pnp雙極型晶體管的設計課程設計

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　課程名稱___半導體物理器件和集成電路工藝原理___</p><p>　　題目名稱____ pnp雙極型晶體管的設計________</p><p>　　學生學院______材料與能源學院__________</p><p>　　專業(yè)班級_____

2、2012級微電子2班________ </p><p>　　學 號______________________________</p><p>　　學生姓名_________ _____ _____</p><p><b>　　指導老師: </b></p><p>　　2015 年 1 月 23

3、日</p><p><b>　　一、課程設計的內(nèi)容</b></p><p>　　設計一個均勻摻雜的pnp型雙極晶體管，使T=300K時，hfe=80。BVCBO=60V.晶體管工作于小注入條件下，設計時應盡量減小基區(qū)寬度調(diào)制效應的影響</p><p>　　二、課程設計的要求與數(shù)據(jù)</p><p>　　1．了解晶體管設計的

4、一般步驟和設計原則</p><p>　　2．根據(jù)設計指標設計材料參數(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散系數(shù)，遷移率，擴散長度和壽命等。</p><p>　　3．根據(jù)主要參數(shù)的設計指標確定器件的縱向結(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和擴散結(jié)深Xjc, 發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等。</p><p>

5、　　4．根據(jù)擴散結(jié)深Xjc, 發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等確定基區(qū)和發(fā)射區(qū)預擴散和再擴散的擴散溫度和擴散時間；由擴散時間確定氧化層的氧化溫度、氧化厚度和氧化時間。</p><p>　　5．根據(jù)設計指標確定器件的圖形結(jié)構(gòu)，設計器件的圖形尺寸，繪制出基區(qū)、發(fā)射區(qū)和金屬接觸孔的光刻版圖。 </p><p>　　6. 根據(jù)現(xiàn)有工藝條件，制定詳細的工藝實施方案。</p><p>&

6、lt;b>　　7．撰寫設計報告</b></p><p>　　三、課程設計應完成的工作</p><p><b>　　1. 材料參數(shù)設計</b></p><p>　　2.晶體管縱向結(jié)構(gòu)設計</p><p>　　3.晶體管的橫向結(jié)構(gòu)設計（設計光刻基區(qū)、發(fā)射區(qū)和金屬化的掩膜版圖形）</p><

7、;p>　　4．工藝參數(shù)設計和工藝操作步驟</p><p>　　5.總結(jié)工藝流程和工藝參數(shù)</p><p><b>　　6. 寫設計報告</b></p><p>　　四、課程設計進程安排</p><p>　　五、應收集的資料及主要參考文獻</p><p>　　1．《半導體器件基礎》Robert

8、 F. Pierret著，黃如譯，電子工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　2．《半導體物理與器件》 趙毅強等譯，電子工業(yè)出版社，2005年.</p><p>　　3．《硅集成電路工藝基礎》，關旭東編著，北京大學出版社，2005年.</p><p><b>　　4 </b></p><p>　　發(fā)出任務書日期：

9、2015 年 1 月 12 日 指導教師簽名：</p><p>　　計劃完成日期： 2015年 1月 24日 基層教學單位責任人簽章：</p><p><b>　　主管院長簽章：</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1.課程設計目的與任務…………………………

10、………………………………2</p><p>　　2.設計的內(nèi)容……………………………………………………………………2 </p><p>　　設計的要求與數(shù)據(jù)……………………………………………………………2</p><p>　　4.物理參數(shù)設計…………………………………………………………………3</p><p>　　4.1 各區(qū)摻雜濃度及相關

11、參數(shù)的計算………………………………………3</p><p>　　4.2 集電區(qū)厚度Wc的選擇……………………………………………………6</p><p>　　4.3 基區(qū)寬度WB………………………………………………………………6</p><p>　　4.4 擴散結(jié)深…………………………………………………………………10</p><p>　　4.

12、5 芯片厚度和質(zhì)量…………………………………………………………10</p><p>　　4.6 晶體管的橫向設計、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇…………………………………10</p><p>　　5.工藝參數(shù)設計…………………………………………………………………11 </p><p>　　5.1 工藝部分雜質(zhì)參數(shù)………………………………………………………11</p>

13、<p>　　5.2 基區(qū)相關參數(shù)的計算過程………………………………………………11</p><p>　　5.3 發(fā)射區(qū)相關參數(shù)的計算過程……………………………………………13</p><p>　　5.4 氧化時間的計算…………………………………………………………14</p><p>　　6.設計參數(shù)總結(jié)…………………………………………………………………16

14、</p><p>　　7.工藝流程圖……………………………………………………………………17</p><p>　　8.生產(chǎn)工藝流程…………………………………………………………………19</p><p>　　9.版圖……………………………………………………………………………28</p><p>　　10.心得體會…………………………………………

