沒有特別的要求，所以只是采用普通的單條形結(jié)構(gòu)。三極管剖面圖如圖5，三極管俯視圖如圖6。圖5：三極管剖面圖圖6：三極管俯視圖(2)基區(qū)和發(fā)射區(qū)面積發(fā)射區(qū)面積取基區(qū)面積取。5、工藝參數(shù)設(shè)計(jì) 5.1 工藝部分雜質(zhì)參數(shù) 雜質(zhì)元素 磷（P） 硼（B） 表1 硅中磷和硼的與 5.2 基區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程 預(yù)擴(kuò)散時(shí)間PNP基區(qū)的磷預(yù)擴(kuò)散的溫度取1080，即1353K。單位面積雜質(zhì)濃度： 由上述表1可知磷在硅中有： 為了方便計(jì)算，取由公式 ，得出基區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)間： 氧化層厚度 氧化層厚度的最小值由預(yù)擴(kuò)散（1353K）的時(shí)間t=964.84s來決定的，且服從余誤差分

12、布，并根據(jù)假設(shè)可求 ，由一些相關(guān)資料可查出磷（P）在溫度1080時(shí)在中的擴(kuò)散系數(shù)：考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為6000。 基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間PNP基區(qū)的磷再擴(kuò)散的溫度這里取1200。由一些相關(guān)資料可查出磷的擴(kuò)散系數(shù)： 由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，由再擴(kuò)散結(jié)深公式：，而且 ， 故可整理為： 即經(jīng)過化簡(jiǎn)得： 解得基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間： 5.3 發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程 預(yù)擴(kuò)散時(shí)間 PNP發(fā)射區(qū)的硼預(yù)擴(kuò)散的溫度這里取950，即1223K。單位面積雜質(zhì)濃度： 由上述表1可知硼在硅中有： 為了方便計(jì)算，取由公式 ，得出發(fā)射區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)間： 氧化層厚度 氧化層厚度的最小值由預(yù)擴(kuò)散（1353K

13、）的時(shí)間t=1683s來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求 ，由一些相關(guān)資料可查出硼（B）在溫度950時(shí)在中的擴(kuò)散系數(shù)：考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為7000。 發(fā)射區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間PNP基區(qū)的磷再擴(kuò)散的溫度這里取1170，即1443K，則 由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，由再擴(kuò)散結(jié)深公式：，而且 ， 故可整理為： 即經(jīng)過化簡(jiǎn)得： 解得基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間： 5.4 氧化時(shí)間的計(jì)算 基區(qū)氧化時(shí)間由前面得出基區(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(jìn)行氧化工藝： 干氧：濕氧：干氧=1：4：1即先干氧1000（0.1um），再濕氧400

14、0（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(shí)間為：濕氧氧化4000的氧化層厚度需要的時(shí)間為：所以，基區(qū)總的氧化時(shí)間為： 圖7 氧化時(shí)間與氧化厚度的關(guān)系圖 發(fā)射區(qū)氧化時(shí)間由前面得出發(fā)射區(qū)氧化層厚度是7000，可以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(jìn)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7可得出：干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時(shí)間為：濕氧氧化5000的氧

15、化層厚度需要的時(shí)間為：所以，發(fā)射區(qū)總的氧化時(shí)間為：6、設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié) 采用外延硅片，其襯底的電阻率為7的P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1371348158少子擴(kuò)散系數(shù)電阻率少子壽命擴(kuò)散長(zhǎng)度結(jié)深/W()面積(2)1200600100擴(kuò)散溫度()和時(shí)間預(yù)擴(kuò)散/1080950, 1683再擴(kuò)散/1200,90501170,8700氧化層厚度()/60007000氧化時(shí)間/先干氧氧化20.4分鐘，后濕氧氧化16.2分鐘，再干氧氧化20.4分鐘，共氧化57分鐘。 表2 設(shè)計(jì)參數(shù)總表7、工藝流程圖PNP晶體管生產(chǎn)總的工藝流程圖如下: 8、生產(chǎn)工藝

16、流程 8.1 硅片清洗1.清洗原理：a. 表面活性劑的增溶作用：表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度時(shí)會(huì)在水溶液中 形成膠束，能使不溶或微溶于水的有機(jī)物的溶解度顯著增大。b.表面活性劑的潤(rùn)濕作用：固氣界面消失，形成固液界面c.起滲透作用；利用表面活性劑的潤(rùn)濕性降低溶液的表面張力后，再由滲透劑的 滲透作用將顆粒托起，包裹起來。具有極強(qiáng)滲透力的活性劑分子可深入硅片表 面與吸附物之間，起劈開的作用，活性劑分子將顆粒托起并吸附于硅片表面上， 降低表面能。顆粒周圍也吸附一層活性劑分子，防止顆粒再沉積。通過對(duì)污染物進(jìn)行化學(xué)腐蝕、物理滲透和機(jī)械作用，達(dá)到清洗硅片的目的。硅片清洗液是指能夠除去硅片表面沾污物的化學(xué)試

