電材微電子物理與器件課程設(shè)計(jì)--pnp雙極型晶體管的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　課程名稱 微電子器件工藝課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題目名稱 PNP雙極型晶體管的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)生學(xué)院___ 材料與能源學(xué)院___ _ </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、</p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　學(xué)生姓名____ __ _ </p><p>　　指導(dǎo)教師____ ___</p><p>　　2011 年 6 月 17 日</p><p>&

3、lt;b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b>　　一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)均勻摻雜的pn p型硅雙極晶體管，滿足T=300K時(shí)，基區(qū)摻雜濃度為NB=1016cm-3,`共發(fā)射極電流增益β=50。BVCEO=60V，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，假設(shè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為年n=3)</p>&

4、lt;p>　　二、課程設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)</p><p>　　1．了解晶體管設(shè)計(jì)的一般步驟和設(shè)計(jì)原則</p><p>　　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)散長度和壽命等。</p><p>　　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，

5、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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。 </p>&l

6、t;p>　　6. 根據(jù)現(xiàn)有工藝條件，制定詳細(xì)的工藝實(shí)施方案。</p><p><b>　　7．撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作</p><p><b>　　1. 材料參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.晶體管縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p

7、>　　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）</p><p>　　4．工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和工藝操作步驟</p><p>　　5.總結(jié)工藝流程和工藝參數(shù)</p><p><b>　　6. 寫設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　四、課程設(shè)計(jì)進(jìn)程安排</p><p>　　

8、五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)</p><p>　　1．《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》Robert F. Pierret著，黃如譯，電子工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　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.</p><p>　　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.</p><p>　

9、　發(fā)出任務(wù)書日期： 2011年 6 月 6日 指導(dǎo)教師簽名：</p><p>　　計(jì)劃完成日期： 2011年 6月 17日 基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章：</p><p><b>　　主管院長簽章：</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)目的與

10、任務(wù) …………………………………………………… 2</p><p>　　二、課程設(shè)計(jì)時(shí)間 …………………………………………………………… 2</p><p>　　三、課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容………………………………………………………2</p><p>　　3.1 微電子器件與工藝課程設(shè)計(jì)――npn雙極型晶體管的設(shè)計(jì)…………………2</p><p>

11、;　　3.2 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：……………………………………………………… 2</p><p>　　四、課程設(shè)計(jì)原理…………………………………………………………………3</p><p>　　五、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………3</p><p>　　5.1 晶體管設(shè)計(jì)的一般步驟：…………………………………………………… 3</

12、p><p>　　5.2 材料參數(shù)計(jì)算………………………………………………………………… 4</p><p>　　5.2.1 各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算………………………………………… 4</p><p>　　5.2.2 集電區(qū)厚度Wc的選擇………………………………………………………8</p><p>　　5.2.3 基區(qū)寬度WB……………………

13、…………………………………………… 8</p><p>　　5.2.4 晶體管的橫向設(shè)計(jì)………………………………………………………… 11</p><p>　　5.2.4.1 晶體管橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇……………………………………………11</p><p>　　5.3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………12</p><p

14、>　　5.3.1 晶體管工藝概述…………………………………………………………… 12</p><p>　　5.3.2 工藝參數(shù)計(jì)算思路………………………………………………………… 13</p><p>　　5.3.3 基區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程：……………………………………………… 13</p><p>　　5.3.4 發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程…………………………

15、…………………… 15</p><p>　　5.3.5 氧化時(shí)間的計(jì)算…………………………………………………………… 17</p><p>　　5.3.6 外延層的參數(shù)計(jì)算………………………………………………………… 19</p><p>　　5.3.7 設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)……………………………………………………………… 20</p><p>　　

16、六、工藝流程圖………………………………………………………………… 21</p><p>　　七、生產(chǎn)工藝流程…………………………………………………………… 21</p><p>　　7.1 硅片清洗……………………………………………………………………… 21</p><p>　　7.2 氧化工藝…………………………………………………………………… 22</

17、p><p>　　7.3 第一次氧化工藝步驟（基區(qū)氧化）……………………………………………23</p><p>　　7.4 采用比色法測量氧化層厚度…………………………………………………23</p><p>　　7.5 第一次光刻工藝（基區(qū)光刻）…………………………………………………24</p><p>　　7.6 硼擴(kuò)散工藝……………………………

18、……………………………………… 25</p><p>　　7.6.1原理……………………………………………………………………… 25</p><p>　　7.6.2工藝步驟…………………………………………………………………… 25</p><p>　　7.7 第二次光刻工藝（發(fā)射區(qū)光刻）……………………………………………26</p><p>

19、;　　7.8 磷擴(kuò)散工藝（發(fā)射區(qū)擴(kuò)散）………………………………………………… 26</p><p>　　7.8.1工藝原理…………………………………………………………………… 26</p><p>　　7.8.2 工藝步驟(擴(kuò)散的過程同時(shí)要進(jìn)行發(fā)射區(qū)的氧化) ………………………………………………………………………………… 27</p><p>　　八、版圖 …………