15、…………………………29</p><p>　　11.參考文獻……………………………………………………………………30</p><p>　　PNP雙極型晶體管的設計</p><p>　　1、課程設計目的與任務</p><p>　　《微電子器件與工藝課程設計》是繼《微電子器件物理》、《微電子器件工藝》和《半導體物理》理論課之后開出的有關微電子器件

16、和工藝知識的綜合應用的課程，使我們系統(tǒng)的掌握半導體器件，集成電路，半導體材料及工藝的有關知識的必不可少的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　目的是使我們在熟悉晶體管基本理論和制造工藝的基礎上，掌握晶體管的設計方法。要求我們根據(jù)給定的晶體管電學參數(shù)的設計指標，完成晶體管的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)設計→晶體管的圖形結(jié)構(gòu)設計→材料參數(shù)的選取和設計→制定實施工藝方案→晶體管各參數(shù)的檢測方法等設計過程的訓練，為從事微電子器件設計、集成電路

17、設計打下必要的基礎。</p><p><b>　　2、設計的內(nèi)容</b></p><p>　　設計一個均勻摻雜的pnp型雙極晶體管，使T=300K時，β=80，VCBO=60V.晶體管工作于小注入條件下，設計時應盡量減小基區(qū)寬度調(diào)制效應的影響。</p><p>　　3、設計的要求與數(shù)據(jù)</p><p>　?。?）了解晶體

18、管設計的一般步驟和設計原則。</p><p>　　（2）根據(jù)設計指標設計材料參數(shù)，包括發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度NE, NB, </p><p>　　和NC,根據(jù)各區(qū)的摻雜濃度確定少子的擴散系數(shù)，遷移率，擴散長度和壽命 </p><p><b>　　等。</b></p><p>　　根據(jù)主要參數(shù)的設計指標確定器件的

19、縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括集電區(qū)厚度Wc， </p><p>　　基本寬度Wb，發(fā)射區(qū)寬度We和擴散結(jié)深Xjc,發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等。</p><p>　　根據(jù)擴散結(jié)深Xjc,發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje等確定基區(qū)和發(fā)射區(qū)預擴散和再擴散的擴</p><p>　　散溫度和擴散時間；由擴散時間確定氧化層的氧化溫度、氧化厚度和氧化 </p><p><b>

20、;　　時間。</b></p><p>　　根據(jù)設計指標確定器件的圖形結(jié)構(gòu)，設計器件的圖形尺寸，繪制出基區(qū)、 </p><p>　　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，制定詳細的工藝實施方案。</p><p><b>　　4、物理參數(shù)設計</b><

21、/p><p>　　4.1 各區(qū)摻雜濃度及相關參數(shù)的計算</p><p>　　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，并適當調(diào)整其他參量，以滿足其他電學參數(shù)的要求。</p><p>　　對于擊穿電壓較高的器件，在接近雪崩擊穿時，集電結(jié)空間電荷區(qū)已擴展至均勻摻雜的外延層。因此，當集電結(jié)上的偏置電壓

22、接近擊穿電壓V時，集電結(jié)可用突變結(jié)近似，對于Si器件擊穿電壓為 ， 由此可得集電區(qū)雜質(zhì)濃度為：</p><p>　　由設計的要求可知C-B結(jié)的擊穿電壓為： </p><p>　　查表,可得集電區(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，根據(jù)以往的經(jīng)驗可取:</p><p>

23、　　即各區(qū)的雜質(zhì)溶度為： </p><p>　　圖1 室溫下載流子遷移率與摻雜濃度的函數(shù)關系（器件物理P55）</p><p>　　根據(jù)圖1，得到少子遷移率：</p><p>　　根據(jù)公式可得少子的擴散系數(shù)：</p><p>　　圖2 摻雜濃度與電阻率的函數(shù)關系（器件物理P59）</p><p>　　根據(jù)圖2，可

24、得到不同雜質(zhì)濃度對應的電阻率：</p><p>　　圖3 少子壽命與摻雜濃度的函數(shù)關系（半導體物理P177）</p><p>　　根據(jù)圖3，可得到各區(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)驗值，為了方便得到較合理的基區(qū)準中性寬度，所以這里的少子壽命取值如下：</p><p>　　根據(jù)公式得出少子

25、的擴散長度：</p><p>　　4.2 集電區(qū)厚度Wc的選擇</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=5μm</

26、p><p>　　4.3 基區(qū)寬度WB</p><p>　?。?）基區(qū)寬度的最大值</p><p>　　對于低頻管，與基區(qū)寬度有關的主要電學參數(shù)是?，因此低頻器件的基區(qū)寬度最大值由確定。當發(fā)射效率γ≈1時，電流放大系數(shù)，因此基區(qū)寬度的最大值可按下式估計： </p><p>　　為了使器件進入大電流狀態(tài)時，電流放大系數(shù)仍能滿足要求，因而設計