17、劑或幾種化學(xué)試劑配制的 混合液。常用硅片清洗液有：名稱配方使用條件作用號(hào)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(hào)洗液HCl:H2O2:H2O=1:1:61:2:880±510min去金屬離子去金屬原子號(hào)洗液H2SO4:H2O2=3:1120±101015min去油、去臘去金屬離子去金屬原子 8.2 氧化工藝 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(hù)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(gè)重要性

18、質(zhì)，對(duì)某些雜質(zhì)（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用，從而可以選擇擴(kuò)散；正是利用這一性質(zhì)，并結(jié)合光刻和擴(kuò)散工藝，才發(fā)展起來平面工藝和超大規(guī)模集成電路。制備二氧化硅的方法很多，但熱氧化制備的二氧化硅掩蔽能力最強(qiáng)，是集成電路工藝最重要的工藝之一。由于熱生長(zhǎng)制造工藝設(shè)備簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)SiO2薄層，氧化氣氛可為水汽，濕氧或干氧。實(shí)驗(yàn)表明，水汽氧化法：生長(zhǎng)速率最快，但生成的SiO2層結(jié)構(gòu)疏松，表面有斑點(diǎn)和缺陷，含水量多，對(duì)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。（

19、1）干氧法: 生長(zhǎng)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(qiáng)，鈍化效果好，SiO2膜表面與光刻膠接觸良好，光刻時(shí)不易浮膠。（2） 濕氧法:生長(zhǎng)速率介于前兩者之間，生長(zhǎng)速率可通過爐溫或水浴溫度進(jìn)行調(diào)整。使用靈活性大，濕氧法生長(zhǎng)的SiO2膜，雖然致密性略差于干氧法生長(zhǎng)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(diǎn)是SiO2表面與光刻膠接觸不良，光刻時(shí)容易產(chǎn)生浮膠。生產(chǎn)中采用取長(zhǎng)補(bǔ)短的方法，充分利用濕氧和干氧的優(yōu)點(diǎn)，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(kuò)散形式穿過滯流層運(yùn)動(dòng)到S

20、iO2-氣體界面，其流密度用F1表示，流密度定義為單位時(shí)間通過單位面積的粒子數(shù)。（2）氧化劑以擴(kuò)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。 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(tái)，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(dá)到氧化溫度后，調(diào)整氧氣流

21、量3升/分鐘，并開始計(jì)時(shí)，確定干氧時(shí)間。在開始干氧的同時(shí)，將濕氧水壺加熱到95-98。干氧完成后，立即開濕氧流量計(jì)，立即進(jìn)入濕氧化。同時(shí)關(guān)閉干氧流量計(jì)，確定濕氧時(shí)間；（4）濕氧完成，開干氧流量計(jì)，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計(jì)時(shí)，確定干氧時(shí)間；（5）干氧完成后，開氮?dú)饬髁坑?jì)，調(diào)整氮?dú)饬髁?升/分鐘，并開始降溫，降溫時(shí)間30分鐘；（6）將石英舟拉出，并在凈化臺(tái)內(nèi)將硅片取出，同時(shí)，檢測(cè)氧化層表面狀況和厚度；（7）關(guān)氧化爐，關(guān)氣體。 測(cè)量氧化層厚度測(cè)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(shí)，可用比色法來簡(jiǎn)單判斷厚度。比色法是利用不同厚度的氧化膜在白光

22、垂直照射下會(huì)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（埃）第四周期灰100黃褐300藍(lán)800紫1000275046506500深藍(lán)1500300049006800綠1850330056007200黃2100370056007500橙225040006000紅250043506250 8.3 光刻工藝 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(gè)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(duì)光刻的基本要求有如下

