半导体器件平面工艺实验讲义教材

1、微电子器件制备与测试分析系列讲义之半导体平面工艺哈尔滨理工大学应用物理系目录半导体平面工艺 1化学清洗与安全知识 6实验一热氧化法制备 SiO2 11实验二固态氮化硼扩散 20实验三光刻工艺 27实验四蒸发工艺 32实验五制版工艺 38实验六扩散深度的测量 45半导体平面工艺关于平面工艺以及用这种工艺制造的半导体器件的介绍始于I960年，从此，平面工艺就成为制造半导体器件合集成电路的主要方法，它对半导体器件迅速取 代一些较老的电子学元件，并深入到电子学应用的崭新领域做出了重要贡献。像大多数重要的工艺进展一样，平面工艺也是从前几代工艺中脱胎出来的。 因 此，叙述平面工艺的发展过程及其基本原理的最

2、好方法是将它和两种最重要的早 期半导体器件制造方法-生长结方法和合金方法作一个比较。1. 生长结方法半导体单晶是由掺有某种杂质的半导体熔液生长出来的（例如P型）。在生长过程中的某一时刻，突然改变熔液的导电类型。（例如，投入一颗含有施主杂质的 小球，结果，单晶的其余部分长成 N型的。）生长完成以后，把晶体切成含有 P-N 结的小条。结型晶体管发明之后的头几年，这个方法是极其重要的，但从大批量生产的 角度来看，生长结方法还不如早期半导体器件工艺中提出的另一种方法一一合金 结方法。图1生长结方法示意图2. 合金结方法将一个含有受主型杂质（以此为例）的小球放在一个n型半导体片子上。然后将它们一起加热到

3、足够高的温度，使小球以融解或合金的形式掺入半导体片子， 晶体冷却之后，小球下面形成一个受主型杂质饱和的再分布结晶区，这样就得到 了一个P-N结。这种方法过去是，而且现在仍然是二极管和晶体管（主要是锗器件）的大批量 生产中使用的一种成功的方法。然而，随着半导体器件的应用范围愈来愈广泛， 对其性能的要求也大大提高了。在这些日益提高的要求面前，合金方法很快就暴 露了其固有的局限性。例如，结的位置总是难以控制的P型杂质小球再结晶的P型区图2 合金结方法示意图3. 平面工艺为了探索一种能够精确控制 P-N结位置的方法，导致了扩散结的发展。扩散 结的形成方式与合金过程有其相似之处，即片子的表面是暴露于包括

4、在例如气体 中的相反类型的高浓度杂质源之中。不过，在这种情况下不发生相变；杂质靠固 态扩散进入半导体晶体内部，而固态扩散能够非常精确地加以控制。此外，还因为发现二氧化硅薄层能够有效地掩蔽大多数最重要的受主和施主 杂质的扩散，因而半导体几何图形的控制精度也提高了；另外，二氧化硅薄层能 钝化半导体器件表面，受周围环境影响的弱点得到了极大的克服，从而提高了器 件特性的重复性和稳定性。平面工艺则兼有用固态扩散方法形成结和利用二氧化硅掩膜精确控制器件几 何图形这两方面的优点。概括起来，平面工艺就是利用掩蔽膜，通过光刻出窗口 控制几何图形，进行选择扩散形成 P-N结等，制造半导体器件的工艺。例：硅外延平面

5、晶体管3DK4工艺流程夕卜延_一次氧化基区光刻硼再分布刻发射区磷预沉积刻引线孔蒸铝铝反刻初测戈V片烧结中测封帽-_工艺筛选打印包装入库02N型SiP型杂质扩散N型胃图3晶体管平面工艺示意图F型Si区N型&4 本实验的工艺流程本实验的主要目的就是应用平面工艺制作二极管。具体工艺流程如下:一次氧化P区光刻硼预沉积蒸铝刻引线孔Y硼再分布n-Sin-SiSio/n-Si衬底制备氧化.BQ,一次光刻（刻扩散窗口）二次光刻（刻弓|线孔）1«再分布硼预沉积n-Si二次光刻（反刻铝电极）P_N结特性测试蒸铝图4应用平面工艺制作二极管示意图具体的实验过程可以用图4所示的步骤来表示：1）首先准备

6、一 N型Si外延片，然后在Si外延片的表面氧化一层Si02,这层SiO2 既起到对杂质的屏蔽作用，又能起到绝缘等保护作用，这是实验一的内容。2）通过一次光刻，在Si02层表面刻蚀出扩散窗口，或者称为 P区窗口。3）以BN为源，向扩散窗口中进行B扩散。这里一般有两个过程：一是B预沉积， 即，在表面杂质浓度恒定的条件下，将杂质 B沉积在Si表面的一无限薄层内， 通过扩散时间的控制可以决定杂质总量的多少。这一过程之后，往往要通过测 量样片的方块电阻，以确定杂质总量是否合适。4）二是B再分布，即，在杂质总量恒定的条件下，向 Si深层进行B扩散，通过 扩散时间的控制可以决定杂质扩散的深度。这一过程之后，

7、常常要进行扩散深度的测量，又叫结深测量。5）B扩散之后，含有B杂质的区域就成为P型Si，称为P区。由于B再分布过 程是在通氧气的环境下进行的，因此会在P区表面形成一薄层Si02,必须通过 二次光刻，刻蚀出电极引线孔。6) 二次光刻后，利用真空蒸发工艺，在器件表面沉积一层金属 Al 作为电极。7) 再进行三次光刻，去掉多余部分的 Al ，最终形成 Al 电极。这样一个简单的二 极管就制作完成了。8) 最后一步，进行二极管正反向偏置条件下结特性的测量， 以确定二极管的性能。化学清洗与安全知识化学清洗在半导体器件工艺实验中化学清洗是指清除吸附在半导体、金属材料以及 用具表面上的各种有害杂质或油污。清