27、過程中取λ=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)β要求愈高，則基區(qū)寬度愈窄。為提高二次擊穿耐量，在滿足β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，在正常工作電壓下基區(qū)絕對不能

28、穿通。因此，對于高耐壓器件，基區(qū)寬度的最小值由基區(qū)穿通電壓決定,此處，對于均勻基區(qū)晶體管，當集電結(jié)電壓接近雪崩擊穿時，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>　　則由上述計算可知基區(qū)的范圍為：</p><p>　?。?）基區(qū)寬度的具體設計</p><p>　　BJT可

29、以看成是由兩個獨立的PN結(jié)構(gòu)成，它在平衡時的結(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)。因為C-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＞。另外注意到是基區(qū)寬度，是基區(qū)中準中

30、性基區(qū)寬度；也就是說，對于PNP晶體管，有：</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><p>　　根據(jù)公式,E-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層寬度為：</p><p

31、>　　∵ ，可以當成單邊突變結(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><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：。但是

32、為了與標準工藝相對應，，方便以后的計算。</p><p><b>　　4.4 擴散結(jié)深</b></p><p>　　在晶體管的電學參數(shù)中，擊穿電壓與結(jié)深關系最為密切，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)渡越時間增長，有效特征頻率就下降，因此，通常選?。?lt;/p>

33、<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>　　4.5 芯片厚度和質(zhì)量</p><p>　　本設計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、襯底反擴散層厚度決定。同時擴散結(jié)深并不完全一致，在測量

34、硅片厚度時也存在一定誤差。因此在選取硅片厚度時必須留有一定的的余量。襯底厚度要選擇適當，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>　　4.6 晶體管的橫向設計、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇</p><p>

35、<b>　　(1)橫向設計</b></p><p>　　進行晶體管橫向設計的任務，是根據(jù)晶體管主要電學參數(shù)指標的要求，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。</p><p>　　此次設計的晶體管只是普

36、通的晶體管，對圖形結(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>　　圖5：三極管剖面圖 圖6：三極管俯視圖</p><p>　　(2) 基區(qū)、發(fā)射區(qū)與集電區(qū)面積的計算</p><p>　　基區(qū)面積無特別要求，取有效的</p><

37、;p>　　根據(jù)設計要求，涉及到集電極電流受基區(qū)電導調(diào)制效應的限制。有公式：</p><p>　　為了與標準工藝相對應，將發(fā)射區(qū)的面積取為28 um2</p><p>　　由最大飽和壓降VCES≤2V可得到：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中、為臨界飽和時的結(jié)壓降，通常V，可以到《

38、半導體物理學》第七版，電子工業(yè)出版社一書的124頁，圖4-15進行查得，由（8）式得：</p><p>　　另外，為滿足散熱要求，取AC要大一些。</p><p>　　故最終決定的三個區(qū)的面積分別為，，</p><p>　　(2)基區(qū)和發(fā)射區(qū)面積</p><p><b>　　發(fā)射區(qū)面積取</b></p>&

39、lt;p><b>　　基區(qū)面積取。</b></p><p><b>　　5、工藝參數(shù)設計</b></p><p>　　5.1 工藝部分雜質(zhì)參數(shù)</p><p>　　計算思路：發(fā)射區(qū)擴散時間氧化層厚度?在發(fā)射區(qū)擴散時基區(qū)擴散結(jié)深?基區(qū)擴散時間?基區(qū)掩蔽層厚度?氧化時間。</p><p>　　由

40、于二次氧化，必須在考慮基區(qū)擴散深度時須對發(fā)射區(qū)掩蔽層消耗的硅進行補償（在前面計算已將它計算在內(nèi)了）。下表是計算擴散系數(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106頁表4-6）</p><p>　　5.2 基區(qū)相關參數(shù)的計算過程</p>

41、;<p>　　5.2.1 預擴散時間</p><p>　　圖7 雜質(zhì)在硅中的溶解度（實用集成電路工藝手冊107頁圖6-7）</p><p>　　PNP基區(qū)的磷預擴散的溫度取1120℃，即1353K.</p><p><b>　　單位面積雜質(zhì)濃度：</b></p><p>　　由上述表1可知磷在硅中有：

42、 </p><p><b>　　由圖七可知，取</b></p><p>　　由公式 ，得出基區(qū)的預擴散時間： </p><p>　　5.2.2 氧化層厚度&

43、lt;/p><p>　　氧化層厚度的最小值由預擴散（1353K）的時間t=12min來決定的，且服從余誤差分布，并根據(jù)假設可求 ，由一些相關資料可查出磷（P）在溫度1080℃時在中的擴散系數(shù)：，查表得</p><p>　　為了計算簡便，并考慮到生產(chǎn)實際情況，取基區(qū)氧化層厚度為7000。</p><p>　　5.2.3 基區(qū)再擴散的時間</p><p

