集成电路平面工艺

1、超大规模集成电路平面工艺(供高年级物理实验选用)第一部分氧化工艺实验一、实验的意义氧化匸艺在硅平面匸艺中占有主要地位。由氧化艺制作的二氧化硅薄膜有 以下巫要作用：保护和钝化半导体表ifii作为杂质选择扩散的掩蔽层：用电极引线和硅器体 之间的绝缘；用T-mos器体栅极的介质等。二、实验的目的使学生了解热氧化匸艺的某本原理，掌握热氧化艺和二氧化硅薄膜厚度的 测度方法。三、实验原理1热氧化生长原理热氧化就是把清洗干净的硅片置丁 1000°C以上的高温屮，并通入氧化性氧气 或水汽，使硅片外表面的硅氧化成二氧化硅。(1) 干氧氧化 干氧氧化就是在高温下，用纯净的氧气H接与硅片表而的硅 原子发生

2、反应生成二氧化硅，其化学反应方程式为：Si+O.=Si0. (2) 水汽氧化水汽氧化就是在高温下，用水汽与硅片表而的硅原子发生反 应，生成二氧化硅，其化学反应方程式为：Si+2HO=SiO.+2H,(3) 湿氧氧化湿氧氧化是将纯净的氧气携带一定的水汽进入氧化炉中，氧 气与水汽同时与硅发生的反应，生成二氧化硅薄膜。湿氧氧化的速率C介丁干氧 氧化速率与水汽氧化速率之间。C f M <<Ci« M WC水汽干氧氧化生成的二氧化硅薄膜干燥、致密，与光刻胶粘润良好，但氧化速度 慢。湿氧氧化速度快，但生长的二氧化硅薄膜与光刻胶粘润不良，光刻时易产生 浮胶现象。生产I常采用湿氧一干氧交

3、替氧化的方式。2氧化装置氧化装置主耍包括氧化炉、湿氧发生器、石英反应管和气体控制系统。图1 为氣化装置示意图。p/vAAA/v| 电炉图1氧化装置示意图3二氧化硅薄膜厚度的测虽方法双光干涉法是常用的一种二氧化硅薄膜厚度的测帚:方法。它是利用测定二氧化硅薄膜台阶上的干涉条纹数來求薄膜厚度的一种方法。d=m + k/211式小d为二氧化硅薄腹的号度，m为干涉条纹数，兄为入射单色光的波长，n 为二氧化硅的折射率。测量仪器是干涉显微镜。光源一般采用钠光灯(波长为0. 6 微米）。也可用普通的向倍率显微镜改装成有垂H照明的设备。如果用口光照明， 则在显微镜下可看到重复的五彩干涉条纹，一般白光中绿光绘强，

4、波长约为0. 54 微米。四、实验系统实验装置采用如图1所示的氧化装置：氧化薄膜厚度的测最仪器是干涉显微 镜，实验用硅片是己抛光的硅片若干片。五、实验步骤1. 检査氧化装置 了解氧化工艺操作的注意事项2. 装炉将洗好的硅片放入石英舟中，推入氧化炉中。3. 湿氧氧化 先用湿氧氧化，氧气流量为500毫升/分，氧化温度为1180 °C,水温95C,氧化时间1小时4. 干氧氧化 氧气流最为500毫升/分，氧化时间为20分钟，氧化温度1180 °Co5. 取片 将石英舟拉到石英管口，冷却后取片。6. 氧化结束后关闭氧化炉和氧气。7. 观察分析样片的表面质帚:。8. 在己氧化过的硅片表

5、而，用黑封蜡或真空脂保护一定的区域。然后将硅 片放入氢飯酸溶液中，氏至除公未被保护的氧化膜后取出，用水冲净硅片上的氢 氟酸再用甲苯将姑或真空脂除净。9. 用干涉显微镜测彊二氧化硅薄膜的厚度。第二部分基区硼扩散工艺实验一、实验的意义在双极集成电路生产中，基区扩散是关键工艺之一。由该工艺形成NPN晶体 管的某区、电阻、横向PNP晶体管的发射区和集电区。二、实验目的使学生了解硼扩散的基本原理，学握棊区硼扩散的I：艺和结果、扩散薄层方 块电阻的测量方法。三、实验原理1. 硼扩散原理M前硅平面匸艺屮一般采用平面片状氮化硼和硼微晶玻璃作为硼扩散的固 态源。由丁氮化硼化学性能稳定，作源使用时须过高温通氧激活

6、。其化学反应方 程式为：A4BN+3O2=2B2O3+2N2扩散时比O3与硅发生化学反应2B2O34-3Si T3SiO?+4B沉淀在硅片上的硼原子向硅片内部扩散。基区硼扩散分基区预淀积和基区硼再分布两步进行。2. 基区硼扩散装置基区硼预淀积的装置如图2所爪。基区硼再分布的装置与图2所示的氧化装置相同。图2皋区硼预淀积装置示意图3. 结深测最方法生产中常用常用硫酸铜溶液染色法來显示PN结，所用的硫酸铜溶液配方 是：CuSO4-5H2O:48%HF:2H2O=5 克:2 毫升 50 毫升染色的过程是：将磨角后的硅片放入硫酸铜溶液屮，用灯光照30秒左右， 同时注意观察，发现n区染上红色时即将样片取