23、幾個(gè)方面：（1）高分辨率：一個(gè)由10萬(wàn)元件組成的集成電路，其圖形最小條寬約為3um，而由500萬(wàn)元件組成的集成電路，其圖形最小條寬為1.5-2um，百萬(wàn)以上元件組成的集成電路，其圖形最小條寬1um，因此，集成度提高則要求條寬越細(xì)，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(biāo)志，代表集成電路發(fā)展的水平。（2）高靈敏度：靈敏度是指光刻機(jī)的感光速度，集成電路要求產(chǎn)量要大，因此，曝光時(shí)間應(yīng)短，這就要求光刻膠的靈敏度要高。低缺陷：如果一個(gè)集成電路芯片上出現(xiàn)一個(gè)缺陷，則整個(gè)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量少，否則，就無(wú)法制造集成電路。

24、精密的套刻對(duì)準(zhǔn)：集成電路的圖形結(jié)構(gòu)需要多此光刻完成，每次曝光都需要相互套準(zhǔn)，因此集成電路對(duì)光刻套準(zhǔn)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(fù)膠兩種：正性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。負(fù)性光刻膠和正性光刻膠相反，負(fù)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去掉。由此完成圖形復(fù)制。本次采用正光刻膠。 工藝步驟1. 準(zhǔn)備：A) 開前烘，堅(jiān)膜烘箱，前烘溫度設(shè)定95，堅(jiān)膜

25、溫度為120。B) 涂膠前15分鐘開啟圖膠凈化臺(tái)，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(jī)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(tái)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(shí)間，甩干速度和時(shí)間。將氧化完成或擴(kuò)散完成的硅片放在涂膠頭上，滴上光刻膠進(jìn)行涂膠，要求膠面均勻、無(wú)缺陷、無(wú)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(jì)時(shí)，前烘完成后將硅片取出，4. 對(duì)準(zhǔn) 將掩膜版上在光刻機(jī)上，并進(jìn)行圖形套準(zhǔn)。5. 曝光 將套準(zhǔn)后的硅片頂緊，檢查套準(zhǔn)誤差、檢查曝光時(shí)間，確認(rèn)無(wú)

26、誤后，進(jìn)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(jī)中甩干，在顯微鏡下檢查是否合格，否則，返工。7. 堅(jiān)膜在顯影檢查合格后將硅片放入堅(jiān)膜烘箱進(jìn)行堅(jiān)膜，設(shè)定堅(jiān)膜時(shí)間。8. 腐蝕將堅(jiān)膜好的硅片準(zhǔn)備腐蝕，首先確認(rèn)氧化層厚度，計(jì)算腐蝕時(shí)間。然后進(jìn)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#液中將光刻膠去掉，并沖洗干凈，工藝結(jié)束。 8.4 磷擴(kuò)散工藝（基區(qū)擴(kuò)散） 工藝原理（1）擴(kuò)散是微觀粒子的一種極為普遍的熱運(yùn)動(dòng)形式，各種分離器件和集成電路制造中的固態(tài)擴(kuò)散工藝簡(jiǎn)

27、稱擴(kuò)散，磷擴(kuò)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(kuò)散是屬于替位式擴(kuò)散，采用預(yù)擴(kuò)散和再擴(kuò)散兩步擴(kuò)散法，（2）預(yù)擴(kuò)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(kuò)散溫度的固溶度），D1為預(yù)擴(kuò)散溫度的擴(kuò)散系數(shù)，x表示由表面算起的垂直距離（cm）,他為擴(kuò)散時(shí)間。此分布為余誤差分布。（3）再擴(kuò)散（主擴(kuò)散）磷再擴(kuò)散為有限表面源擴(kuò)散，雜質(zhì)濃度分布方程為：其中Q為擴(kuò)散入硅片雜質(zhì)總量：D2為主擴(kuò)散（再分布）溫度的擴(kuò)散系數(shù)。雜質(zhì)分布為高斯分別。 工藝步驟1.準(zhǔn)備：開擴(kuò)散爐，并將溫度設(shè)定倒700-750，開氮?dú)饬髁?升/分鐘。本實(shí)驗(yàn)采用液態(tài)源擴(kuò)散，源溫用低溫恒溫槽保持在5以內(nèi)

28、。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(dá)到預(yù)擴(kuò)散溫度800，調(diào)節(jié)氧氣調(diào)整氧氣流量為3升/分鐘，并開始計(jì)時(shí)，根據(jù)工藝條件進(jìn)行干氧。5.干氧完成后，開氮?dú)饬髁坑?jì)，按工藝條件調(diào)節(jié)氮?dú)庋鯕獗壤缓?，開通源閥，使通源流量達(dá)到工藝要求，并開始計(jì)時(shí)。6.通源完成后，關(guān)閉通源流量計(jì)，保持氮?dú)?、氧氣流量進(jìn)行吹氣，吹氣完成后，調(diào)整氮?dú)饬髁?升/分鐘，關(guān)閉氧氣流量計(jì)，同時(shí)調(diào)整擴(kuò)散爐溫控器，進(jìn)行降溫30分鐘。之后，拉出石英舟，取出硅片，漂去磷硅玻璃，沖洗干凈后，檢測(cè)R值用四探針法進(jìn)行測(cè)量。7.將預(yù)擴(kuò)散硅片