44、>　　PNP基區(qū)的磷再擴散的溫度這里取1200℃，即1473k。，此時，磷的擴散系數(shù)： </p><p>　　由于預擴散的結(jié)深很淺，可將它忽略，故，</p><p>　　由再擴散結(jié)深公式：，</p><p>　　而且 ， </p>&

45、lt;p><b>　　故可整理為： </b></p><p><b>　　即</b></p><p>　　經(jīng)過化簡得： ，由MATLAB計算</p><p>　　解得基區(qū)再擴散的時間： t=4.0h</p><p>　　5.3 發(fā)射區(qū)相關參數(shù)的計算過程</p><p&g

46、t;　　5.3.1 預擴散時間</p><p>　　PNP發(fā)射區(qū)的硼預擴散的溫度這里取950℃，即1223K。</p><p><b>　　單位面積雜質(zhì)濃度：</b></p><p>　　由上述表1可知硼在硅中有： </p><p><b>　　查表知，取</b></p>&l

47、t;p>　　由公式 ，得出發(fā)射區(qū)的預擴散時間： </p><p>　　5.3.2 氧化層厚度</p><p>　　氧化層厚度的最小值由預擴散（1223K）的時間t=1234.5s來決定的，且服從余誤差分

48、布，并根據(jù)假設可求 ，由一些相關資料可查出硼（B）在溫度950℃時在中的擴散系數(shù)：</p><p>　　考慮到生產(chǎn)實際情況，發(fā)射區(qū)氧化層厚度取為6000。</p><p>　　5.3.3 發(fā)射區(qū)再擴散的時間</p><p>　　PNP發(fā)射區(qū)的硼再擴散的溫度這里取1170℃，即1443K，則 </p><p>　　由于預擴散的結(jié)深很淺，可將它

49、忽略，故，</p><p>　　由再擴散結(jié)深公式：，</p><p>　　而且 ， </p><p><b>　　所以有： </b></p><p><b>　　即</b></p&

50、gt;<p>　　化簡得： ，由MALTAB計算</p><p>　　解得發(fā)射區(qū)的再擴散的時間： t=1.5h</p><p>　　5.4 氧化時間的計算</p><p>　　5.4.1 基區(qū)氧化時間</p><p>　　表3 1100℃的干氧和濕氧的氧化速率常數(shù)（半導體制造基礎41頁）</p><p

51、>　　表4 1200℃的干氧和濕氧的氧化速率常數(shù)（半導體制造基礎41頁）</p><p><b>　　（1）基區(qū)氧化時間</b></p><p>　　前面已算出基區(qū)氧化層厚度是6000，設氧化溫度是1100℃，為了保證氧化層的質(zhì)量，故采用干氧（1000）--濕氧(4000)—干氧(1000)工藝。</p><p><b>　　

52、查資料可知 </b></p><p>　　所以1100℃干氧的情況下：；</p><p>　　1100℃濕氧的情況下：，將上面的厚度對應代入得到：</p><p>　　干氧18.67min（1000）--濕氧15min(4000)—干氧18.67min(1000)</p><p>　　總的時間：53min</p>

53、<p>　　(2)發(fā)射區(qū)氧化時間</p><p>　　因為發(fā)射區(qū)氧化層厚度是7000，取氧化溫度為1200℃，為了保證氧化層的質(zhì)量，故采用干氧（500）--濕氧(6000)—干氧(500)工藝。</p><p>　　方法同基區(qū)氧化時間的計算方法一樣，1200℃干氧的情況下：，</p><p>　　1200℃濕氧的情況下：，解得：</p>&

54、lt;p>　　干氧6min（500）--濕氧16min(6000)—干氧6min(500)</p><p>　　總的時間：28min</p><p><b>　　6、設計參數(shù)總結(jié)</b></p><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2 設計

55、參數(shù)總表</p><p><b>　　7、工藝流程圖</b></p><p>　　PNP晶體管生產(chǎn)總的工藝流程圖如下:</p><p>　　1.硅片清洗 2.氧化</p><p>　　<111>晶向，電阻率為1.17Ω，

56、 作為掩蔽膜</p><p><b>　　用1號清洗液</b></p><p>　　---------------------------------------------------------------------</p><p>　　光刻基區(qū) 磷擴散<

57、/p><p>　　在掩膜板上光刻一個基區(qū)窗口，面積為 雜質(zhì)濃度為；預擴散溫度為； 預擴散時間為；</p><p>　　----------------------------------------------------------------------------------

58、-</p><p>　　5去氧化膜 6.磷再擴散</p><p>　　將預擴散中摻入雜質(zhì)的氧化層 再擴散溫度為；再擴散時間為；</p><p>　　通過清洗工藝去掉 基區(qū)結(jié)深為；氧化一層氧化膜作為掩蔽膜</p><p>　　----

