器件物理课程设计

npn双极型晶体管的设计 N-SiSiO2SiO2紫外线6.1.4基区硼预扩散杂质浓度为预扩散温度：950℃预扩散时间：108.9sN-SiN-SiSiO2SiO2硼掺杂6.1.5去膜氧化将预扩散中掺入杂质的氧化层通过清洗工艺去除（氧化层用HF去除，光刻胶残膜用1号液去除）N-SiN-Si6.1.6再扩散温度：1200℃再扩散时间：11209s基区结深：再氧化一层氧化膜作为掩蔽膜，厚度6000干氧氧化1000的氧化层厚度需要的时间为：湿氧氧化5000的氧化层厚度需要的时间为：干氧氧化1000的氧化层厚度需要的时间为： N-SiSiO2 P6.1.7光刻发射区在掩膜版上光刻一个发射区窗口，面积为：N-SiN-SiSiO2SiO2紫外线P6.1.8磷预扩散杂质浓度：预扩散温度：1150℃预扩散时间：117.3sN-SiN-SiSiO2SiO2磷掺杂P6.1.9去氧化层将预扩散中掺入杂质的氧化层通过清洗工艺去除（氧化层用HF去除，光刻胶残膜用1号液去除）N-SiN-SiP6.1.10磷再扩散再扩散温度：1200℃再扩散时间:96725s发射区结深:N-SiN-Si PN6.1.11沉积保护层：保护晶体管各区杂质浓度不变N-SiN-Si PN+6.1.12光刻接触孔N-SiN-Si PN+6.1.13金属化N-SiN-Si PN+6.1.14光刻金属孔N-SiN-Si PN+6.1.15参数检测：用晶体管测试仪测试相关参数，验证参数的正确性6.2清洗工艺6.2.1定义6.2.2清洗原理：清洗主要利用各种化学试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，然后用大量的高纯热，冷去离子水冲洗，从而获得洁净的物体表面。6.2.3清洗流程：化学清洗主要包括三个方面的清洗。一是硅片表面的清洗；二是生产过程中使用的金属材料的清洗；三是生产用的工具，器皿的清洗。6.2.4硅片清洗的一般程序：吸附在硅片表面的杂质大体上可分为分子型，离子型和原子型三种。分子型杂质粒子与硅片表面之间的吸附较弱，清除这些杂质粒子比较容易。它们多属油脂类杂质，具有疏水性的特点，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，因此在对硅片清洗时首先要把它们清除。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，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离子型吸附杂质，然后用王水或酸性双氧水再来清除残存的离子型杂质用原子型杂质，最后用高纯去离子水将硅片冲洗干净，再加温烘干就可得到洁净表面的硅片。简而言之，工艺程序为：去分子去离子去原子去离子水冲洗、烘干。6.2.5常用硅片清洗液名称配方使用条件作用Ⅰ号洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5→1:2:780±5℃10min去油脂去光刻胶残膜去金属离子去金属原子Ⅱ号洗液HCl:H2O2:H2O=1:1:6→1:2:880±5℃10min去金属离子去金属原子Ⅲ号洗液H2SO4:H2O2=3:1120±10℃10~15min去油、去腊去金属离子去金属原子6.3氧化工艺6.3.1氧化原理二氧化硅能够紧紧地依附在硅衬底表面，具有极稳定的化学性和电绝缘性，因此，二氧化硅可以用来作为器件的保护层和钝化层，以及电性能的隔离、绝缘材料和电容器的介质膜。二氧化硅的另一个重要性质，对某些杂质（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用，从而可以选择扩散；正是利用这一性质，并结合光刻和扩散工艺，才发展起来平面工艺和超大规模集成电路。6.3.2热氧化工艺简介制备二氧化硅的方法很多，但热氧化制备的二氧化硅掩蔽能力最强，是集成电路工艺最重要的工艺之一。由于热生长制造工艺设备简单，操作方便，SiO2膜较致密，所以采用热氧化二氧化硅制备工艺。热生长的方法是将硅片放入高温炉内，在氧气氛中使硅片表面在氧化物质作用下生长SiO2薄层，氧化气氛可为水汽，湿氧或干氧。