8、洗方法是利用各种化学试剂和有机熔剂与 吸附在被清洗物体表面上的杂质及油污发生化学反应和溶解作用， 或伴以超声加 热、抽真空等物理措施，使杂质从被清洗物体的表面脱附（或称解吸） ，然后用大 量高纯冷热去离子水冲洗，从而获得洁净的物体表面。（一）化学清洗的重要性 工艺实验中每个实验都有化学清洗的问题，化学清洗的好坏对实验结果有严 重的影响，处理不当，则得不到实验结果或实验结果不好。因此弄清楚化学清洗 的作用和原理，对做好工艺实验有着重要的意义。大家知道，半导体的重要特性 之一是对杂质十分敏感，只要有百万分之一，甚至微量的杂质，就会对半导体的 物理性质有所影响，我们就是利用这一特性，通过掺杂的方法制

9、作各种功能的 半导体器件。但也由于这一特性，给半导体器件工艺实验带来麻烦和困难所使 用的化学试剂、生产工具，清洗用的水等都可能成为有害杂质的沾污源即使是 清洁的半导体晶片，较长时间暴露于空气之中也会引入明显的杂质沾污。化学 清洗就是消除有害杂质沾污，保持硅片表面清洁。（二）化学清洗的范围 化学清洗主要包括三个方面的清洗，一是硅片表面的清洗；二是使用的金属 材料（如作蒸发电极用的钨丝，作蒸发垫板用的钼片、作蒸发源用的铝合金，制 铬板用的铬等）的清洗；三是所用工具、器皿（如金属镊子石英管、玻璃容器、 石墨模具、塑料和橡胶制品等）的清洗。（三）硅片表面沾污杂质的类型1. 分子型杂质吸附以分子形式吸附

10、在硅片表面上的典型沾污杂质，主要是天然或合成油脂、树 脂和油类等物质。在衬底制备中的切、磨、抛引入的杂质多属于此种类型。此外， 操作者手指上的油脂，光刻胶以及有机溶剂的残渣等也均属于这一类型。分子型杂质吸收的特点是它们与硅片表面的接触通常是依靠静电引力来维 持，是一种物理吸附现象。由于天然或合成油脂、树脂和油类的分子一般以非极 性分子存在，它是靠杂质的中性分子与硅片表面硅原子没有被平衡的那部分剩余 力相互吸引而结合的。结合的力与分子型晶体结构中分子与分子间存在的范德瓦 耳斯力是一样的。这种吸引力比较弱，它随着分子间距的增加很快被削弱，所以 这种力所涉及的范围只不过在 23X10-8厘米（即2-

11、3埃）左右，也就是象分子 直径那么大小的距离，因此要彻底清除这些分子型杂质是比较容易的。分子型杂 质的另一个重要特点是，大多是不溶于水的有机化合物，当它们吸附在硅片表面 时将使硅片表面呈现疏水性，从而妨碍了去离子水或酸、碱溶液与硅片表面的有 效接触，使得去离子水或酸碱溶液无法与硅片表面或其它杂质粒子相互作用， 因此无法进行有效的化学清洗。2. 离子型杂质吸附以离子形式吸附在硅片表面的杂质一般有K+、Na+、Ga2+、Mg2+、Fe2+、H+、（OH） -、F-、Cl-、S2-、（CO3） 2-等。这类杂质的来源最广 ,可以来自于空气、用具 和设备、化学药品、纯度不高的去离子水、自来水、操作者的

12、鼻和嘴呼出的气体、 汗液等各个方面。离子型杂质吸附多属于化学吸附的范畴， 其主要特点是杂质离子和硅片表面之 间依靠化学键力相结合，这些杂质离子与硅片表面的原子所达到的平衡距离极小， 以至于可以认为这些杂质离子已成为硅片整体的一部分。根据化学吸附杂质的性 质，有的可以是晶格自由电子的束缚中心，充当电子的陷阱，起着受主的作用； 有的可以作为自由空穴的束缚中心，起着施主的作用。由于化学吸附力较强，所 以对这种杂质离子的清除较之分子型杂质困难得多。3. 原子型杂质吸附 以原子形式吸附在硅片表面形成沾污的杂质主要是指如金、银、铜、铁、镍 等金属原子。这些金属原子一般是来自于酸性的腐蚀液，通过置换反应将金

13、属离 子还原成为原子而吸附在硅片表面。原子型杂质吸附力最强 ,比较难以清除。兼之金、铂等重金属原子不容易和一 般酸、碱溶液起化学反应，因此必须采用诸如王水之类的化学试剂，使之形成络 合物并溶于试剂中，然后才能用高纯去离子水冲除。（四）硅片清洗的一般程序通过上面分析，分子型杂质比较容易清除。这种杂质的存在，对于清除离子 型和原子型杂质具有掩蔽作用。因此在对硅片进行化学清洗时，首先应该把它们 清除干净。离子型和原子型吸附的杂质属于化学吸附杂质，其吸附力都较强，在一般情 况下，原子型吸附杂质的量较小，而且它们不和酸、碱发生化学反应，必须用王 水或酸性双氧水才能溶除。王水和酸性双氧水还能溶除离子型杂质