59、----------------------------------------------------------------</p><p>　　7.光刻發(fā)射區(qū) 8.硼預擴散</p><p>　　在掩膜板上光刻一個發(fā)射區(qū)窗口 雜質(zhì)濃度為；預擴散溫度為； 面積為；

60、預擴散時間為；</p><p>　　-------------------------------------------------------------------------------------</p><p>　　去氧化膜10.硼再擴散</p><p>　　將預擴散中摻入雜質(zhì)的氧化層 再擴散溫度為；再擴散時間為

61、； </p><p>　　通過清洗工藝去掉基區(qū)結(jié)深為； </p><p>　　---------------------------------------------------------------------</p><p>　　沉積保護層 12.光刻接觸孔</p><p>　　保護晶體管各

62、區(qū)雜質(zhì)濃度不變</p><p>　　------------------------------------------------------------------- </p><p>　　13.金屬化14.光刻金屬孔</p><p>　　---------------------------------------------------

63、------------------ </p><p>　　15.參數(shù)檢測（用晶體管測試儀測試相關參數(shù)，驗證其正確性）</p><p><b>　　8、生產(chǎn)工藝流程</b></p><p><b>　　8.1 硅片清洗</b></p><p><b>　　1.清洗原理：</b>

64、</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會在水溶液中 </p><p>　　形成膠束，能使不溶或微溶于水的有機物的溶解度顯著增大。</p><p>　　b.表面活性劑的潤濕作用：固－氣界面消失，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

65、的 </p><p>　　滲透作用將顆粒托起，包裹起來。具有極強滲透力的活性劑分子可深入硅片表 </p><p>　　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， </p><p>　　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>　　通過對污染物進行化學腐蝕、物理滲透和機械作用，達到

66、清洗硅片的目的。</p><p>　　硅片清洗液是指能夠除去硅片表面沾污物的化學試劑或幾種化學試劑配制的 </p><p>　　混合液。常用硅片清洗液有：</p><p>　　圖片摘自《實驗指導書》P132</p><p><b>　　8.2 氧化工藝</b></p><p>　　8.2.1

67、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)定的化學性和電絕緣性，因此，二氧化硅可以用來作為器件的保護層和鈍化層，以及電性能的隔離、絕緣材料和電容器的介質(zhì)膜。</p><p>　　二氧化硅的另一個重要性質(zhì)，對某些雜質(zhì)（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用，從而可以選擇擴散；正是利用這一性質(zhì)，并結(jié)合光刻和擴散工藝，才發(fā)展起來平面工藝和超大規(guī)模集成電路。</p>

68、;<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，是集成電路工藝最重要的工藝之一。由于熱生長制造工藝設備簡單，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><b>　　高溫氧化的機理：</b></p><p>　　即化學反應如下所示：</p><p>　　氧化層形成后，氧原子

69、必須穿過氧化層到達硅表面并在那里進行反應，化學反應在 Si-SiO2 界面發(fā)生。完成這個過程必須經(jīng)過以下三個連續(xù)的步驟： 1．氧化劑分子由汽相內(nèi)部遷移到汽相與氧化介質(zhì)膜界面處。 2．氧化劑分子擴散通過業(yè)已生成的初始氧化層。 3．氧化劑分子到達初始氧化層與硅的界面處與硅繼續(xù)反應。 </p><p>　　2. 氧化方式比較： </p><p>　　在生產(chǎn)中，一般采用干氧—濕氧—干氧，

70、交替使用的氧化方法，由于濕氧氧化生長的二氧化硅薄膜表面存在硅烷醇（Si―OH），和光刻膠粘潤不良，光刻時易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象，若再通一段時間的干氧，可使硅烷醇轉(zhuǎn)變成硅氧烷（Si―O―Si），成為疏水表面，從而改善二氧化硅表面與光刻膠的接觸，使光刻時不易產(chǎn)生浮膠。另外可以在較短的時間內(nèi)，獲得較好的氧化層。</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>　?。?/p>

71、1）氧化劑從氣體內(nèi)部以擴散形式穿過滯流層運動到SiO2-氣體界面，其流密度用F1表示，流密度定義為單位時間通過單位面積的粒子數(shù)。</p><p>　?。?）氧化劑以擴散方式穿過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反應生成SiO2，流密度用F3表示。</p><p>　?。?）反應

72、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系。應用于集成電路掩蔽的熱氧化工藝一般采用干氧→濕氧→干氧工藝制備。</p><p>　　8.2.2 氧化工藝步驟</p><p>　　（1）開氧化爐，并將溫度設定倒750--850℃，開氧氣流量2升/分鐘；</p><p>　?。?