实验表明，水汽氧化法：生长速率最快，但生成的SiO2层结构疏松，表面有斑点和缺陷，含水量多，对杂质特别是磷的掩蔽以力较差，所以在器件生产上都不采用水汽氧化法。（1）干氧法:生长速率最慢，但生成的SiO2膜结构致密，干燥，均匀性和重复性好，掩蔽能力强，钝化效果好，SiO2膜表面与光刻胶接触良好，光刻时不易浮胶。（2）湿氧法:生长速率介于前两者之间，生长速率可通过炉温或水浴温度进行调整。使用灵活性大，湿氧法生长的SiO2膜，虽然致密性略差于干氧法生长的SiO2膜，但其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件生产的要求，较突出的弱点是SiO2表面与光刻胶接触不良，光刻时容易产生浮胶。生产中采用取长补短的方法，充分利用湿氧和干氧的优点，采用干氧—湿氧—干氧交替的方法。根据迪尔和格罗夫模型，热氧化过程须经历如下过程：（1）氧化剂从气体内部以扩散形式穿过滞流层运动到SiO2-气体界面，其流密度用F1表示，流密度定义为单位时间通过单位面积的粒子数。（2）氧化剂以扩散方式穿过SiO2层（忽略漂移的影响），到过SiO2-Si界面，其流密度用F2表示。（3）氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度用F3表示。（4）反应的副产物离开界面。氧化的致密性和氧化层厚度与氧化气氛（氧气、水气）、温度和气压有密切关系。应用于集成电路掩蔽的热氧化工艺一般采用干氧→湿氧→干氧工艺制备。6.3.（1）开氧化炉，并将温度设定倒750--850℃，开氧气流量2升/分钟；（2）打开净化台，将清洗好的硅片装入石英舟，然后，将石英舟推倒恒温区。并开始升温；（3）达到氧化温度后，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，确定干氧时间。在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到95-98℃。干氧完成后，立即开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计，确定湿氧时间；（4）湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，确定干氧时间；（5）干氧完成后，开氮气流量计，调整氮气流量3升/分钟，并开始降温，降温时间30分钟；（6）将石英舟拉出，并在净化台内将硅片取出，同时，检测氧化层表面状况和厚度；（7）关氧化炉，关气体。6.3.测量厚度的方法很多，有双光干涉法、电容—压电法、椭圆偏振光法、腐蚀法和比色法等。在精度不高时，可用比色法来简单判断厚度。比色法是利用不同厚度的氧化膜在白光垂直照射下会呈现出不同颜色的干涉条纹，从而大致判断氧化层的厚度。颜色氧化膜厚度（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蓝800紫1000275046506500深蓝1500300049006800绿1850330056007200黃2100370056007500橙225040006000红2500435062506.4光刻工艺6.4.1光刻原理光刻工艺是加工制造集成电路微图形结构的关键工艺技术，起源于印刷技术中的照相制版，是在一个平面（硅片）上，加工形成微图形。光刻工艺包括涂胶、曝光、显影、腐蚀等工序。集成电路对光刻的基本要求有如下几个方面：1、高分辨率：一个由10万元件组成的集成电路，其图形最小条宽约为3µm，而由500万元件组成的集成电路，其图形最小条宽≤1µm，因此，集成度提高则要求条宽越细，也就要求光刻技术的图形分辨率越高。条宽是光刻水平的标志，代表集成电路发展水平。2、高灵敏度：灵敏度是指光刻机的感光速度，集成电路要求产量要大，因此，曝光时间应短，这就要求光刻胶的灵敏度要高。3、低缺陷：如果一个集成电路芯片上出现一个缺陷，则整个芯片将失效，集成电路制造过程包含几十道工序，其中光刻工序就有10多次，因此，要求光刻工艺缺陷尽是少，否则，就无法制造集成电路。4、精密的套刻对准：集成电路的图形结构需要多次光刻完成，每次曝光都需要相互套准，因此集成电路对光刻套准要求非常高，其误差允许为最小条宽的10%左右。