20、……………………………………………………………… 28</p><p>　　九、心得體會(huì) ………………………………………………………………… 30</p><p>　　十、參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………… 31</p><p>　　PNP雙極型晶體管的設(shè)計(jì)</p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)</p

21、><p>　　《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)。</p><p>　　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

22、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)， </p><p><b>　　二、課程設(shè)計(jì)時(shí)間</b></p><p><b>　　兩周</b></p><p>　　三、課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容</p

23、><p>　　3.1 微電子器件與工藝課程設(shè)計(jì)――pnp雙極型晶體管的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)均勻摻雜的pnp型硅雙極晶體管，滿足T=300K時(shí)，基區(qū)摻雜濃度為NB=1016cm-3,`共發(fā)射極電流增益β=50。BVCEO=60V，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，假設(shè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為年n=3)。</p><p>　　3.2 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：</p&

24、gt;<p>　?。?）了解晶體管設(shè)計(jì)的一般步驟和設(shè)計(jì)原則。</p><p>　?。?）根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)選取材料，確定材料參數(shù)，如發(fā)射區(qū)摻雜濃度NE,，基區(qū)摻雜濃度NB， 集電區(qū)摻雜濃度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)散長度和壽命等。</p><p>　　（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)，如集電區(qū)厚度Wc，基區(qū)寬度Wb，發(fā)射極寬度We和擴(kuò)散

25、結(jié)深Xjc，發(fā)射結(jié)結(jié)深等。</p><p>　　（4）根據(jù)結(jié)深確定氧化層的厚度，氧化溫度和氧化時(shí)間；雜質(zhì)預(yù)擴(kuò)散和再擴(kuò)散的擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間。</p><p>　　（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。 </p><p>　?。?）根據(jù)現(xiàn)有工藝條件，制定詳細(xì)的工藝實(shí)施方案。 </p>&

26、lt;p><b>　　四、課程設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　晶體管的設(shè)計(jì)是有關(guān)晶體管物理知識(shí)的綜合應(yīng)用。晶體管的基本理論只能反映晶體管內(nèi)部的基本規(guī)律，而且這些規(guī)律往往是基于很多假設(shè)，并忽略了很多次要因素的情況下得到的，如工藝因素的影響，半導(dǎo)體材料的影響及雜質(zhì)濃度的具體分布形式等。因此，在進(jìn)行晶體管設(shè)計(jì)時(shí)必須從生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與基本的理論結(jié)合起來，經(jīng)過多次反復(fù)，才能得到切

27、實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，對(duì)有志從事半導(dǎo)體器件以及集成電路有關(guān)工作的工程技術(shù)人員來說，要系統(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)，晶體管設(shè)計(jì)也是必不可少的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　晶體管設(shè)計(jì)過程，實(shí)際上就是根據(jù)現(xiàn)有的工藝水平，材料水平，設(shè)計(jì)水平和手段以及所掌握的晶體管的有關(guān)基本理論，將用戶提出的或預(yù)期要得到的技術(shù)指標(biāo)或功能要求，變成一個(gè)可實(shí)施的具體方案的過程。因此，設(shè)計(jì)者必須對(duì)當(dāng)前所能獲取的

28、半導(dǎo)體材料的有關(guān)參數(shù)和工藝參數(shù)有充分的了解，并弄清晶體管的性能指標(biāo)參數(shù)與材料參數(shù)，工藝參數(shù)和器件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互關(guān)系，才可能得到設(shè)計(jì)所提出的要求。但是晶體管的種類繁多，性能指標(biāo)要求也就千差萬別，因此要將各類晶體管的設(shè)計(jì)都要講清楚是很難的，所以我們只能簡單介紹一下晶體管設(shè)計(jì)的一般步驟和基本原則。</p><p><b>　　五、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p>

29、;　　5.1 晶體管設(shè)計(jì)的一般步驟：</p><p>　　晶體管設(shè)計(jì)過程大致按下列步驟進(jìn)行： </p><p>　　第一，根據(jù)預(yù)期指標(biāo)要求選定主要電學(xué)參數(shù)β、VCBO、VCEO、ICM，確定主要電學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。</p><p>　　第二，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，了解同類產(chǎn)品的現(xiàn)有水平和工藝條件，結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：</

30、p><p>　?。?）根據(jù)主要電學(xué)參數(shù)計(jì)算出各區(qū)的濃度：Nc、Ne、Nb。</p><p>　?。?）縱向設(shè)計(jì)：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)，如基區(qū)寬度Wb，擴(kuò)散結(jié)深Xj和集電區(qū)厚度Wc等。</p><p>　?。?）橫向設(shè)計(jì)：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，繪制出光刻版圖。</p><p>　?。?）根據(jù)設(shè)計(jì)