73、）打開凈化臺，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）達到氧化溫度后，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，確定干氧時間。在開始干氧的同時，將濕氧水壺加熱到95-98℃。干氧完成后，立即開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關閉干氧流量計，確定濕氧時間；</p><p>　?。?）濕氧完成，開干氧流量計，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，確定

74、干氧時間；</p><p>　?。?）干氧完成后，開氮氣流量計，調(diào)整氮氣流量3升/分鐘，并開始降溫，降溫時間30分鐘；</p><p>　　（6）將石英舟拉出，并在凈化臺內(nèi)將硅片取出，同時，檢測氧化層表面狀況和厚度；</p><p>　?。?）關氧化爐，關氣體。</p><p>　　8.2.3 測量氧化層厚度</p><p

75、>　　氧化完成后，根據(jù)芯片表面顏色大致可以判斷出氧化硅的厚度。因為不同厚度的氧化硅對可見光的折射率不同，芯片表面氧化硅的顏色會隨著厚度的變化呈現(xiàn)周期性變化，下面是不同厚度對應的大致顏色，可作為氧化層厚度的大致判斷依據(jù)。</p><p><b>　　8.3 光刻工藝</b></p><p>　　8.3.1 光刻原理</p><p><

76、;b>　　光刻工藝原理 </b></p><p>　　通常采用的接觸式曝光的光刻工藝是光學照相和化學腐蝕相結(jié)合、在SiO2薄層上或者金屬薄層上獲得所需的精細圖形的方法，是微電子技術(shù)的基礎。薄層上需要獲得的精細圖形首先用制版的方法做成光刻掩膜版（簡稱光刻版、相當于照相底片），光刻掩膜版根據(jù)圖形需要，有的地方透光，有的地方不透光。光學照相是在一種感光膠膜上進行的，這種膠膜相當于照相膠卷上的藥膜，但

77、同時有抗腐蝕性，因而稱之為光致抗蝕劑（又稱光刻膠），主要分為正膠和負膠兩種。負膠的特點是：膠膜凡是被光照射到的地方，發(fā)生了交鏈反應，變成為大分子，經(jīng)過曝光的膠膜在顯影液中會保留下來，以保護膠膜下的薄膜在后續(xù)的腐蝕工藝中不被腐蝕。而正膠則相反，光照使其發(fā)生分解反應，利用合適顯影液就會溶除曝光部分的膠膜。經(jīng)腐蝕后獲得與光刻掩模版相對應的圖形。隨著微電子器件尺寸越來越小，光刻工藝的進步是最基本的技術(shù)支撐。</p><p&g

78、t;　　集成電路對光刻的基本要求有如下幾個方面：</p><p>　　高分辨率：集成度越高則要求條寬越細，要求光刻技術(shù)的圖形分辨率越高；</p><p>　　高靈敏度：靈敏度是指光刻機的感光速度；</p><p><b>　　低缺陷；</b></p><p>　　精密的套刻對準：集成電路的圖形結(jié)構(gòu)需要多此光刻完成，每次曝

79、光都需 要相互套準，因此集成電路對光刻套準要求非常高。</p><p><b>　　光刻工藝步驟</b></p><p><b>　　1. 準備：</b></p><p>　　A) 開前烘，堅膜烘箱，前烘溫度設定95℃，堅膜溫度為120℃。</p><p>　　B) 涂膠前15分鐘開啟圖膠凈化臺，

80、調(diào)整轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)要求。</p><p>　　C) 光刻前30分鐘，開啟光刻機汞燈。</p><p>　　D) 開啟腐蝕恒溫槽，溫度設定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），并在凈化臺下吹干</p><p>　　2. 涂膠：光刻工藝采

81、用旋轉(zhuǎn)涂膠法，涂膠前設定好予勻轉(zhuǎn)速和時間，甩干速度和時間。將氧化完成或擴散完成的硅片放在涂膠頭上，滴上光刻膠進行涂膠，要求膠面均勻、無缺陷、無未涂區(qū)域。</p><p>　　3. 前烘： 將涂好光刻膠的硅片放入前烘烘箱，并計時，前烘完成后將硅片取出，</p><p>　　4. 對準： 將掩膜版上在光刻機上，并進行圖形套準。</p><p>　　5. 曝光：將套準后的

82、硅片頂緊，檢查套準誤差、檢查曝光時間，確認無誤后，進行曝光。</p><p>　　6. 顯影：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，之后在甩干機中甩干，在顯微鏡下檢查是否合格，否則，返工。</p><p>　　7. 堅膜：在顯影檢查合格后將硅片放入堅膜烘箱進行堅膜，設定堅膜時間。</p><p>　　8. 腐蝕：將堅膜好

83、的硅片準備腐蝕，首先確認氧化層厚度，計算腐蝕時間。然后進行腐蝕，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>　　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。</p><p>　　8.4 磷擴散工藝（基區(qū)擴散）</p><p>　　8.4.1 工藝原理</p><p&g