集成电路所用的光刻胶有正胶和负胶两种：正性光刻胶通常由碱溶性酚醛树脂、光敏阻溶剂及溶剂等组成，光敏剂可使光刻胶在显影液中溶解度减小，但曝光将使光敏阻溶剂分解，使光刻胶溶解度大增加而被显掉，未曝光部分由于溶解度小而留下，负性光刻胶和正性光刻胶相反，负性光刻胶在曝光前能溶于显影液，曝光后，由于光化反应交链成难溶大分子而留下，未曝光部分溶于显影液而显掉。由此完成图形复制。可在衬底表面得到与光刻掩膜版遮光图案相反的保护胶层。本课程设计采用正光刻胶，正光刻胶通常由碱溶性酚醛树脂、光敏阻溶剂及溶剂等组成，光敏剂可使光刻胶在显影液中溶解度减小，但曝光将使光敏阻溶剂分解，使光刻胶溶解度大大增加而被显掉，未曝光部分由于溶解度小而留下。6.4.2工艺步骤1.准备：A)开前烘，坚膜烘箱，前烘温度设定95℃，坚膜温度为120℃。B)涂胶前15分钟开启图胶净化台，调整转速，以满足生产要求。C)光刻前30分钟，开启光刻机汞灯。D)开启腐蚀恒温槽，温度设定40℃E)清洗胶瓶和吸管，并倒好光刻胶。F)清洗掩膜版（基区光刻掩膜版），并在净化台下吹干2.涂胶：光刻工艺采用旋转涂胶法，涂胶前设定好予匀转速和时间，甩干速度和时间。将氧化完成或扩散完成的硅片放在涂胶头上，滴上光刻胶进行涂胶，要求胶面均匀、无缺陷、无未涂区域。3.前烘将涂好光刻胶的硅片放入前烘烘箱，并计时，前烘完成后将硅片取出，4.对准将掩膜版上在光刻机上，并进行图形套准。5.曝光6.显影此采用浸泡显影，分别在1#显影液，2#显影液显3-5分钟，然后在定7.坚膜在显影检查合格后将硅片放入坚膜烘箱进行坚膜，设定坚膜时间。8.腐蚀将坚膜好的硅片准备腐蚀，首先确认氧化层厚度，计算腐蚀时间。然后进行腐蚀，腐蚀后冲水10分钟，甩干后在显微镜下检查是否腐蚀干净，若未腐蚀干净继续腐蚀。9.去胶硅片腐蚀完成后，在3号液中将光刻胶去掉，并冲洗干净，工艺结束。6.5硼扩散工艺(基区扩散)6.5.1（1）扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式，各种分离器件和集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散，硼扩散工艺是将一定数量的硼杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片原来的电学性质。硼扩散是属于替位式扩散，采用预扩散和再扩散两步扩散法，（2）预扩散磷杂质浓度分布方程为：表示恒定表面浓度（杂质在预扩散温度的固溶度），D1为预扩散温度的扩散系数，x表示由表面算起的垂直距离（cm）,他为扩散时间。此分布为余误差分布。（3）再扩散（主扩散）硼再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度分布方程为：其中Q为扩散入硅片杂质总量：D2为主扩散（再分布）温度的扩散系数。杂质分布为高斯分别。6.5.21.准备：开扩散炉，并将温度设定倒850--900℃，开氮气流量3升/分钟。本实验采用液态源扩散，源温用低温恒温槽保持在5℃以内。2.硅片清洗：清洗硅片（见清洗工艺）将清洗好的硅片甩干。3.将从石英管中取出石英舟，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。4.调节温控器，使温度达到预扩散温度950℃，调节氧气调整氧气流量为3升/分钟，并开始计时，时间是108.9s，根据工艺条件进行干氧。5.干氧完成后，开氮气流量计，按工艺条件调节氮气氧气比例，然后，开通源阀，使通源流量达到工艺要求，并开始计时。6.通源完成后，关闭通源流量计，保持氮气、氧气流量进行吹气，吹气完成后，调整氮气流量3升/分钟，关闭氧气流量计，同时调整扩散炉温控器，进行降温30分钟。之后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃，冲洗干净后，检测R□值用四探针法进行测量。7.将预扩散硅片用2号液清洗，冲洗干净甩干。8.取出再扩散石英舟，将甩干的硅片装入石英舟，并将石英舟推到恒温区。9.