14、，因此在化学 清洗时，一般都采用酸、碱溶液或碱性双氧水先清除掉离子型吸附杂质，然后再 用王水或酸性双氧水清除残存的离子型杂质及原子型杂质。最后用高纯去离子水 冲洗干净。综上所述，清洗硅片的一般程序为：去油 f 去离子 f 去原子 f 去离子水冲洗每个实验前，硅片都必须进行化学清洗。但由于每次清洗前硅片表面情况不 一样，因此每次清洗所用的化学药品，清洗的侧重点就不一样，具体的清洗过程 存在着灵活性。所以必须根据具体情况，考虑清洗的实际效果，确定每次清洗工 作的具体方法和步骤。（五）常用金属和器皿的清洁处理实验中所用的金属材料和用具也是硅片受沾污的主要原因之一为了保证硅 片表面清洁。必须认真做好金

15、属和器皿的清洁处理工作。金属和器皿的清洗的一 般原则是，首先应该清洗油脂类物质，然后用酸、碱或洗液和王水腐蚀清洗或清 洗，最后用高纯去离子水冲洗干净。安全知识实验中经常使用各种化学药品和气体。其中有些是易燃品，易爆品，毒品， 以及酸碱等腐蚀品。如果使用不当，会发生事故。首先要避免事故发生，万一 出了事故，不要惊慌失措，要及时采取正确措施，排除故障。（一）有机溶剂的安全使用 常用的有机溶剂有甲苯、丙酮、乙醇、丁酮、三氯乙烯、四氯化碳等。这些 有机溶剂大多易燃，遇高温或明火时会燃烧，要贮存在阴凉处，不要靠近火源。 使用时不要直接放在电炉上加热，若需加热，一般采用水浴加热，如果万一着火， 可用湿布或

16、细沙扑灭，最好用二氧化碳、四氯化碳灭火机或泡沫灭火机灭火，不 要用水浇或用含水的酸碱灭火机喷射。这些有机溶剂易挥发，并有不同程度的毒性，因此使用时应在通风橱中操作， 加强排气。（二）酸碱的安全使用 实验中常用硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸和王水等强酸溶液及氢氧化纳、氢氧 化钾等强碱溶液。它们对人体及衣物有强烈的腐蚀作用，因此必须注意安全使用。1有酸、碱蒸气的地方要安装良好的通风排气设备。2操作者要穿戴适当的防护服（如橡皮手套，戴口罩等） 。3严禁用嘴将酸、碱等液体吸入移液管内，应该使用带橡皮球的移液管去吸 取。4搬运时要谨慎，防止酸、碱瓶倾倒或破裂，起封时瓶口应向无人的地方。5稀释硫酸时必须将硫酸慢

17、慢注入水中，切勿把水倒入硫酸。6中和浓酸或浓碱时必须先将它们倒入水中稀释，然后再用碱或酸溶液进 行中和。7盛过强酸、强碱的容器，应先倾倒干净，用水冲洗多遍，然后再进行一般 清洁处理。如果受到酸碱灼伤，首先用大量水冲洗，万一有酸碱溅入眼内时，应速用大量自来水冲洗眼睛。不管严重灼伤还是溅入眼，冲洗后，立即到医院治疗。（三）气体的安全使用 使用的气体一般用钢瓶贮送或用输气管道输送。有些气体混合时，容易引起 燃烧或爆炸。为便于识别气瓶中装何种气体，常用不同颜色和字样来标明各种气体所用钢 瓶，此外还标着气体名称的字样。气瓶内的气体通常具有较高的气压，新装的气瓶内的气压约150 公斤 /厘米 2左右，因此

18、存放和使用时应注意安全。1夏季不要把气瓶放在日光曝晒的地方。存放气瓶的附近禁放易燃物品和使 用火源。2对于装有相互接触能引起燃烧或爆炸的气瓶（如氢、氧气瓶）必须分开单 间存放，避免由于漏气等引起事故。3气瓶内的气体不能全部用完，一般应留下一定的剩余气体。 4气瓶嘴及搬子严禁沾染油脂。5使用氢气时必须用惰性气体赶净设备内的空气，检查系统是否漏气，要装 回火装置。（四）有毒物质的安全使用 在实验中用到有毒化学试剂和化合物时应注意防止中毒。其安全使用的原则 是：1操作应在通风橱内进行，用完的残渣残液应处理后倒在安全处。 2操作者应带口罩、手套，严禁与皮肤接触和误入口中。 3实验完毕手套必须用水冲洗干

19、净后才能脱掉。实验一热氧化法制备SiO2一、目的：用热氧化法制备SiO2.二、原理：1 干氧氧化：高温下的氧分子与Si片表面的Si原子反应，生成SiO2起始层, 其反应式为：咼 温Si O2SiO2此后，由于起始氧化层阻止氧分子与Si表面的直接接触，氧分子只有以扩散方式通过SiO2层，到达SiO2 Si界面，才能和Si原子反应，生成新的SiO2层, 使SiO2层继续增厚。干氧氧化生长的SiO2层厚度d在温度高于1000C以上，由下式决定：d2 -Qt， 式中：d： SiO2层厚度；K仁比例常数；t：氧化时间。氧化层厚度与氧化时间的关系如图（1 1）所示。2. 湿氧氧化：氧气通过装有高纯去离子水

20、的氧化瓶，通过起泡的形式进入石 英管，因此，进入石英管的氧气带有水汽，其水汽的含量由氧化瓶的温度和氧气 流的速率决定。由于参与氧化的物质是水和氧的混合物，所以它的氧化速率比干 氧氧化要快得多，反应方程式如下：SiO2SiO2Si + 2H2OS02 + 2H2在湿氧氧化时，生长的SiO2层厚度除与氧化时的温度、时间有关外，还与氧 气中含水量有关，在一定的氧气流量下，含水量决定氧化瓶水浴温度246 S IO2 2 A 6 a ID3 2时间（分钟）2 8 6 n2 3 8 6 41010图1 1硅干氧氧化层厚度与时间的关系C= 133x10 微米?I I i i i icc_0 o559 00J

