器件物理課程設(shè)計(jì)

1、1 .課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)書22 .物理參數(shù)設(shè)計(jì)32.1 各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算32.2 集電區(qū)厚度Wc的選擇62.3 基區(qū)寬度WB62.4 擴(kuò)散結(jié)深102.5 芯片厚度和質(zhì)量102.6 晶體管的橫向設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇103 .工藝參數(shù)設(shè)計(jì)113.1 工藝部分雜質(zhì)參數(shù)113.2 基區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程113.3 發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程133.4 氧化時(shí)間的計(jì)算144 .設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)165 .工藝流程圖176 .生產(chǎn)工藝流程197 .版圖288 .心得體會(huì)299 .參考文獻(xiàn)30廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目名稱npn雙極型晶體管的設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)院材料與能源學(xué)院專業(yè)班級(jí)微電子學(xué)專業(yè)2012級(jí)1

2、班姓名魏梁學(xué)號(hào)3112007312一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)均勻摻雜的npn型雙極晶體管，使T=300K時(shí)，hfe=120,BVCBO=80V.晶體管工作于小注入條件下，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。二、課程設(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)原則健康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Ng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Xe等。4 .根據(jù)擴(kuò)散結(jié)深Xc,發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje

3、等確定基區(qū)和發(fā)射區(qū)預(yù)擴(kuò)散和再擴(kuò)散的擴(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。7 .撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1 .材料參數(shù)設(shè)計(jì)2 .晶體管縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 .晶體管的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)報(bào)告四、課程設(shè)計(jì)進(jìn)程安排序號(hào)設(shè)計(jì)各階段內(nèi)容地點(diǎn)起止日期1教師布置設(shè)計(jì)任務(wù)，講解設(shè)計(jì)要求和方法教1-4032015.1.1

4、22學(xué)生熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行資料查閱和整體設(shè)計(jì)方案的制定圖書館，教1-4032015.1.133設(shè)計(jì)晶體管的材料參數(shù)圖書館，教1-4032015.1.144.設(shè)計(jì)晶體管的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)圖書館，教1-4032015.1.155教師集中輔導(dǎo)，分析設(shè)計(jì)中存在的主要問題教1-4032015.1.166設(shè)計(jì)縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)，繪制光刻基區(qū)、發(fā)射區(qū)和金屬化的版圖教1-4032015.1.172015.1.198工藝操作步驟設(shè)計(jì)圖書館，教1-4032015.1.209教師集中輔導(dǎo)和檢查版圖和工藝操作的設(shè)計(jì)教1-4032015.1.2110寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告圖書館，教1-4032015.1.222015.1.23五、應(yīng)收集

5、的資料及主要參考文獻(xiàn)1 .半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)RobertF.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(qiáng)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.發(fā)出任務(wù)書日期：2015年1月12日指導(dǎo)教師簽名：計(jì)劃完成日期:主管院長(zhǎng)簽章:2015年1月24日基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章:2、物理參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 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

6、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3用突變結(jié)近似，對(duì)于Si器件擊穿電壓為VB61013(NBC)4,由此可得集電區(qū)雜質(zhì)濃度為：Nc134(6 10 )3BVcbo136 10 n.1BVceo)3由設(shè)計(jì)的要求可知C-B結(jié)的擊穿電壓為:BV cbo80 Vcbo根據(jù)公式，可算出集電區(qū)雜質(zhì)濃度:Nc-13 4(6 1013)3BVcbo-13 4(6 1013)380_ _1536.814 10 cm 3般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足ne>>nb>n C艮據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)可取NB10Nc,Ne100NB即各區(qū)的雜

7、質(zhì)溶度為：153163183Nc6.81410cm,NB6.81410cm,Ne6.81410cmiqh他妍猱度（A工或A J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P108）根據(jù)圖1,得到少子遷移率:cp450900EP160根據(jù)公式可得少子的擴(kuò)散系數(shù):DCKTC0.02645011.7qDBKTB0.02690023.4qDEKTE0.0261604.16q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:C0.71?CMB0.28?CME0.0061?CMIQTIO 4IS 1AX肆電微嚏圖5-21Si中少數(shù)延通產(chǎn)電 r的壽命和tr散粒