调节温控器，使温度达到再扩散温度1200℃，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，时间是11209ss，根据工艺条件进行干氧20.4分钟。10.在开始干氧同时，将湿氧水壶加热到95-98℃。干氧完成后，开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。根据工艺条件进行湿氧16.8分钟。11.湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并根据工艺条件确定干氧时间为20.4分钟。12.干氧完成后，开氮气流量计，流量3升/分钟，根据工艺条件，确定氮气时间328分钟。13.氮气完成后，主扩散结束，调整温控器降温，氮气流量不变，时间30分钟。14.降温完成后，拉出石英舟，取出硅片，检测氧化层厚度、均匀性，漂去氧化层，冲洗干净后，检测R□值，结深(磨角法或者SEM法)，â值。15.将扩散后的硅片交光刻工艺，光刻完成后，检测击穿电压、â值。16、根据实测â值，与工艺要求进行比较，如果不满足工艺条件，重新计算再扩散时间，并制定再扩散工艺条件，至到达到设计要求。硼扩散工艺实验结束。6.6磷扩散工艺(发射区扩散）6.扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式，各种分离器件和集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散，磷扩散工艺是将一定数量的磷杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片原来的电学性质。磷扩散是属于替位式扩散，采用预扩散和再扩散两个扩散完成。（1）预扩散磷杂质浓度分布方程为：表示恒定表面浓度（杂质在预扩散温度的固溶度），D1为预扩散温度的扩散系数，x表示由表面算起的垂直距离（cm）,他为扩散时间。此分布为余误差分布。（2）再扩散（主扩散）磷再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度分布方程为：其中Q为扩散入硅片杂质总量：D2为主扩散（再分布）温度的扩散系数。杂质分布为高斯分布。6.1.工艺准备A)开扩散炉，并将温度设定到650--750℃，开氮气流量3升/分钟。B)清洗源瓶，并倒好磷源（固态源，由氧化磷与其他稳定的氧化物压制而成）。C)开涂源净化台，并调整好涂源转速。2.硅片清洗：清洗硅片（见清洗工艺），将清洗好的硅片甩干。3.将清洗干净、甩干的硅片涂上磷源。4.从石英管中取出石英舟，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。调节温控器，使温度达到预扩散温度1150℃，并开始计时，时间是s。5.预扩散完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去磷硅玻璃，冲洗干净后，检测R□值,用四探针法进行测量。6.将预扩散硅片用2号液清洗，冲洗干净甩干。7.取出再扩散石英舟，将甩干的硅片装入石英舟，并将石英舟推到恒温区。调节温控器，使温度达到再扩散温度1200℃，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，前面已算出再扩散时间96725s，同时根据工艺条件先进行干氧氧化。8.调节氧气调整氧气流量为3升/分钟，并开始计时，干氧时间是20.4分钟。在开始干氧同时，将湿氧水壶加热到95℃。9.干氧完成后，开氮气流量计，按工艺条件调节氮气氧气比例，然后，开通源阀，使通源流量达到工艺要求，并开始计时。10.干氧完成后，开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。根据工艺条件进行湿氧，湿氧时间是22.8分钟。11.湿氧完成后，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并根据工艺条件确定干氧时间，干氧时间是20.4分钟。12.干氧完成后，开氮气流量计，流量3升/分钟，根据工艺条件，确定氮气时间54分钟。13.氮气完成后