21、r592S°C 干氧122x102W310246 S 102246 B1032吋何（分钟）TV I I I I I I 1138-5x10 （TIOOOC）I I l J Mill图12硅湿氧氧化层厚度与时间关系温氧氧化生长的SiO2厚度d由下式决定：2d= K2t式中：d： SiO2层厚度；K2:比例系数；t:氧化时间。氧化层厚度与氧化时间的关系如图（1 2）所示，从图中看出：湿氧氧化速 率比干氧氧化要快。以上两种氧化方式比较起来看，干氧氧化：速率慢，SiO!罢致密，质量好+湿氧氧化：速率较快，质量差.实际工艺中常将二钟方法结合起来。三、装置及所用化学药品实验装置如图1 3计6管

22、英 石图1 3氧化装置仪器：高温氧化炉，检流计，标准电池，甲电池，UJ 1电位差计，铂铑热电偶。工具：镊子，石英杯，石英舟，石英钩化学药品：H2SO4、甲苯、乙醇。四、实验条件与步骤氧化条件：炉温Ti= 1000C，水浴温度T2 = 95C；氧气流量为500CC/分； 氧化时间t = （ 5干+ 50湿+ 5干）分钟。氧化步骤：1. 当氧化炉的温度达到1000°C并稳定后，氧化瓶温度达到 95°C并稳定后， 先通入500CC/分干氧，排除石英管中的空气及灰尘。2. 将清洗好的硅片用镊子挟到石英舟上，用石英钩将舟推入恒温区。3. 从舟到恒温区起计时，通干氧5分钟，然后再通湿氧

23、50分钟。4. 关闭湿氧，再通干氧5分钟，然后将石英舟拉至炉口，用镊子将硅片挟到 烧杯中，观察一下表面情况。5. 关闭炉子，关掉氧气。附：SiO2层质量的检验。SiO2是平面工艺的基石，SiO2质量的好环对器件的性能影响很大，所以SiO2形成后，必须对它进行必要的检验，本实验对SiO2层进行厚度测量以及热氧化后层错的观测。I、SiO2厚度的测量：用干涉法测量SiO2层厚度。用单色光垂直照射氧化层表面时，由于 SiO2是透 明介质，所以入射光将分别在SiO2表面和SiO2 Si界面处反射，如图1 4所示。 根据光的干涉原理，当两束相干光的光程差:为半波长的偶数倍时，即当&=2KK'

24、;（K=1,2）时，两束光的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹，2当两束光的光程差丄为半波长的奇数倍时，两束光的相位相反，因而互相减弱， 出现暗条纹。从最暗到相邻一个最暗（或最亮到相邻一个最亮）称为一个干涉条 纹，一般条纹可以估计到半条。步骤：a. 将一小块火漆放到 SiO2层上加热，使之熔化。b. 故入HF中，将未被火漆保护的 SiO2腐蚀掉。（注意腐蚀时间不宜过长，否则 使台阶变窄）。Si02 表面！ |1III11 甲11图1-4氧化薄膜厚度测量原理示意图c. 用水冲掉HF，用甲苯将火漆去掉，再用乙醇将甲苯去掉。d. 用金相显微镜在钠灯照射下读出 SiO2斜面上的干涉条纹数，用下面的公式

25、 计算厚度：d = x,2n其中d:氧化层厚度；:钠光的波长，5890? ; n： SiO2的折射系数，n - 1； x:干涉条纹数。II、氧化后层错的观察：1. 目的：观察热氧化产生的二次缺陷热氧化层错。2. 原理：利用铬酸腐蚀液对已去掉热氧化膜硅片进行腐蚀，可观察有一定分 布和规律的棒状层错.如图（1-5）所示。(Ill)<100)图1 5氧化后层错的观察3. 步骤:a. 将氧化后的硅片放入HF中，将氧化层去掉b. 用水将HF冲掉。c. 放入铬酸腐蚀液中，时间t = 30”40 ” .d. 用水将Si片上铬酸冲掉。e. 在金相显微镜下观察。氧化层错密度视场内层错个数观察面积（观测5个

26、视场面积取层错平均值）4 .铬酸腐蚀液的配制：Sirtl100ml H2O + 50g CrO2 + 75ml HF.川、Si表面SiO2层中针孔观察方法一：1. 目的：观察SiO2层中针孔。2. 原理：利用NaOH对SiO2腐蚀速度慢，而对Si腐蚀速度快，且呈各向异 性的特点，可观察到有一定形状的腐蚀坑，腐蚀坑的个数即为针孔的个数。3. 步骤：把盛有一定浓度的NaOH腐蚀剂（浓度：3%5%）的烧杯放入恒 温水槽中，将待观察的氧化硅片用去离子水冲洗。 当温度达到（T = 3070C）后,用镊子将Si片轻轻放入腐蚀液中，经过一定的反应时间后（t= 3'10'）,将片子 取出并放入

27、盛有去离子水的烧杯中，再用去离子水冲洗，烘干后，在四百倍金相 显微镜下对（100）硅氧化片可观察到方状腐蚀坑，见图（1 6）。此腐蚀坑即为 针孔。图（1 7）为P型（111）硅片上的热生SiO2在恒定温度下的腐蚀速度与 NaOH浓度的关系曲线。图（1 8）即为n Si, P Si及热生SiO2的腐蚀特性。（腐 蚀剂为NaOH ）。图1 6（100）硅氧化片上出现方状腐蚀坑方法二：1.目的：观察SiO2层中针孔。2原理：利用在电极和液体界面上发生电化学反应而产生气泡的原理也可以 显示针孔。在固/液界面上将电极的电子导电变为溶液中的离子导电，因而有化 学反应在两相界面上产生，反应产物生成新相，例如