31、指標(biāo)選取材料，確定材料參數(shù)，如電阻率?，位錯(cuò)，壽命，晶向等。</p><p>　?。?）根據(jù)現(xiàn)有工藝條件，制定實(shí)施工藝方案。</p><p>　?。?）根據(jù)晶體管的類型進(jìn)行熱學(xué)設(shè)計(jì)，選擇分裝形式，選用合適的管殼和散熱方式等。 </p><p>　　第三，根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，對(duì)晶體管的電學(xué)驗(yàn)算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合調(diào)整和修改。</p>&l

32、t;p>　　第四，根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行小批測量試制，暴露問題，解決矛盾，修改和完善設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　5.2 材料參數(shù)計(jì)算</p><p>　　5.2.1 各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　由設(shè)計(jì)題目可知，晶體管的設(shè)計(jì)指標(biāo)是： 300K時(shí)，基區(qū)摻雜濃度為NB=1016cm-3,共發(fā)射極電流增益β=50，BVCEO=60V。</

33、p><p>　　對(duì)上表參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)分析后可發(fā)現(xiàn)，上述參數(shù)中，只有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。</p><p>　　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

34、似，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：</p><p>　　根據(jù)公式,可算出集電區(qū)雜質(zhì)濃度：</p><p>　　一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NE>>NB>NC，故，</p><p>　　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55頁）</p><p>　　查圖1得到少子遷移率：</p

35、><p><b>　　根據(jù)公式可知：</b></p><p>　　圖2 摻雜濃度與電阻率的函數(shù)關(guān)系（器件物理59頁）</p><p>　　根據(jù)圖2，可得到不同雜質(zhì)濃度對(duì)應(yīng)的電阻率：</p><p>　?。匆r底選用的電阻率） </p><p>　　圖3 少子壽命與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)

36、系（半導(dǎo)體物理177頁）</p><p>　　根據(jù)圖3，可得到E、B、C三區(qū)的少子壽命</p><p>　　注明：這里的少子壽命偏大，故取器件物理287頁的經(jīng)驗(yàn)值，為了方便得到較合理的基區(qū)準(zhǔn)中性寬度，所以這里的少子壽命取值如下：</p><p><b>　　根據(jù)公式有：</b></p><p>　　5.2.2 集電區(qū)厚度

37、Wc的選擇</p><p>　　(1)集電區(qū)厚度Wc </p><p>　　根據(jù)公式求出集電區(qū)厚度的最小值為：</p><p>　　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。</p><p>　　綜合考慮這兩方面的因素，故選擇WC=14μm</p>

38、;<p>　　5.2.3 基區(qū)寬度WB</p><p>　　（1）基區(qū)寬度的最大值</p><p>　　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?，因此低頻器件的基區(qū)寬度最大值由?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)： </p><p>　　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

39、中取??4。 根據(jù)公式,求得低頻管的基區(qū)寬度的最大值為：</p><p>　　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。</p><p>　?。?）基區(qū)寬度的最小值</p><p>　　為了保證器件正常工作，

40、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： </p><p>　　在高頻器件中，基區(qū)寬度的最小值往往還受工藝的限制。</p><p><b>　　則由上述可知：</b></p><p>　?。?）基區(qū)寬度的具體設(shè)計(jì)&l

41、t;/p><p>　　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：</p><p>　　圖4 平衡條件下的PNP三極管的示意圖</p><p>　　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

42、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： （10）</p><p>　　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。</p><p>　　E-B結(jié)的內(nèi)建電勢為：</p><p>　　C-B結(jié)的內(nèi)建電勢為：</p>

43、<p><b>　　根據(jù)公式有：</b></p><p>　　E-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層厚度為</p><p>　　∵ 可以當(dāng)成單邊突變結(jié)處理</p><p>　　C-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層厚度為</p><p><b>　　根據(jù)公式有：</b></p><p&

44、gt;　　∵ </p><p>　　∴ </p><p><b>　　求解得到</b></p><p>　　由上述可得基區(qū)總寬度：</p><p>　　滿足條件：，這個(gè)寬度是允許的，但是

45、為了與標(biāo)準(zhǔn)工藝相對(duì)應(yīng)，這里的，方便以后的計(jì)算。</p><p><b>　?。?）擴(kuò)散結(jié)深</b></p><p>　　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，有效特征頻率就下降，因此，通常選取：</p>

46、;<p><b>　　反射結(jié)結(jié)深為</b></p><p><b>　　集電結(jié)結(jié)深為</b></p><p>　?。?）芯片厚度和質(zhì)量</p><p>　　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，在測量硅

47、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150～200um。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。</p><p>　　5.2.4 晶體管的橫向設(shè)計(jì)</p><p>　　5.2.4.