8、檀，掉余濃度的關(guān)系WZTWe裝捧余需或力aAim”由5-22H型Sig少栽栽藻干空穴的特命和擴(kuò)趨長(zhǎng)度與鋒雜濃度的關(guān)奉根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可得到各區(qū)的少子壽命C、B和EC106SB10-6SE107S根據(jù)公式得出少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度:m C 3O 1 423546X-2.2 集電區(qū)厚度Wcfi勺選擇根據(jù)公式求出集電區(qū)厚度的最小值為:1WC XmB 寸產(chǎn) 14_12 8.85 1011.8 80 2/ 一 / - 19. _15 1.6 106.814 10539.1 10 cm 3.91umW的最大值受串聯(lián)電阻rcs的限制。增大集電區(qū)厚度會(huì)使用聯(lián)電阻rcs增加,飽和壓降VCe社曾大，因此W的最大值受審聯(lián)電阻限制

9、。綜合考慮這兩方面的因素，故選擇W=8pm2.3 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)是丫，因此低頻器件的基區(qū)寬2度最大值由丫確定。當(dāng)發(fā)射效率丫=1時(shí)，電流放大系數(shù)-吟,因此基區(qū)LB122寬度的最大值可按下式估計(jì)：WBLB2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)過程中取入=4。根據(jù)公式，求得低頻管的基區(qū)寬度的最大值為：L21WB.maxB28.76um由公式可看出，電流放大系數(shù)B要求愈高，則基區(qū)寬度愈窄。為提高二次擊穿耐量，在滿足B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

10、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BVcbo80V,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:2。N-X20SNDBV2XB,min一一一BvCBOqNANaNd1上BVcbo2 11.8 8.85 10 14_ _156.814 10i80戶qNBNbNc一一19_16_16_151.6106.814106.814106.814100.373104cm0.373um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：0.373mWb8.76m

11、(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，它在平衡時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如下所示：N圖4平衡條件下的PNPE極管的示意圖具體來說，由于NeNb,所以E-B耗盡區(qū)寬度（Web）可近視看作全部位于基區(qū)內(nèi)，又由NbNc,得到大多數(shù)C-B耗盡區(qū)寬度（WCb）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WCb>Web。另外注意到Wb是基區(qū)寬度，W是基區(qū)中準(zhǔn)中性基區(qū)寬度；也就是說，對(duì)于NPN晶體管，有：WbWXnEBXnCB其中XnEB和x1cB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

12、W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:VbiEBkT ln NENNB 0.026q n,6.81410186.8141016八八八，ln00.938V(10)2C-B結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)為:kT NcNbln -2-B 0.026 qniln6.814 1015 6.814 1016(1010)20.758V根據(jù)公式，E-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層寬度XnEB為:NeNb ,可以當(dāng)成單邊突變結(jié)處理XnEB12Ks 0 Ne2VbiEBq Nb Ne Nb2Ks o/VbiEB qNB12 11.8 8.85 10 14 0.938 萬1.6 10 19 6.814 10161.34 10 5c

13、m 0.134umC-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層厚度 4cb為：XnCB12F(VbiEB -Vcb) 2q Nb Nc Nb穿通時(shí)有W 0,則WbX nEB X nCB 0VCBVbiCBB,max - 八 nEB2Ks ° Nc q Nb Nc Nb0.758 1444714446.242V則Vcb|VCBO1所以有XnCB空二NVbiEB2qNbNcNb20.758211.88,8510146.81410151.610196.81410166.81410156.81410160.363105cm0.0363um對(duì)于準(zhǔn)中性基區(qū)寬度w根據(jù)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接近于設(shè)計(jì)的要求，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以基區(qū)寬度為Wb5.42m滿足條件0.373mWb8.76mo2.4 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，通常選取：反射結(jié)結(jié)深為XjeWb

15、5.42um集電結(jié)結(jié)深為Xjc2Wb10.84um2.5 芯片厚度和質(zhì)量本設(shè)計(jì)選用的是電阻率為0.7cm的N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。2.6 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