29、用2#液清洗，沖洗干凈甩干。8.取出再擴(kuò)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(dá)到再擴(kuò)散溫度1250，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計(jì)時(shí)，根據(jù)工藝條件進(jìn)行干氧11分鐘。10.在開始干氧同時(shí)，將濕氧水壺加熱到95-98。干氧完成后，開濕氧流量計(jì)，立即進(jìn)入濕氧化。同時(shí)關(guān)閉干氧流量計(jì)。根據(jù)工藝條件進(jìn)行濕氧36分鐘。11.濕氧完成，開干氧流量計(jì)，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并根據(jù)工藝條件確定干氧時(shí)間為11分鐘。12.干氧完成后，開氮?dú)饬髁坑?jì)，流量3升/分鐘，根據(jù)工藝條件，確定氮?dú)鈺r(shí)間328分鐘。13.氮?dú)馔瓿珊?，主擴(kuò)散結(jié)束，調(diào)整溫控器降溫，氮?dú)饬髁坎蛔?，時(shí)間30分鐘

30、。14.降溫完成后，拉出石英舟，取出硅片，檢測(cè)氧化層厚度、均勻性，漂去氧化層，沖洗干凈后，檢測(cè)R值，結(jié)深(磨角法或者SEM法)，值。15.將擴(kuò)散后的硅片交光刻工藝，光刻完成后，檢測(cè)擊穿電壓、值。16、根據(jù)實(shí)測(cè)值，與工藝要求進(jìn)行比較，如果不滿足工藝條件，重新計(jì)算再擴(kuò)散時(shí)間，并制定再擴(kuò)散工藝條件，至到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。磷擴(kuò)散工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)束。 8.5 硼擴(kuò)散工藝(發(fā)射區(qū)擴(kuò)散) 原理擴(kuò)散是微觀粒子的一種極為普遍的熱運(yùn)動(dòng)形式，各種分離器件和集成電路制造中的固態(tài)擴(kuò)散工藝簡(jiǎn)稱擴(kuò)散，硼擴(kuò)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(kuò)散是屬于替位式擴(kuò)散，采用預(yù)擴(kuò)散和再擴(kuò)散兩個(gè)擴(kuò)散完成。（1

31、）預(yù)擴(kuò)散硼雜質(zhì)濃度分布方程為： 表示恒定表面濃度（雜質(zhì)在預(yù)擴(kuò)散溫度的固溶度），D1為預(yù)擴(kuò)散溫度的擴(kuò)散系數(shù)，x表示由表面算起的垂直距離（cm）,他為擴(kuò)散時(shí)間。此分布為余誤差分布。（2）再擴(kuò)散（主擴(kuò)散）硼再擴(kuò)散為有限表面源擴(kuò)散，雜質(zhì)濃度分布方程為： 其中Q為擴(kuò)散入硅片雜質(zhì)總量：D2為主擴(kuò)散（再分布）溫度的擴(kuò)散系數(shù)。雜質(zhì)分布為高斯分布。 工藝步驟1. 工藝準(zhǔn)備A) 開擴(kuò)散爐，并將溫度設(shè)定到750-850，開氮?dú)饬髁?升/分鐘。B) 清洗源瓶，并倒好硼源（固態(tài)源，由氧化硼與其他穩(wěn)定的氧化物壓制而成）。C) 開涂源凈化臺(tái)，并調(diào)整好涂源轉(zhuǎn)速。2. 硅片清洗：清洗硅片，將清洗好的硅片甩干。3. 將清洗干凈、甩干的硅片涂上硼源。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(dá)到預(yù)擴(kuò)散溫度950，并開始計(jì)時(shí)，時(shí)間是1345秒（約22分鐘）。5. 預(yù)擴(kuò)散完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃，沖洗干凈后，檢測(cè)R值,用四探針法進(jìn)行測(cè)量。6.將預(yù)擴(kuò)散硅片用2#液清洗，沖洗干凈甩干。7.取出再擴(kuò)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)。調(diào)節(jié)溫控器，使溫度達(dá)到再擴(kuò)散溫度1200，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計(jì)時(shí)，前面已算出再擴(kuò)散時(shí)間6571