48、1 晶體管橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇</p><p><b>　　(1)橫向設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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

49、。</p><p>　　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。</p><p><b>　　圖5：三極管剖面圖</b></p><p><b>　　圖6：三極管俯視圖</b></p><p>　　(2) 基區(qū)

50、、發(fā)射區(qū)與集電區(qū)面積的計(jì)算</p><p>　　基區(qū)面積無特別要求，取有效的</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，涉及到集電極電流受基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的限制。有公式：</p><p>　　由最大飽和壓降VCES≤2V可得到：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中、為臨界

51、飽和時(shí)的結(jié)壓降，通常V，可以到《半導(dǎo)體物理學(xué)》第七版，電子工業(yè)出版社一書的124頁，圖4-15進(jìn)行查得，由（8）式得：</p><p>　　另外，為滿足散熱要求，取AC要大一些。</p><p>　　故最終決定的三個(gè)區(qū)的面積分別為，，</p><p>　　5.3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　5.3.1 晶體管工藝概述</p>

52、<p>　　在集成電路工藝中，最早得到廣泛應(yīng)用的一種雙極型工藝技術(shù)就是所謂的三重?cái)U(kuò)散方法，由于其成本低、工藝簡單以及成品率高等優(yōu)點(diǎn)，這種技術(shù)直到今天在某些應(yīng)用領(lǐng)域中仍然在繼續(xù)使用。這個(gè)工藝流程只需七塊光刻掩模版，首先在N－襯底上生長一層初始氧化層，并光刻出P＋保護(hù)環(huán)擴(kuò)散區(qū)窗口；保護(hù)環(huán)擴(kuò)散推進(jìn)完成后，去掉初始氧化層，重新生長第二次氧化層，并光刻出集電區(qū)注入窗口；集電區(qū)注入推進(jìn)完成后，把二次氧化層去掉，再生長第三次氧化層，并光

53、刻出基區(qū)注入窗口；完成基區(qū)注入后，去掉三次氧化層，并對(duì)基區(qū)雜質(zhì)進(jìn)行退火激活，然后生長第四次氧化層，并光刻出發(fā)射區(qū)注入窗口；發(fā)射區(qū)注入完成后，再把四次氧化層去掉，并生長最后一次氧化層，在這層氧化層上光刻出基極歐姆接觸區(qū)窗口；然后進(jìn)行基極歐姆接觸區(qū)的N+注入，并對(duì)基極歐姆接觸區(qū)和發(fā)射區(qū)注入層進(jìn)行最后一次退火激活；接下來沉積歐姆接觸區(qū)保護(hù)層、開接觸孔、形成金屬化導(dǎo)電層并對(duì)其進(jìn)行光刻和刻蝕。在基本的三重?cái)U(kuò)散工藝技術(shù)基礎(chǔ)上所做的改進(jìn)之一就是增加一

54、個(gè)集電區(qū)埋層，即位于集電區(qū)下面的一個(gè)重?fù)诫s的擴(kuò)散區(qū)，它可以使集電區(qū)的串聯(lián)電阻大大減小。引入集電區(qū)埋層后意味著集電區(qū)本身必須通過外延技術(shù)在襯底上生長</p><p>　　不同的制造工藝會(huì)產(chǎn)生不同的發(fā)射結(jié)寄生電容、發(fā)射結(jié)擊穿電壓及基區(qū)接觸電阻等。從歷史發(fā)展來看，雙極型晶體管的性能在很大程度上受其寄生參數(shù)的限制，在這些參數(shù)中最主要的是與歐姆接觸區(qū)或器件非本征區(qū)有關(guān)的結(jié)電容。三重?cái)U(kuò)散工藝或標(biāo)準(zhǔn)埋層集電區(qū)工藝具有較大的非本

55、征電容。較為先進(jìn)的雙極型器件工藝則利用自對(duì)準(zhǔn)多晶硅結(jié)構(gòu)形成器件發(fā)射區(qū)和基區(qū)的歐姆接觸，而金屬和多晶硅的接觸可以在較厚的場氧化層上制備形成，這樣就使器件的結(jié)面積大大縮小。此外，利用多晶硅形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸，還可以使器件的本征電流增益有所增大。</p><p>　　5.3.2 工藝參數(shù)計(jì)算思路</p><p>　　計(jì)算思路：發(fā)射區(qū)擴(kuò)散時(shí)間氧化層厚度?在發(fā)射區(qū)擴(kuò)散時(shí)基區(qū)擴(kuò)散結(jié)深?基區(qū)擴(kuò)散時(shí)間?基

56、區(qū)掩蔽層厚度?氧化時(shí)間。</p><p>　　由于二次氧化，必須在考慮基區(qū)擴(kuò)散深度時(shí)須對(duì)發(fā)射區(qū)掩蔽層消耗的硅進(jìn)行補(bǔ)償（在前面計(jì)算已將它計(jì)算在內(nèi)了）。下表是計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)過程中要用到的：</p><p>　　表1：硅中磷和硼的與（微電子工藝基礎(chǔ)119頁表5-1）</p><p>　　表2：二氧化硅中磷和硼的與（微電子工藝基礎(chǔ)106頁表4-6）</p>&l