16、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。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A1010100m2基區(qū)面積取AB3020600m2。3、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 工藝部分雜質(zhì)參數(shù)雜質(zhì)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與Ea3.2 基區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程3.2.1 預(yù)擴(kuò)散時(shí)間NPNa區(qū)的硼預(yù)擴(kuò)散的溫度取900C,即1173K單位面積雜質(zhì)濃度：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快始觸雜及在iib中的丁假票.“BrftAMahiu中的must圖57一些雜質(zhì)在桂1111)曲中的打微系數(shù)產(chǎn)"&)為慢獷

18、放雜質(zhì)在III麻中的獷散系收.圖5)(I.)為快/做雜質(zhì)在,整丸可她行敢系數(shù)頃程度變化洞沙速溫發(fā)越局，非散票*俏越-條城魚池0''1之廠(,也岫溫也I，拓；勺！上|竺惺山；，£用一I，的擴(kuò)於有上圖可知取CS61019cm3由公式Q（t）CsWDt,得出基區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)間:_2132,Q(t)8.13103.14t221416s23.6min4C1D4610191.0210153.2.2 氧化層厚度氧化層厚度的最小值由預(yù)擴(kuò)散（1173K）的時(shí)間t=1416s來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求Xmin4.6/5不，由一些相關(guān)資料可查出硼（B）在溫度900c時(shí)在SO?

19、中的擴(kuò)散系數(shù)：Dso261015cm2/s0所以，xmin46DSi02t4.6.6101514161.34105cm1340A考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為6000A3.2.3 基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間NPN®區(qū)的硼再擴(kuò)散的溫度這里取1200c即1473K所以，DD0exp(且)0.76exp(3.466)1.091012cm2/skT8.614101473_122D1.0210cm/s由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故,XjC X.再擴(kuò)10.84 m由再擴(kuò)散結(jié)深公式:X再擴(kuò)2 Dt ln CSCb而且CScbNC6.8141015cm3.Dt故可整理為:X2再擴(kuò) 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經(jīng)過化簡(jiǎn)得：tlnt17.6t97921.30解得基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間：t=11921.4s=3.3h3.3 發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程3.3.1 預(yù)擴(kuò)散時(shí)間NPN發(fā)射區(qū)的磷預(yù)擴(kuò)散的溫度這里取950C,即1223K單位面積雜質(zhì)濃度：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查圖可知Cs81020cm315 23.73 103.14_ 2t Q (t) 4CSd5434.7s 90 min由公式Q（t）Csdt,得出發(fā)射區(qū)的預(yù)擴(kuò)散時(shí)間:_202_154810203.1410153.3.2 氧化層厚度氧化層厚度的最小值由預(yù)擴(kuò)散（1223K）的時(shí)間t=5434.7s來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求Xmin4.6qD；J,由一些相關(guān)資料可查出磷（P）在溫度950c時(shí)在SO2中的擴(kuò)散系數(shù)：DsiO22.21014cm2/s0所以，xmin4.6DSi02t4.6.2.210

22、145434.75.029105cm5029A0考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為7000A03.3.3 發(fā)射區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間NPN®射區(qū)的磷再擴(kuò)散的溫度這里取1170C,即1443K,則Do exo(EakT3.85 exo(3.665)8.614 10 5 14436.28 1013cm2/s由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故,Xje X.再擴(kuò) 5.42由再擴(kuò)散結(jié)深公式:_ _ CsX 再擴(kuò) 2 Dt ln - Cb而且Cs QSCbNB 6.814 1016cm故可整理為:X2再擴(kuò)4Dt ln-Cbt ln tQ 2t ln Cb DX2再擴(kuò)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經(jīng)過化簡(jiǎn)得:t lnt 21.1t 233888 00解得基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間：t=20978.9s=5.8h3.4氧化時(shí)間的計(jì)算3.4.1基區(qū)氧化時(shí)間0由前面得出基區(qū)氧化層厚度是6000A,可以采用干氧-濕氧-干氧的工藝0將6000A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1000A(0.1um),再濕氧4000A(0.4um),再干氧1000A(0.1um)取干氧和濕氧的氧化溫度為1200c,由圖7可得出：0干氧氧化1000A的氧化層厚度需