84、t;　?。?）擴散是微觀粒子的一種極為普遍的熱運動形式，各種分離器件和集成電路制造中的固態(tài)擴散工藝簡稱擴散，磷擴散工藝是將一定數(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性質(zhì)。</p><p>　　磷擴散是屬于替位式擴散，采用預擴散和再擴散兩步擴散法，</p><p>　　預擴散分布為余誤差分布；再擴散雜質(zhì)分布為高斯分布。</p><p>　　8.4.2 工藝

85、步驟</p><p>　　1.準備：開擴散爐，并將溫度設定倒700--750℃，開氮氣流量3升/分鐘。本實驗采用液態(tài)源擴散，源溫用低溫恒溫槽保持在5℃以內(nèi)。</p><p>　　2.硅片清洗：清洗硅片（見清洗工藝）將清洗好的硅片甩干。</p><p>　　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)。</p><p>

86、　　4.調(diào)節(jié)溫控器，使溫度達到預擴散溫度800℃，調(diào)節(jié)氧氣調(diào)整氧氣流量為3升/分鐘，并開始計時，根據(jù)工藝條件進行干氧。</p><p>　　5.干氧完成后，開氮氣流量計，按工藝條件調(diào)節(jié)氮氣氧氣比例，然后，開通源閥，使通源流量達到工藝要求，并開始計時。</p><p>　　6.通源完成后，關閉通源流量計，保持氮氣、氧氣流量進行吹氣，吹氣完成后，調(diào)整氮氣流量3升/分鐘，關閉氧氣流量計，同時調(diào)整

87、擴散爐溫控器，進行降溫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R□值用四探針法進行測量。</p><p>　　四探針法中探針等間距配置，有恒流源供給外側(cè)兩根探針一個小電流I，在內(nèi)部兩個探針之間可以測到電壓V，對于厚度遠小于直徑d的薄型半導體樣品來說，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，s為探針間距，當d/s>

88、20時，修正因子為4.54。</p><p>　　7.將預擴散硅片用2#液清洗，沖洗干凈甩干。</p><p>　　8.取出再擴散石英舟，將甩干的硅片裝入石英舟，并將石英舟推到恒溫區(qū)。</p><p>　　9.調(diào)節(jié)溫控器，使溫度達到再擴散溫度1250℃，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，根據(jù)工藝條件進行干氧11分鐘。</p><p>　　1

89、0.在開始干氧同時，將濕氧水壺加熱到95-98℃。干氧完成后，開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關閉干氧流量計。根據(jù)工藝條件進行濕氧36分鐘。</p><p>　　11.濕氧完成，開干氧流量計，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并根據(jù)工藝條件確定干氧時間為11分鐘。</p><p>　　12.干氧完成后，開氮氣流量計，流量3升/分鐘，根據(jù)工藝條件，確定氮氣時間328分鐘。</p>&l

90、t;p>　　13.氮氣完成后，主擴散結(jié)束，調(diào)整溫控器降溫，氮氣流量不變，時間30分鐘。</p><p>　　14.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(磨角法或者SEM法)，β值。</p><p>　　15.將擴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>　　16、根據(jù)實

91、測β值，與工藝要求進行比較，如果不滿足工藝條件，重新計算再擴散時間，并制定再擴散工藝條件，至到達到設計要求。磷擴散工藝實驗結(jié)束。</p><p>　　第二次光刻工藝（發(fā)射區(qū)光刻）</p><p>　　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>　　8.5 硼擴散工藝(發(fā)射區(qū)擴散)</p>&l

92、t;p><b>　　8.5.1 原理</b></p><p>　　擴散是微觀粒子的一種極為普遍的熱運動形式，各種分離器件和集成電路制造中的固態(tài)擴散工藝簡稱擴散，硼擴散工藝是將一定數(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性質(zhì)。</p><p>　　硼擴散是屬于替位式擴散，采用預擴散和再擴散兩個擴散完成。</p><p>　　預擴散

93、分布為余誤差分布；再擴散雜質(zhì)分布為高斯分布。</p><p>　　8.5.2 工藝步驟</p><p><b>　　1. 工藝準備</b></p><p>　　A) 開擴散爐，并將溫度設定到750--850℃，開氮氣流量3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

94、成）。</p><p>　　C) 開涂源凈化臺，并調(diào)整好涂源轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2. 硅片清洗：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，使溫度達到預擴散溫度950℃，并

95、開始計時，時間是1345秒（約22分鐘）。</p><p>　　5. 預擴散完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃，沖洗干凈后，檢測R□值,用四探針法進行測量。</p><p>　　四探針法中探針等間距配置，有恒流源供給外側(cè)兩根探針一個小電流I，在內(nèi)部兩個探針之間可以測到電壓V，對于厚度遠小于直徑d的薄型半導體樣品來說，電阻率可以由下式給出:</p><p>　