57、t;p>　　5.3.3 基區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程：</p><p><b>　?。?）預(yù)擴(kuò)散時(shí)間</b></p><p>　　PNP基區(qū)的磷預(yù)擴(kuò)散的溫度取800℃，即1073K（規(guī)范取值到1120℃，但是這樣得不到合理的預(yù)擴(kuò)散時(shí)間，所以降低溫度來處理）</p><p>　　由公式

58、 </p><p><b>　　其中</b></p><p>　　圖7 雜質(zhì)在硅中的溶解度（實(shí)用集成電路工藝手冊(cè)107頁圖6-7）</p><p>　　由圖7可得，在800℃時(shí)磷在硅中的固溶度為，但是這里的數(shù)據(jù)比較大，為

59、了計(jì)算的方便故這里的表面濃度?。A(yù)擴(kuò)時(shí)間在合理范圍）</p><p><b>　　故 </b></p><p><b>　?。?）氧化層厚度：</b></p><p>　　氧化層厚度的最小值由預(yù)擴(kuò)散（1073K）的時(shí)間t=1848s來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求 。 </p><p>

60、　　考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，基區(qū)氧化層厚度取為6000</p><p>　　(C)基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間：</p><p>　　本來應(yīng)該取1120℃，但是為了能夠得到較快的主擴(kuò)時(shí)間，所以主擴(kuò)溫度取到了1250℃（1523K），這時(shí)的</p><p>　　由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，</p><p>　　由再擴(kuò)散結(jié)深公式：，</p>

61、<p>　　而且 </p><p><b>　　故可整理為： </b></p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　經(jīng)過化簡得， </b></

62、p><p>　　利用MATLAB軟件求解方程，得t=24967s=6.93h</p><p>　　5.3.4 發(fā)射區(qū)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算過程</p><p><b>　?。?）預(yù)擴(kuò)散時(shí)間</b></p><p>　　PNP發(fā)射區(qū)的磷預(yù)擴(kuò)散的溫度這里取950℃，即1223K</p><p>　　由公式

63、 </p><p><b>　　其中</b></p><p>　　由上面的圖7可得，在950℃時(shí)硼在硅中的固溶度為，即此處的 </p><p><b>　　故

64、</b></p><p><b>　　（2）氧化層厚度：</b></p><p>　　氧化層厚度的最小值由預(yù)擴(kuò)散（1223K）的時(shí)間t=2101s來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設(shè)可求 </p><p>　　考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，發(fā)射區(qū)氧化層厚度取為7000</p><p>　　(C)基區(qū)再擴(kuò)散的時(shí)間：&l

65、t;/p><p>　　主擴(kuò)溫度取1200℃（1473K），此時(shí)有</p><p>　　由于預(yù)擴(kuò)散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，</p><p>　　由再擴(kuò)散結(jié)深公式：， </p><p>　　而且 </p>&

66、lt;p><b>　　故可整理為： </b></p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　經(jīng)過化簡得， </b></p><p>　　利用MATLAB軟件求解方程，得t=7515s=2.08h</p><p>　　5.3.5 氧化時(shí)間的計(jì)算<

67、/p><p>　　表3 1100℃的干氧和濕氧的氧化速率常數(shù)（半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)41頁）</p><p>　　表4 1200℃的干氧和濕氧的氧化速率常數(shù)（半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)41頁）</p><p><b>　　（1）基區(qū)氧化時(shí)間</b></p><p>　　由前面算出基區(qū)氧化層厚度是6000，如果氧化溫度是1100℃，要得到60

68、00的氧化層，可以采用干氧－濕氧－干氧工藝,</p><p>　　因?yàn)?所以可以根據(jù)所需厚度來算時(shí)間</p><p>　　可以先后干氧各500，然后濕氧5000，根據(jù)1100℃的相關(guān)系數(shù)代入上述式子，則可以得到：1100℃干氧，</p><p>　　1100℃濕氧，將上面的厚度對(duì)應(yīng)代入，可以得到干氧時(shí)間和濕氧時(shí)間：</p><p>　　

69、即干氧11min（500）--濕氧36min(5000)—干氧11min(500)</p><p>　　(2)發(fā)射區(qū)氧化時(shí)間</p><p>　　由前面算出基區(qū)氧化層厚度是7000，如果氧化溫度是1200℃，要得到7000的氧化層，可以采用干氧－濕氧－干氧工藝,</p><p>　　同樣根據(jù) 來算時(shí)間</p><p>　　可以先后干氧各

70、1000，然后濕氧5000，根據(jù)1200℃的相關(guān)系數(shù)代入上述式子，則可以得到：1200℃干氧，</p><p>　　1200℃濕氧，將上面的厚度對(duì)應(yīng)代入，可以得到干氧時(shí)間和濕氧時(shí)間：</p><p>　　即干氧17min（1000）--濕氧22min(5000)—干氧17min(1000)</p><p>　　5.3.7 設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)</p><