24、要的時(shí)間為：t10.34h20.4min0濕氧氧化4000A的氧化層厚度需要的時(shí)間為：t20.27h16.2min所以，基區(qū)總的氧化時(shí)間為：t23t2220.416.257min0(104 3科 ).010制化時(shí)間(小時(shí))(a)100.0± 4 J lD.n o圖7氧化時(shí)間與氧化厚度的關(guān)系圖3.4.2發(fā)射區(qū)氧化時(shí)間0由前面得出發(fā)射區(qū)氧化層厚度是7000A,可以采用干氧-濕氧-干氧的工0藝，將7000A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1000A(0.1um),再濕氧5000A(0.5um),再干氧1000A(0.1um)取干氧和濕氧的氧化溫度

25、為1200C,由圖7可得出：0干氧氧化1000A的氧化層厚度需要的時(shí)間為：t10.34h20.4min0濕氧氧化5000A的氧化層厚度需要的時(shí)間為：t20.4h24min所以，發(fā)射區(qū)總白氧化時(shí)間為：t23t2220.42464.8min4、設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)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Nxcm36.81410156.81410166.8141018少子遷移率Xcm2/Vs450900160少子擴(kuò)散系數(shù)Dxcm2/s11.723.44.16電阻率X?cm0.70.160.007少子壽命xs106106107擴(kuò)散長(zhǎng)度LXcm3.421034.81036.45104結(jié)深/W(m)XjC10.

26、84mWR5.42mBXje5.42m面積(m2)1200600100擴(kuò)散溫度(C)和預(yù)擴(kuò)散/900C,23.6min950c,90min再擴(kuò)散/1200c,3.3h1170c,5.8h時(shí)間0氧化層厚度（A）/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。先干氧氧化20.4分鐘，后濕氧氧化24分鐘，再干氧氧化20.4分鐘，共氧化64.8分鐘表2設(shè)計(jì)參數(shù)總表5、工藝流程圖<111直 向,例的I號(hào)洗液清洗1.硅片清洗c 0-7cm 的 n 型NPNft體管生產(chǎn)總的工藝流程圖如下：硅片，用NH4OH:H2O2:H20=1:1:

27、6比2.氧化氧化一層氧化膜做為掩蔽膜。3.光刻基區(qū)在掩膜版上光刻一個(gè)基區(qū)窗口，面積為2AB3020600m24.硼預(yù)擴(kuò)散SQ2 b 摻雜 SiO25.去膜氧化將預(yù)擴(kuò)散中摻入雜質(zhì)的氧化層通過 清洗工藝去除6.硼再擴(kuò)散與發(fā) 射區(qū)氧化SiO2再擴(kuò)散溫度：1200c再擴(kuò)散時(shí)間：3.3h基區(qū)結(jié)深：10.84um氧化一層氧化膜作為掩蔽膜雜質(zhì)濃度為6.8141016cm預(yù)擴(kuò)散溫度：900c預(yù)擴(kuò)散時(shí)間：23.6min7.光刻發(fā)射區(qū)紫外踐N-Si8.磷預(yù)擴(kuò)散P摻雜在掩膜版上光刻一個(gè)發(fā)射區(qū)窗口，2面積為：Ae1010100m雜質(zhì)濃度：6.8141018cm預(yù)擴(kuò)散溫度：950預(yù)擴(kuò)散時(shí)間：67.7min9.去氧化層將

28、預(yù)擴(kuò)散中摻入雜質(zhì)的氧化層通過清洗工藝去除10.磷再擴(kuò)散再擴(kuò)散溫度：1170c再擴(kuò)散時(shí)間：5.8h發(fā)射區(qū)結(jié)深：5.42um11.沉積保護(hù)層保護(hù)晶體管各區(qū)雜質(zhì)濃度不變12.光刻接觸孔13.金屬化用晶體管測(cè)試儀測(cè)試相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證參數(shù)的正確性6.1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

29、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I號(hào)洗液NHOH:HQ:H2。=1:1:51:2:780±5c10min去油脂去光刻膠殘膜去金屬離子去金屬原子II號(hào)洗液HCl:H2O:H2O=1:1:61:2:880±5c10min去金屬離子去金屬原子田號(hào)洗液HSOMQ=3:1120±10C1015min去油、去臘去金屬離子去金