28、生成气泡或固相沉积。产生 气泡的过程大致如下：水中的H+离子要向Si负极运动，H+离子被吸附到针孔内露 出的负电极Si上，首先产生H原子，然后两个H原子结合成一个H2分子，反应方程为：H*+e = H，H + H = H2 T,或者，H + H + e= H? T，从而产生氢气泡，H2不断的产生，因而气泡一个个的从针孔处溢出。3. 步骤：将金属环放在待测的SiO2膜上，用滴管在小环内滴一滴自来水慢慢 地将电压加到30V，在显微镜下可观察到氢气泡，气泡溢出的地方即为针孔。实验装置（见图1 9）氧化层针孔密度视场内针孔密度观察面积0 12345678910 11NaOH®度（克分子量/升

29、O 98 7 6-54图1 7热生SiO2的腐蚀速度与NaOH浓度的关系120406080100温度T (°C)2OO1图1 8 n Si, P Si及热生SiO2的腐蚀速度与温度关系观测五个视场面积取针孔平均值，一般平面工艺要求针孔密度V 10个/厘米2 硅片的清洗步骤1 用甲苯棉球擦Si片表面，先擦反面后擦正面，擦时要始终沿一个方向。2 用乙醇棉球擦Si片表面，先擦反面后擦正面，擦时要始终沿一个方向。3 用去离子水将Si片表面有机溶剂冲掉。4. 用浓H2SO4煮Si片至冒白烟。5. 用冷热去离子水冲洗15分钟。45V图1-9气泡法观察针孔的实验装置实验二固态氮化硼扩散一、目的通过

30、固态氮化硼扩散，掌握通过扩散法获得 Pn结的方法。二、原理所谓扩散技术，是指将杂质引入到半导体中，使之在半导体的特定区域中具 有某种导电类型和一定电阻率的方法，当前制备 Pn结的最主要方法是扩散法。 对于硅平面器件，整个器件的结构和性能基本上由扩散工艺确定，。扩散是物质分子或原子热运动引起的一种自然现象。浓度差别的存在是产生 扩散运动的必要条件，环境温度的高低是决定扩散运动快慢的重要因素。扩散现 象所遵循的客观规律可用扩散第一定律和扩散第二定律描述，其数学表达式为：J （x，t）= D N（2 1）.:t.:x2(2 2)在扩散工艺中，硼、磷等杂质的扩散通常都分成预沉积和再分布两步进行。在 预

31、沉积过程中，扩散是在恒定表面浓度的条件下进行的。在此条件下，解扩散方 程（2 2），得到的扩散分布是一种余误差函数，表达式为：N (x，t)(2 3)2 旳2x=NWMDtexdx = N沁厉按照（2 3）式画出的关系曲线如图2 1所示。图2- l恒定表面浓度扩散的杂质分布恒定表面浓度扩散分布曲线下面的面积表示扩散进入硅片单位表面的杂质总量。xDtQ= N (x, t) dx= Nserfcdx=2N$=1.13N. Dt(2-4)巾也2jDtV兀而在再分布过程中，扩散是在限定源的条件下进有的。整个扩散过程的杂质源，限定于扩散前积累在硅片表面的无限薄层内的杂质总量Q,没有外来杂质补充在硅片表面

32、(x= o)处的杂质流密度J= D = 0,因此，杂质总量Q是-ex个常数。在此条件下解扩散方程(2 2),得到的扩散分布是高斯函数分布，表达 式为：Q-N (x, t)=e4Dt(2 5)"Dt按照公式(2 5)式画出的关系曲线如图2 2所示。由图可见，随着扩散时 间的增加，一方面杂质扩散入硅片内部的深度逐渐增大，另一方面硅片表面的 杂质浓度将不断下降。因此，表面浓度 Ns和结深Xj都随扩散时间而变由于扩散 过程中杂质总量不变所以各条曲线下的面积都是相等的。N(x?t)4图2-2限定源扩散的杂质分布三、实验装置本实验中预沉积所采用的装置如图2-3所示，硼再分布装置与热氧化法制备 二

33、氧化硅装置相同。流量计石英管Si片-二鈍化系统?lrl扩散炉节流驚酋源瓶f近B(OCH3)3图2 -3硼预沉积装置1. 纯化系统和滤球为了消除氮气中水份、灰尘和其它微小杂质颗粒。2. 扩散炉用来获得扩散所需要酌温度，本实验所用为月坛自动控温扩散炉，自动控制温度并获得一定长度的恒温区。(注意：升温前通水，冷却到一定温度后再停水。)3 石英管、石英箱 扩散在石英箱内进行，石英箱内放硅片，箱盖下表面烧源。三、实验步骤1烧源;把粉末状氮化硼均匀地平铺在清洁的石英箱盖的下表面上，然后在炉温为1050r，氧气流量为300毫升/分钟的条件下缓慢推入石英管中恒温区内，烧3040分钟，烧至透明即可。2 扩散片的

34、清洗同氧化工艺一样，略。3 氮化硼的活化及试片除新烧的源外，每天扩散前必须进行一次氮化硼的活化处理。做法是在扩散 温度950C通氧气30分钟，使表层氮化硼与氧反应生成三氧化二硼。其反应式如 下：4BN + 302 =2B2O3 + 2N2 ?扩散时B2O3与Si片表面发生如下反应；2B2O3 + 3Si3SiO2 + 4B活化半小时后改通氮气，把石英箱取出，装入样片进行试扩，当方块电阻符 合要求时，即可正式投片。4 硼预沉积把炉温调到960C,氮气流量为500毫升/分，把硅片正面向上平放在石英箱 内，然后将石英箱盖含源的面向下盖好。放炉口预热 5分钟，然后推入恒温区预 沉积20分钟，一般方块电