71、p>　　采用外延硅片，其襯底的電阻率為7的P型硅，選取<111>晶向。</p><p>　　表4：設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)列表</p><p><b>　　六、工藝流程圖</b></p><p>　　PNP晶體管生產(chǎn)總的工藝流程圖：</p><p><b>　　七、生產(chǎn)工藝流程</b><

72、/p><p><b>　　7.1 硅片清洗</b></p><p><b>　　1.清洗原理：</b></p><p>　　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。</p><p>　　b.表面活性劑的潤濕作用：固－氣

73、界面消失，形成固－液界面</p><p>　　c.起滲透作用；利用表面活性劑的潤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。</p><p>　　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

74、片的目的。</p><p>　　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：</p><p><b>　　7.2 氧化工藝</b></p><p>　　7.2.1.氧化原理</p><p>　　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

75、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。</p><p>　　二氧化硅的另一個(gè)重要性質(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。</p><p>　　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。由于熱生長制

76、造工藝設(shè)備簡單，操作方便，SiO2膜較致密，所以采用熱氧化二氧化硅制備工藝。</p><p>　　熱生長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。</p><p>

77、　?。?）干氧法: 生長速率最慢，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。</p><p>　?。?） 濕氧法:生長速率介于前兩者之間，生長速率可通過爐溫或水浴溫度進(jìn)行調(diào)整。使用靈活性大，濕氧法生長的SiO2膜，雖然致密性略差于干氧法生長的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

78、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。</p><p>　　根據(jù)迪爾和格羅夫模型，熱氧化過程須經(jīng)歷如下過程：</p><p>　?。?）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)。</p><p>　?。?）

79、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。</p><p>　?。?）氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2，流密度用F3表示。</p><p>　?。?）反應(yīng)的副產(chǎn)物離開界面。</p><p>　　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→

80、濕氧→干氧工藝制備。</p><p>　　7.2.2.氧化工藝步驟</p><p>　　（1）開氧化爐，并將溫度設(shè)定倒750--850℃，開氧氣流量2升/分鐘；</p><p>　?。?）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；</p><p>　　（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)，

81、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；</p><p>　?。?）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；</p><p>　　（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；</p><p>

82、;　?。?）將石英舟拉出，并在凈化臺(tái)內(nèi)將硅片取出，同時(shí)，檢測氧化層表面狀況和厚度；</p><p>　?。?）關(guān)氧化爐，關(guān)氣體。</p><p>　　7.2.3測量氧化層厚度</p><p>　　測量厚度的方法很多，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

83、不同顏色的干涉條紋，從而大致判斷氧化層的厚度。</p><p>　　7.5 第一次光刻工藝（基區(qū)光刻）</p><p><b>　　（1）、光刻原理</b></p><p>　　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

84、路對(duì)光刻的基本要求有如下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）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3um，而由500萬元件組成的集成電路，其圖形最小條寬為1.5--2um，百萬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。</p><p>　?。?）高靈

85、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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

86、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。</p><p>　　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

87、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。</p><p><b>　?。?）工藝步驟</b></p><p><b>　　1) 準(zhǔn)備：</b></p><p>　　A) 開前烘，堅(jiān)膜烘箱，前烘溫度設(shè)定95℃，堅(jiān)膜溫度為120℃。</p><p>　　B) 涂膠前15分鐘

88、開啟圖膠凈化臺(tái)，調(diào)整轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)要求。</p><p>　　C) 光刻前30分鐘，開啟光刻機(jī)汞燈。</p><p>　　D) 開啟腐蝕恒溫槽，溫度設(shè)定40℃</p><p>　　E) 清洗膠瓶和吸管，并倒好光刻膠。</p><p>　　F) 清洗掩膜版（基區(qū)光刻掩膜版），并在凈化臺(tái)下吹干</p><p><b

89、>　　2) 涂膠：</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　3) 前烘</b></p><p>　　將涂好光刻膠的硅片放入前烘烘箱，并計(jì)時(shí)，前烘完成

90、后將硅片取出，</p><p><b>　　4) 對(duì)準(zhǔn)</b></p><p>　　將掩膜版上在光刻機(jī)上，并進(jìn)行圖形套準(zhǔn)。</p><p><b>　　5) 曝光</b></p><p>　　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)無誤后，進(jìn)行曝光。</p><p&g

91、t;<b>　　6) 顯影</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　7) 堅(jiān)膜</b></p><p>　　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

92、。</p><p><b>　　8) 腐蝕</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　9) 去膠</b></p><p>　　硅片腐蝕完

93、成后，在3#液中將光刻膠去掉，并沖洗干凈，工藝結(jié)束。</p><p><b>　　7.6 硼擴(kuò)散工藝</b></p><p><b>　　7.6.1原理</b></p><p>　　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，