30、屬原子6.2氧化工藝6.2.1 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(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)重要性質(zhì)，對(duì)某些雜質(zhì)（如硼、磷、神等）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

31、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。（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

32、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SiO2-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

33、用干氧-濕氧干氧工藝制備。6.2.2氧化工藝步驟（ 1）開氧化爐，設(shè)定升溫程序，升溫速度不超過每分鐘5，以防止加熱絲保護(hù)涂層脫落，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)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計(jì)時(shí)，確定干氧時(shí)間。氧化時(shí)間為20.4min。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)，開始計(jì)時(shí)，其中基區(qū)擴(kuò)散需要濕氧氧化時(shí)間為為24min,到達(dá)時(shí)間后關(guān)閉濕氧流量計(jì);16.2min,發(fā)射區(qū)擴(kuò)散需要濕氧氧化時(shí)間

34、(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)間為20.4min,到達(dá)時(shí)間后關(guān)閉濕氧流量計(jì)；(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。6.2.3測(cè)量氧化層厚度測(cè)量厚度的方法很多，有雙光干涉法、電容一壓電法、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，測(cè)量時(shí)先用HF腐蝕表層，然后用去離子水沖洗干凈，最

35、后將硅片上的顏色和條紋與下表數(shù)值對(duì)比，讀出氧化層厚度。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2500435062506.3光刻工藝6.3.1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(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幾個(gè)方

36、面：（1）高分辨率：一個(gè)由10萬元件組成的集成電路，其圖形最小條寬約為3umi而由500萬元件組成的集成電路，具圖形最小條寬為1.5-2um,百萬以上元件組成的集成電路，具圖形最小條寬01um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，就無法制造集成電路。精密的

37、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。6.3.2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)

38、膜溫度為120。B) 涂膠前15分鐘開啟圖膠凈化臺(tái)，調(diào)整轉(zhuǎn)速，慢速轉(zhuǎn)速為960r/min，時(shí)間55, 5s后調(diào)整快轉(zhuǎn)速為3960r/min,時(shí)間25s。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(jì)時(shí)，前烘95，15min完成后將硅片取出，4. 對(duì)準(zhǔn)

39、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)間為25s,確認(rèn)無誤后，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0.5%NaOK3-5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2min,溫度130。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，其中基區(qū)氧化層厚度為6000A,發(fā)射區(qū)氧化層厚度為7000A,計(jì)算腐蝕時(shí)間。然后用HF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

40、。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。6.4磷擴(kuò)散工藝（基區(qū)擴(kuò)散）6.4.1 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)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：N（x,t）Nserfc（x2Dt）表示恒定表面濃度（雜質(zhì)在預(yù)擴(kuò)散溫度的固溶度），D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（cmj），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

41、表面源擴(kuò)散，雜質(zhì)濃度分布方程為：2x、Qexp()N(x,t).D2t4D2t其中Q為擴(kuò)散入硅片雜質(zhì)總量:Q°N（x,t）dtD2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。6.4.2 工藝步驟（基區(qū)）1 .準(zhǔn)備：開擴(kuò)散爐，并將溫度設(shè)定倒700-750C,開氮?dú)饬髁?升/分鐘。本實(shí)驗(yàn)采用液態(tài)源擴(kuò)散（BBa）,源溫用低溫恒溫槽保持在5c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(dá)到預(yù)，硼預(yù)擴(kuò)散溫度900C,時(shí)間為23.6min.5 .干氧完成后，開氮?dú)饬髁坑?jì)，

42、按工藝條件調(diào)節(jié)氮?dú)庋鯕獗壤?，然后，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1200C,時(shí)間3.3h。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

43、95-98Co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。14 .降溫完成后，拉出石英舟，取出硅片。6.5磷擴(kuò)散工藝(發(fā)射區(qū)擴(kuò)散)6.5.1 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)預(yù)擴(kuò)散硼雜質(zhì)濃度分布方程為：N(x,t)Nserfc(.x2Dt)表示恒定表面濃度(雜質(zhì)在預(yù)擴(kuò)散溫度的固溶度)，D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