35、阻值为30 40 Q/口欧姆/方块）。5 硼再分布将已预沉积的Si片放在稀氢氟酸中漂去硼硅玻璃，即可进行再分布。炉温为 1150C，水浴温度95C，氧气流量500毫升/分，再分布时间为10分（干氧）+ 30分（湿氧）+ 10分（干氧），再分布后方块电阻100140Q/D思考题：1 氮化硼扩散的原理是什么？扩散要达到什么目的？2 双步扩散有哪些优点？3为什么再分布可调整RT4扩散前为什么要活化源？附录：方块电阻的测量方块电阻是反映扩散层质量的重要指标。因此，每次预沉积和再分布后，都 要进行方块电阻的测试。一、方块电阻的定义方块电阻常用R表示。所谓方块电阻，就是表面为正方形的半导体薄层，在电流方向

36、平行于正方形的边时，所呈现的电阻，如图 2-4所示。方块电阻的大小为：I PRa（2-6）I Xj Xj单位用欧姆/方块或Q/D表示。图2-5四探针法测方块电阻装置二、方块电阻的测试方块电阻R的测量采用四探针法。测量装置如图2-5所示。四探针采用排成 直线彼此相距为s的四根钨丝构成。测量时将针尖压在硅片的表面上，外面两根探 针通电流I,测量中间两根探针的电压 V，可用下面公式计算：R C-(2-7)I式中C称为修正因子，其数值的大小除与被测样品的形状和大小有关外，还与样 品是单面扩散还是双面扩散等因素有关。为了便于使用，我们把单面扩散的修正 因子C的数值列在表2- 1中。表2- 1单面扩散的修

37、正因子Ca sl-=1a丄=2a丄=3a1.4a1.000.99880.99941.251.24671.22431.501.47881.448931.48931.751.71961.72381.72382.001.94541.94751.94752.502.35322.35412.35413.002.45752.70002.70052.70054.003.11373.22463.22483.22485.003.50983.57493.57503.57507.504.00954.03614.03624.036210.04.22094.23574.23574.235715.04.38824.394

38、74.39474.394720.04.45164.45534.45534.455340.04.51204.51294.51294.512904.53244.53244.53244.5324l:为矩形样品的长度；a：为矩形样品的宽度；s：是四探针的探针间距，s= 1mm.实验三光刻工艺一、目的：按照平面晶体管和集成电路的设计要求，在SiO2或金属蒸发层上面刻蚀出与掩模板完全相对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属膜布线的目的。二、原理：光刻是一种复印图象与化学腐蚀相结合的综合性技术，它先采用照像复印的 方法，将光刻掩模板上的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的SiO2层或金属蒸发层上，在适当波长光的

39、照射下，光致抗证剂发生变化，从而提高了强度，不溶于 某些有机溶剂中，未受光照射的部分光致抗蚀剂不发生变化，很容易被某些有机 溶剂溶解。然后利用光致抗蚀剂的保护作用，对SiO2层或金属蒸发层进行选择性化学腐蚀，从而在SiO2层或金属层上得到与光刻掩模板相对应的图形。在SiO2层上涂复光刻胶膜将掩模板覆盖在光刻胶膜上在紫外灯下曝光显影后经过腐蚀得到光刻窗口图3-1光刻原理图（一）光刻胶的特性：1性能，光致抗蚀剂是一种对光敏感的高分子化合物。当它受适当波长的光 照射后就能吸收一定波长的光能量，使其发生交联、聚合或分解等光化学反应。 由原来的线状结构变成三维的网状结构，从而提高了抗蚀能力，不再溶于有机

40、溶 剂，也不再受一般腐蚀剂的腐蚀2组成：以 KPR 光刻胶为例： 感光剂聚乙烯醇肉桂酸酯。 溶 剂环己酮。增感剂5硝基苊，3配制过程： 将一定重量的感光剂溶解于环己酮里搅拌均匀，然后加入一定量的硝基苊,再继续揖拌均匀，静置于暗室中待用。感光剂聚乙烯醇肉桂酸酯的感光波长为 3800?以内，加入5硝基苊后感光波 长范围发生了变化从 26004700 ?。（二）光刻设备及工具：1 曝光机光刻专用设备。2 操作箱甩胶盘-涂复光刻胶。3烘箱 烤硅片。4 超级恒温水浴锅腐蚀 SiO2片恒温用5检查显为镜 检查 SiO2 片质量。6.镊子一一夹持SiO2片。7定时钟 定时。8. 培养皿及铝盒 装 Si 片用

41、。9. 温度计 测量温度。线状结构网状结构图3-2受光照时感光树脂分子结构的变化三、光刻步骤及操作原理1 涂胶：利用旋转法在SiO2片和金属蒸发层上，涂上一层粘附性好、厚度适当、 均匀的光刻胶。将清洁的SiO2片或金属蒸发片整齐的排列在甩胶盘的边缘上，然后用滴管滴上数 滴光刻胶于片子上，利用转动时产生的离心力，将片子上多余的胶液甩掉，在光 刻胶表面粘附能力和离心力的共同作用下形成厚度均匀的胶膜。涂胶时间约为1分钟。粘附良好，表面无颗粒要求：厚度适当(观看胶膜条纹估计厚薄)，胶膜层均匀, 无划痕。議外光掩模板紫外光 掩模板光刻胶膜SiSi(3)(4)显影(5坚膜6腐蚀光刻盲口Si7去胶图3-3光