96、　式中CF為修正因子，它與壁紙d/s有關，s為探針間距，當d/s>20時，修正因子為4.54。</p><p>　　6.將預擴散硅片用2#液清洗，沖洗干凈甩干。</p><p>　　7.取出再擴散石英舟，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，使溫度達到再擴散溫度1200℃，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并開始計時，前面已算出再擴散時間6571秒（110分鐘），同時根據(jù)工

97、藝條件先進行干氧氧化。</p><p>　　8.調(diào)節(jié)氧氣調(diào)整氧氣流量為3升/分鐘，并開始計時，干氧時間是17分鐘。在開始干氧同時，將濕氧水壺加熱到95℃。</p><p>　　9.干氧完成后，開氮氣流量計，按工藝條件調(diào)節(jié)氮氣氧氣比例，然后，開通源閥，使通源流量達到工藝要求，并開始計時。</p><p>　　10.干氧完成后，開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關閉干氧

98、流量計。根據(jù)工藝條件進行濕氧，濕氧時間是22分鐘。</p><p>　　11.濕氧完成后，開干氧流量計，調(diào)整氧氣流量3升/分鐘，并根據(jù)工藝條件確定干氧時間，干氧時間是17分鐘。</p><p>　　12.干氧完成后，開氮氣流量計，流量3升/分鐘，根據(jù)工藝條件，確定氮氣時間54分鐘。</p><p>　　13.氮氣完成后，再擴散結(jié)束，調(diào)整溫控器降溫，氮氣流量不變，時間

99、30分鐘。</p><p>　　14.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(磨角法或者SEM法)，β值。</p><p>　　15.將擴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>　　16.根據(jù)實測β值，與工藝要求進行比較，如果不滿足工藝條件，重新計算再擴散時間，并制定再擴散工

100、藝條件，至到達到設計要求。硼擴散工藝結(jié)束。</p><p><b>　　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，我所設計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10.5×10.5=110μm2，如圖11；第三塊是接

101、觸孔掩膜版（面積是7×3=21μm2），如圖12。掩膜版有四個對準孔，從第一塊到第三塊對準孔是縮小的，這就要求在生產(chǎn)過程中有一個對準精度。三塊掩膜版疊加在一起的情形如圖13。</p><p><b>　　10、心得體會</b></p><p>　　首先感謝**老師這段時間對我們的辛勤教導和對這次課程設計的指導。從這一次的課程設計中，我學到了許多。之前，我們已

102、經(jīng)學完了固體物理、半導體物理、半導體器件物理和集成電路工藝原理，對集成電路的設計有一個大概的了解，但是這些知識還沒有真正在腦海里成為一個體系，就像一盤散沙，更不會如何去運用這些知識去設計作品。這一次課程設計一開始，我查閱大量的資料，并且復習鞏固了以前學的這些知識，參考大量論文，因此逐漸形成了一個思路，慢慢地一步一步完成我的課程設計，其中也遇到了大量問題。比如工藝參數(shù)之間如何推導和確定、改用哪些公式等等。這個時候，我跑了很多次圖書館查閱資

103、料和在網(wǎng)上搜索資料，逐步攻破種種難關。其中，我還發(fā)現(xiàn)不同的書籍對一些參數(shù)的提供不一致的情況，甚至相差甚遠。這個時候，我查閱更多的資料，并仔細比對和論證，最終確定一個合適的參數(shù)進行計算。此外，我發(fā)覺這次課程設計中大量的數(shù)據(jù)是從國內(nèi)外書籍提供的表查閱得出的，因此難免會有誤差，我建議以后能夠查閱到更多有依據(jù)和詳細的圖表，或者通過軟件計算更準確得出結(jié)論，那樣會更好。最后，我要感謝這段時間**同學的指導和幫助，沒有他們，我也完成不了這次課程設計。

104、相信這一</p><p>　　此外，關于這次課程設計一點小建議，建議指導老師題意提供更多準確的參數(shù)和圖表，方便同學們參考計算和查閱。還有在軟件方面給予更多的指導，達到更好的學習效果,比如MATLAB的相關操作方法，以及版圖設計相關的知識等等，并引導同學們?nèi)オ毩⑼瓿稍O計工作。甚至可以在現(xiàn)代晶體管制作流程等方面具體給同學們進行介紹或者感性認識，為此次課設奠下強大基礎。</p><p>　　最后

105、，再一次感謝老師和同學們！</p><p><b>　　11、參考文獻</b></p><p>　　1.半導體器件基礎（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.半導體制造基礎

106、，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，李薇薇等編，化學工業(yè)出版社，2007年1月 </p><p>　　5.實用集成電路工藝手冊，沈文正等編，宇航出版社，1989年10月 </p><p>　　6.晶體管原理與設計，北京大學電子儀器廠半導體專業(yè)編，科學出版社，1977 </p><