94、以改變硅片原來的電學(xué)性質(zhì)。</p><p>　　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。</p><p>　?。?）預(yù)擴(kuò)散硼雜質(zhì)濃度分布方程為：</p><p>　　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。</p><p>

95、　?。?）再擴(kuò)散（主擴(kuò)散）</p><p>　　硼再擴(kuò)散為有限表面源擴(kuò)散，雜質(zhì)濃度分布方程為：</p><p>　　其中Q為擴(kuò)散入硅片雜質(zhì)總量：</p><p>　　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。</p><p><b>　　7.6.2工藝步驟</b></p><p>

96、<b>　　1) 工藝準(zhǔn)備</b></p><p>　　A) 開擴(kuò)散爐，并將溫度設(shè)定到750--850℃，開氮?dú)饬髁?升/分鐘。</p><p>　　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）。</p><p>　　C) 開涂源凈化臺(tái)，并調(diào)整好涂源轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2) 硅片清洗：

97、清洗硅片（見清洗工藝），將清洗好的硅片甩干。</p><p>　　3) 將清洗干凈、甩干的硅片涂上硼源。</p><p>　　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，并開始計(jì)時(shí)，時(shí)間是1499秒（約25分鐘）。</p><p>　　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

98、R□值，采用四探針法進(jìn)行測量：</p><p>　　四探針法中探針等間距配置，有恒流源供給外側(cè)兩根探針一個(gè)小電流I，在內(nèi)部兩個(gè)探針之間可以測到電壓V，對(duì)于厚度遠(yuǎn)小于直徑d的薄型半導(dǎo)體樣品來說，電阻率可以由下式給出:</p><p>　　式中CF為修正因子，它與壁紙d/s有關(guān)，s為探針間距，當(dāng)d/s>20時(shí)，修正因子為4.54。</p><p>　　（6）將預(yù)擴(kuò)

99、散硅片用2#液清洗，沖洗干凈甩干。</p><p>　?。?）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8605秒（143分鐘），同時(shí)根據(jù)工藝條件先進(jìn)行干氧氧化。</p><p>　?。?）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)，干氧時(shí)間是65分鐘。在開始干氧同時(shí)

100、，將濕氧水壺加熱到95℃。</p><p>　?。?）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?，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)。</p><p>　?。?0）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，濕氧時(shí)間是13分鐘。</p><p>　?。?1）濕氧完成后，開干氧流量計(jì)，調(diào)整氧氣流量3升/

101、分鐘，并根據(jù)工藝條件確定干氧時(shí)間，干氧時(shí)間是65分鐘。</p><p>　?。?2）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。</p><p>　　（13）氮?dú)馔瓿珊?，再擴(kuò)散結(jié)束，調(diào)整溫控器降溫，氮?dú)饬髁坎蛔儯瑫r(shí)間30分鐘。</p><p>　?。?4）降溫完成后，拉出石英舟，取出硅片，檢測氧化層厚度、均勻性，漂去氧化層，沖洗干凈后，檢測

102、R□值，結(jié)深，β值。</p><p>　?。?5）將擴(kuò)散后的硅片交光刻工藝，光刻完成后，檢測擊穿電壓、β值。</p><p>　?。?6）根據(jù)實(shí)測β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。硼擴(kuò)散工藝結(jié)束。</p><p>　　7.7 第二次光刻工藝（發(fā)射區(qū)光刻）</p><p>

103、　　此次除了光刻掩膜版外（這次用發(fā)射區(qū)光刻掩膜版），步驟與第一次光刻一樣，這里就不再列出。</p><p>　　7.8 磷擴(kuò)散工藝（發(fā)射區(qū)擴(kuò)散）</p><p><b>　　7.8.1工藝原理</b></p><p>　?。?）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)散工藝簡稱擴(kuò)散，磷擴(kuò)散工藝是將一定數(shù)量的

104、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)。</p><p>　　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，</p><p>　　（2）預(yù)擴(kuò)散磷雜質(zhì)濃度分布方程為：</p><p>　　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。</p>

105、<p>　?。?）再擴(kuò)散（主擴(kuò)散）</p><p>　　磷再擴(kuò)散為有限表面源擴(kuò)散，雜質(zhì)濃度分布方程為：</p><p>　　其中Q為擴(kuò)散入硅片雜質(zhì)總量：</p><p>　　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。</p><p>　　7.8.2 工藝步驟(擴(kuò)散的過程同時(shí)要進(jìn)行發(fā)射區(qū)的氧化)</p>

106、<p>　?。?）將擴(kuò)散爐溫度設(shè)定倒750--850℃，開氮?dú)饬髁?升/分鐘。</p><p>　?。?）硅片清洗：清洗硅片（見清洗工藝）將清洗好的硅片甩干。</p><p>　?。?）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)。</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)溫控器，使溫度達(dá)到預(yù)擴(kuò)散溫度1200℃，前面已算出預(yù)擴(kuò)散時(shí)間是2183