7、岀用水冲洗，滤纸吸干。结深的测量方法类似二氧化硅厚度的测最。只是在硅片上用一块平板玻璃 贴紧。从平板玻璃下而反射的光线和从硅片表而反射的光线发生干涉，产生干涉 条纹。则扩散的结果为：Xj=m*X/2式中m为干涉条纹数，久为入射光的波长，对于钠光灯，波长为0.6微米。 图3为硼扩散结深测量示意图，为不使条纹太密，硅片磨角&要小些，一 般为广5° ,通常用干涉显微镜测最。t.平板玻璃图3硼扩散结深测最示意图4. 硼扩散层电阻的测最方法四探针法是常用的硼扩散薄层电阻测最方法。测最时将针尖床在硅片上，外面两根针通电流I,测量中间两根针之间的电压V。如果硅片的长度和宽度都比相邻两根针的

8、间距大得多，则单层的方块电阻乂下式给出：R;=4.53V/I以、实验系统实验装置包括图2所示的硼预淀积装置和图1所示的氧化装置用丁 硼再分布 工艺。结果测彊仪器是干涉显微镜。硼扩散薄层电阻的测眩仪器是四根针测试仪。实验用硅 片是己刻好棊区窗口的硅片若干和外延片若干片作为测试样片。五、 实验步骤1. 检查硼预淀积和硼再分布装置，了解硼扩散的注意事项。2. 氮化硼的活化 将淸洗烘T后的氮化硼放入石英舟，推入硼预淀积炉， 温度950-C,氧气流最约为500毫升/分，活化半小时后改通氮气，一小时后把 石英取出，装入已淸洗烧干的硅片和测试样片。每两种硅片背靠背證在一起，插 在两片氮化硼中间，硅片与前后氮

9、化硼片保持等距离。装完片把石英舟放在炉口 预热5分钟后推入恒温区开始预淀积。3. 基区硼预淀积 炉温960°C,氧气流量约为500毫升/分，淀积时间半小 时，到时取出硅片，测量样片的薄层电阻，一般要求6080Q/方块。4. 基区硼再分布预淀积后的硅片耍在稀氢氟酸中漂公氮硼玻璃，方可进 行再分布。再分布在氧化炉中进行。工艺条件是：炉温1140°C,水浴温度为95 C,氧气流量500毫升/分,再分布时间干氧7分+湿氧30分+干氧20分。到时 将石英舟放在炉口外。再分布后通常耍求/?v =150200 0/方块，氧化层厚度约0. 5 微米。5. 硼结深测最将在分布后的样片进彳亍磨

10、角，染色后用干涉显微镜测最硼 扩散结深。6. 硼扩散方块电阻测就用氢氟酸漂去硼再分布后样片表面的氧化层后 水净，滤纸吸干，用四根针测量硼扩散方块电阻。表在白光下SiO,层厚度与干涉色彩的关系氧化层厚度（埃）颜色 灰色 黄褐色 棕色 蓝色第一周期100300500800第二周期第三周期第四周期紫色1000275046506500深蓝色1500300049006800绿色1850330052007200黄色2100370056007500橙色225040006000红色250043506250第三部分光刻工艺试验一、实验意义光刻是平而器件制造的核心工艺之一，光刻质最的好坏IT接影响半导体器件 的性

11、能和成品率。二、实验目的在硅片的表面上，刻蚀出与光刻掩模板完全一致的儿何图形，在便进行选择 行扩散或金加布线。三、实验原理以某种波长的光为光源，透过光刻掩模板，照射在涂有光刻胶的硅片表而上, 利用光刻胶的感光性和抗蚀性，刻蚀出器件生产屮需要的各种儿何图形。以、实验系统1. 传统的光刻系统主耍是光刻机和涂胶台。光刻机主要由光学观察系统， 调节系统，光源电源控制系统，曝光时间控制系统所组成。涂胶台主耍由基应、 旋转工作台、滴胶头和控制器等纽成。2. 接触式光刻机和涂胶台结构示意图如图4、图5所示。图4接触式光刻机示意图图5涂胶机示意图五、实验步骤1.涂胶在SR?或如的硅片薄膜表面，通过涂胶机均匀涂上一层光刻胶。耍求厚度 均匀，粘附好，无杂物。2. 前烘将涂好胶的硅片放入烘箱，按规定温度时间加热处理，是胶膜干燥。3. 曝光利用曝光机对己前烘过的硅片进行曝光。注意选择不同的光刻掩模板，图形 对准，选择合适的曝光时间。4. 显影将曝光过得硅片放入显影液中，使未感光的部分胶膜溶解，保留感光部分， 做出需要的图形。注意显影时间，图形边缘整齐、干净。5. 坚膜将显影后的硅片