42、刻工艺流程示意图2. 前烘 ：将硅片放入铅盒中，然后在红外灯下烘焙，促使胶膜内溶剂充分地挥发 掉，使胶膜干燥，增加胶膜与 SiO2 或金属膜之间的粘附性和提高胶膜的耐磨性， 不沾污掩模板，只有干燥的光刻胶才能充分进行光化学反应。(1) 前烘时间：约15'(2) 前烘温度：T = 80C3曝光： 接触式曝光法，在专用的光刻机上，它包括 “定位 ”和“曝光”两部分。 预热紫外光灯(高压水银灯)使光源稳定 将光刻掩模板安装在支架上，使有图 形的玻璃面向下 把涂有光刻胶的 Si 片放在可微调的工作台上胶面朝上 在显微 镜下仔细调节微动装置，使掩模板上的图形与硅片相应的位置准确套合 顶紧 Si

43、片和掩模板 复查是否对准 曝光取下片子。(1)曝光时间的选择：a光源强弱；b.光源与Si片距离远近；c.光刻胶性能；d.光刻图形尺寸 大小。一般情况下，先试曝光一片，显影后检查一下表面，看其图形是否清晰。a,曝光不足：光刻胶反应不充分，显影时部分胶膜被溶解，显微镜下观察胶 膜发黑。b曝光时间过长：使不感光部分的边缘微弱感光，产生晕光”现象，边界模糊，出现皱纹。曝光时间：约8一 254.显影： 将未感光部分的光刻胶溶除，以获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的 图形。(1) 将曝光后的片子依次放入两杯丁酮液中取出放入丙酮液中漂洗。t： 12'(大概)(2)显影后的图形必须认真检查，保证光刻质

44、量。a.图形是否套刻准确；b.图形边缘是否整齐；c.是否有皱胶或胶膜发黑；d.有 无浮胶； e. Si 片表面胶膜有无划伤。5，坚膜： 显影时胶膜发生软化、膨胀，显影后必须进行坚固胶膜的工作，坚固后 可以使胶膜与 SiO2 层或金属蒸发层之间粘贴的更牢， 以增强胶膜本身的抗蚀能力。红外灯烘箱内烘栲30左右，T = 180C6腐蚀： 选用适当的腐蚀液，将无光刻胶复盖的氧化层或金属蒸发层腐蚀掉，而 有光刻胶复盖的区域保存下来。(1 )腐蚀液的配方与配制：a. 配方：选用氢氟酸缓冲剂：氢氟酸：氟化铵：去离子水=3(ml)： 6 (g): 10(ml) 氢氟艘腐蚀剂；氟化铵缓冲剂；去离子水 溶剂。b.

45、 配制：先称出氟化铵的重量，溶于去离子水中，搅拌使其混合均匀。( 2) SiO2 层的腐蚀时间和温度选择：a.腐蚀温度：T = 3040Cb腐蚀时间；约为30一 10'讨论：1 .腐蚀时间的确定：首先观看 SiO2 层颜色，根据辨色法初步判断 SiO2 层的 厚度；然后放入腐蚀液中腐蚀，SiO2层在HF酸缓冲液中的腐蚀速度是1000?/分, 利用初步估计的SiO2层厚度与腐蚀速度之比确定腐蚀时间。此方法误差较大，因为SiO2层的颜色随其厚度的增加而呈周期性的变化，对应 同一颜色可能有几种厚度。2腐蚀时间的长短是根据：a.腐蚀速度；腐蚀速度与氧化层生长的方法有关， 依干氧法、湿氧法、低温

46、沉积法、磷扩散等不同而定；b.腐蚀液浓度；c腐蚀液温度。腐蚀后的SiO2层要求：( 1 )边缘整齐；( 2)图形完整干净；( 3)图形无畸变；( 4)无钻蚀、浮胶、针孔 等弊病。7.去胶：去除复盖在硅片表面的保护胶膜， 一般使用化学试剂使其胶膜碳化脱落。 用浓硫酸煮两遍使胶膜碳化脱落 一冷却用去离子水冲洗净。最后检查光刻质量。实验四蒸发工艺一、目的：1 掌握真空蒸发制备铝薄膜的方法;2用干涉法测量铝膜厚度。二、原理对于硅平面晶体管，经过基区和发射区扩散后，就构成了晶体管的管芯。但 是，要成为整机上的晶体管，还必须在管芯的基区和发射区上制备欧姆接触电极。 器件生产中常用真空镀膜方法来制备管芯的欧

47、姆接触电极。真空镀膜就是在真空容器中把蒸发源材料加热到相当高的温度，使其原子或 分子获得足够的能量，脱离材料表面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气原子或分子， 它以直线运动穿过空间，当遇到待淀积的基片（如硅片）时，就沉积在基片表面， 形成一层薄的金属膜。为什么要在真空中进行蒸发呢 ？由于在普通的大气中，存在 着许多气体分子，高温蒸发出来的金属原子或分子将不断地与这些气体发生散射 碰撞，这样一是改变了金属原子或分子的运动方向，使其不能顺利到达基片表面； 二是空气中的氧极易使这些蒸汽原子氧化；三是系统中气体也将跟基片表面不断 发生碰撞和金属原子一起沉积下来，形成疏松的金属膜，并使炽热的金属膜氧化， 影响