107、秒（約36分鐘）</p><p>　?。?） 預(yù)擴(kuò)散完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去磷硅玻璃，沖洗干凈后，檢測R□值。采用四探針法進(jìn)行測量：</p><p>　　四探針法中探針等間距配置，有恒流源供給外側(cè)兩根探針一個(gè)小電流I，在內(nèi)部兩個(gè)探針之間可以測到電壓V，對(duì)于厚度遠(yuǎn)小于直徑d的薄型半導(dǎo)體樣品來說，電阻率可以由下式給出:</p><p>　　式中CF為修正因子，

108、它與壁紙d/s有關(guān)，s為探針間距，當(dāng)d/s>20時(shí)，修正因子為4.54。</p><p>　?。?）將預(yù)擴(kuò)散硅片用2#液清洗，沖洗干凈甩干。</p><p>　?。?）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3808秒（63分鐘），</p><

109、;p>　　(8)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。</p><p>　　(9)降溫完成后，拉出石英舟，取出硅片，檢測氧化層厚度、均勻性，漂去氧化層，沖洗干凈后，檢測R□值，結(jié)深。</p><p>　?。?0）將擴(kuò)散后的硅片交光刻工藝，光刻完成后，檢測擊穿電壓、β值。</p><p>　　（11）根據(jù)實(shí)測β值，與工藝要求進(jìn)行比較

110、，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)散工藝結(jié)束。</p><p><b>　　八、版圖</b></p><p>　　一般的晶體管需要七塊掩膜版，最簡單的晶體生產(chǎn)中至少需要三塊掩膜版，我所設(shè)計(jì)的掩膜版是配合正膠使用的。第一塊是基區(qū)掩膜版（面積是18×20=360μm2），如圖10；第二塊是發(fā)射區(qū)掩膜版面積是10

111、.5×10.5=110μm2，如圖11；第三塊是接觸孔掩膜版（面積是7×3=21μm2），如圖12。掩膜版有四個(gè)對(duì)準(zhǔn)孔，從第一塊到第三塊對(duì)準(zhǔn)孔是縮小的，這就要求在生產(chǎn)過程中有一個(gè)對(duì)準(zhǔn)精度。三塊掩膜版疊加在一起的情形如圖13。</p><p>　　圖10 基區(qū)掩膜版</p><p>　　圖11 發(fā)射區(qū)掩膜版</p><p>　　圖12 接觸孔掩膜

112、版</p><p>　　圖13 三塊掩膜版疊加在一起的情形</p><p><b>　　九、心得體會(huì)</b></p><p>　　在參數(shù)計(jì)算時(shí)，需要用到很多圖表數(shù)據(jù)，這也是我必須去查閱資料的，這也是一件比較煩人的事，因?yàn)樾枰勘緯シ啠业阶约核枰臄?shù)據(jù)，雖然有點(diǎn)麻煩，但這能鍛煉我在以后工作時(shí)，對(duì)于一些數(shù)據(jù)要找到其根據(jù)才能使用它，而不是亂編

113、一個(gè)數(shù)據(jù)出來。另外，是在進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于溫度的選擇是非常重要的，不僅要結(jié)合現(xiàn)在的工藝情況，還有讓自己所選擇的溫度能在計(jì)算中達(dá)到一個(gè)比較合理的數(shù)據(jù)。但是通過查圖得到的數(shù)據(jù)，有時(shí)在不同的書上查出來的數(shù)據(jù)是不一樣的，以致比較難分辨哪一個(gè)是正確的，只能一個(gè)個(gè)去試直至最后得到一個(gè)比較合理的又符合實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。</p><p>　　晶體管設(shè)計(jì)的整個(gè)工藝流程看似簡單，其實(shí)是比較繁瑣。清洗雖然是一件非常簡單的工藝，但是

114、在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中有著非常重要的作用，若硅片表面未清洗干凈，由于硅片吸附的雜質(zhì)會(huì)改變半導(dǎo)體表面的性質(zhì)，硅片表面吸引電荷時(shí)，會(huì)使器件性能不穩(wěn)定?？梢娗逑词欠浅Ｖ匾?，而且在很多地方都要用到清洗，具體使用可以見表三。掩模板方面也是比較粗略地畫出的，大體可以表明總體掩模板的形狀與局部掩模板的形狀。</p><p><b>　　十、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.半導(dǎo)

115、體器件基礎(chǔ)（器件物理），R.F.Pierret電子工業(yè)出版社，2010年7月</p><p>　　2.集成電路制造技術(shù)--原理與工藝，王蔚等編，電子工業(yè)出版社，2010年9月</p><p>　　3.半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)，Gary S.May 施敏著，人民郵電出版社，2007年11月</p><p>　　4.微電子工藝基礎(chǔ)，李薇薇等編，化學(xué)工業(yè)出版社，2007年1月 &l