48、镀膜质量，因此在蒸发过程中要保持足够低的残余气体的压强，使这些蒸汽 原子在该系统中运动的平均自由程大于源至基片的距离，并减少残余气体与基片 的碰撞机会。根据气体分子运动论，气体分子运动的平均自由程 '与系统中气体压强P有 如下关系:(41)KT.2二d2P式中：K玻尔兹曼常数；d气体分子的直径；T绝对温度；P 系统中的气体压强。通常蒸发条件为P= 10-5 mmHg （托）由（41）式计算出（0C,空气）：匸二500厘米，它远大于实际给出的源到基片之间的距离。设初始时由蒸发源射出的分子有no个，其中一部分ni/no在小于给定路程长度内发生碰撞，则遭到碰撞的 分子数占总分子数的百分数为：

49、(4 2)nino由（4 2）式可计算出途中发生碰撞的分子数（）与实际路程对平均自由 程之比曲线，如图4 1所示。当平均自由程等于蒸发源到基片距离时，有 63%的 分子发生碰撞；当平均自由程10倍于蒸发源到基片距离时，只有 9%的分子发生 碰撞。由此可见，平均自由程必须比蒸发源到基片的距离大得多，才能避免在迁 移过程中发生碰撞现象。10050S07060504030201000 2 0.4 0.6 0.8 1.0 1 2 1 4 1.6 1.8 2 .0实际路程/平均自由程（即才）(001土 Ims®绸廿图41分子在迁移途中发生碰撞的百分比与实际路程对平均自由程之比的关系曲线蒸发还依

50、赖于加热温度。一般说来当温度达到一定值，使蒸发源物质的蒸汽压达到102托时即可进行有效的蒸发淀积。不同物质有不同的蒸发温度。铝的蒸发 温度为1148C。在硅器件生产中，铝是用得最多的蒸发源材料，它具有以下特点：（1）低电阻率；（2）容易与P型、n型硅形成低欧姆接触；（3）与硅和二氧化硅粘附性好， 且不发生有害反应；（4）易于光刻；（5）便于热压、超声键台。、实验系统及所有器具（1）真空蒸发镀膜机。真空蒸发镀膜机主要由三部分组成：真空镀膜室，抽 气系统，测量仪器，图4 2给出了真空蒸发镀膜系统示意图。（2）热电偶及功率表。用来测量衬底加热器的温度。（3）干涉显敞镜。用来测量蒸发的铝薄膜厚度。10

51、9-1116 I I151.机械泵；2.机械泵阀门；3.扩散泵加热器电炉； 4.扩散泵；5.扩散泵冷却水；6.扩散 泵阀门；7.衬底加热器；8.热电偶；9.活动挡板；10.蒸发源加热器；11钟罩；12.热 偶管和电离规管； 13.系统放气阀门；14.旁路阀门：15.机械泵放气阀门； 16.硅片图4 2真空蒸发镀膜设备示意图四、蒸发工艺步骤(一)蒸铝前的准备工作 主要是硅片、铝丝、蒸发源加热器和衬底加热器的清洁处理。(1)硅片的处理：同氧化工艺。(2) 铝的清洁处理：把铝丝或铝条剪短，折成“V形，用浓磷酸加热煮1 2分种 后，用去离子水冲洗干净，浸在无水乙醇中备用。(3) 蒸发源加热器的清洁处理

52、：把绕制好的钨丝加热器，用1020%的氢氧化钠 溶液煮，除去表面的氧化层，达到表面干净光亮，再用冷、热去离子水冲洗直至 中性为止，经烘干后放在干燥塔中备用。在使用加热器进行蒸铝前，要进行高温 高真空处理。(4) 衬底加热器的清洁处理：与其它石英器具的处理相同。(二)蒸铝操作程序(1) 将铝挂在加热器钨丝上，一般要获得 12 微米厚的铝层，蒸发源到硅片间 距为 7厘米时，铝用量为 500700毫克，把硅片放在衬底加热器的石英板上，并 用活动挡板挡好。(2) 盖上钟罩进行抽气，先开动机械泵，当真空度达 102托以后，接通扩散泵电 源，使其工作(开启扩散泵时必须先通冷却水) 。(3) 测量真空度达5

53、X10一5托以上时，使衬底加热器升温至 300-500E范围恒 温 2 分钟，这步的目的是清洁处理硅片，且使硅片表面除气，以使铝原子与硅表 面紧密结合。( 4)接通蒸发源加热器电源，逐渐增加加热器电压，铝条由固态变为液态，当铝 全部熔成圆滴后，迅速加大电压( 100V 左右)，移开挡板，汽态铝便蒸发淀积到 硅片表面上。蒸发时间约为 40-60秒。随后移回挡板遮住硅片，再次高真空高温 处理，以便下次再用。(5) 铝固化。把衬底温度提高到450C，恒温2分钟，目的是使铝层致密牢固。(6) 衬底温度降至100C以下，将扩散泵电源断电，当扩散泵冷却后，可停止机 械泵工作(注意一定要使机械泵进气口通大气)(7) 将真空室内通大气，打开钟罩，取出硅片，检查质量。质量较好的铝膜，表面光亮如镜，呈银白色，若铝膜表面不光亮，呈白雾状，则 说明铝膜被氧化。其原因主要有：系统真空度低；钨丝加热器处理不干净； 铝条上的氧化物没有挥发掉而蒸发过早；硅片清洁处理不好等。若铝膜表面 局部区域出现污点，很可能是由于过早打开挡板所造成的。五、用干涉法测量铝膜厚度 用干涉显微镜测量蒸发金属层的厚度。(4-3)式给出了铝膜厚度的计算公式。图 4 3给出了干涉条纹图象。(4 3)2a式中-为光的波长。图4 3干涉条纹六、思考题 1 .蒸发为什么要在真空中进行？2铝膜的质量主要由哪