器件物理課程設計

npn雙極型晶體管的設計 N-SiSiO2SiO2紫外線6.1.4基區(qū)硼預擴散雜質(zhì)濃度為預擴散溫度：950℃預擴散時間：108.9sN-SiN-SiSiO2SiO2硼摻雜6.1.5去膜氧化將預擴散中摻入雜質(zhì)的氧化層通過清洗工藝去除（氧化層用HF去除，光刻膠殘膜用1號液去除）N-SiN-Si6.1.6再擴散溫度：1200℃再擴散時間：11209s基區(qū)結(jié)深：再氧化一層氧化膜作為掩蔽膜，厚度6000干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時間為：濕氧氧化5000的氧化層厚度需要的時間為：干氧氧化1000的氧化層厚度需要的時間為： N-SiSiO2 P6.1.7光刻發(fā)射區(qū)在掩膜版上光刻一個發(fā)射區(qū)窗口，面積為：N-SiN-SiSiO2SiO2紫外線P6.1.8磷預擴散雜質(zhì)濃度：預擴散溫度：1150℃預擴散時間：117.3sN-SiN-SiSiO2SiO2磷摻雜P6.1.9去氧化層將預擴散中摻入雜質(zhì)的氧化層通過清洗工藝去除（氧化層用HF去除，光刻膠殘膜用1號液去除）N-SiN-SiP6.1.10磷再擴散再擴散溫度：1200℃再擴散時間:96725s發(fā)射區(qū)結(jié)深:N-SiN-Si PN6.1.11沉積保護層：保護晶體管各區(qū)雜質(zhì)濃度不變N-SiN-Si PN+6.1.12光刻接觸孔N-SiN-Si PN+6.1.13金屬化N-SiN-Si PN+6.1.14光刻金屬孔N-SiN-Si PN+6.1.15參數(shù)檢測：用晶體管測試儀測試相關(guān)參數(shù)，驗證參數(shù)的正確性6.2清洗工藝6.2.1定義6.2.2清洗原理：清洗主要利用各種化學試劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質(zhì)及油污發(fā)生化學反應和溶解作用，或伴以超聲，加熱，抽真空等物理措施，使雜質(zhì)從被清洗物體的表面脫附，然后用大量的高純熱，冷去離子水沖洗，從而獲得潔凈的物體表面。6.2.3清洗流程：化學清洗主要包括三個方面的清洗。一是硅片表面的清洗；二是生產(chǎn)過程中使用的金屬材料的清洗；三是生產(chǎn)用的工具，器皿的清洗。6.2.4硅片清洗的一般程序：吸附在硅片表面的雜質(zhì)大體上可分為分子型，離子型和原子型三種。分子型雜質(zhì)粒子與硅片表面之間的吸附較弱，清除這些雜質(zhì)粒子比較容易。它們多屬油脂類雜質(zhì)，具有疏水性的特點，這種雜質(zhì)的存在，對于清除離子型和原子型雜質(zhì)具有掩蔽作用，因此在對硅片清洗時首先要把它們清除。離子型和原子型吸附的雜質(zhì)屬于化學吸附雜質(zhì)，其吸附力都較強，因此在化學清洗時，一般都采用酸，堿溶液或堿性雙氧水先清除離子型吸附雜質(zhì)，然后用王水或酸性雙氧水再來清除殘存的離子型雜質(zhì)用原子型雜質(zhì)，最后用高純?nèi)ルx子水將硅片沖洗干凈，再加溫烘干就可得到潔凈表面的硅片。簡而言之，工藝程序為：去分子去離子去原子去離子水沖洗、烘干。6.2.5常用硅片清洗液名稱配方使用條件作用Ⅰ號洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5→1:2:780±5℃10min去油脂去光刻膠殘膜去金屬離子去金屬原子Ⅱ號洗液HCl:H2O2:H2O=1:1:6→1:2:880±5℃10min去金屬離子去金屬原子Ⅲ號洗液H2SO4:H2O2=3:1120±10℃10~15min去油、去臘去金屬離子去金屬原子6.3氧化工藝6.3.1氧化原理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。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。6.3.2熱氧化工藝簡介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。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。實驗表明，水汽氧化法：生長速率最快，但生成的SiO2層結(jié)構(gòu)疏松，表面有斑點和缺陷，含水量多，對雜質(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。（1）干氧法:生長速率最慢，但生成的SiO2膜結(jié)構(gòu)致密，干燥，均勻性和重復性好，掩蔽能力強，鈍化效果好，SiO2膜表面與光刻膠接觸良好，光刻時不易浮膠。（2）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，較突出的弱點是SiO2表面與光刻膠接觸不良，光刻時容易產(chǎn)生浮膠。生產(chǎn)中采用取長補短的方法，充分利用濕氧和干氧的優(yōu)點，采用干氧—濕氧—干氧交替的方法。根據(jù)迪爾和格羅夫模型，熱氧化過程須經(jīng)歷如下過程：（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)。（2）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。（3）氧化劑在Si表面與Si反應生成SiO2，流密度用F3表示。（4）反應的副產(chǎn)物離開界面。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。6.3.（1）開氧化爐，并將溫度設定倒750--850℃，開氧氣流量2升/分鐘；（2）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；（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(guān)閉干氧流量計，確定濕氧時間；（4）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，確定干氧時間；（5）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；（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；（7）關(guān)氧化爐，關(guān)氣體。6.3.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，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呈現(xiàn)出不同顏色的干涉條紋，從而大致判斷氧化層的厚度。顏色氧化膜厚度（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藍800紫1000275046506500深藍1500300049006800綠1850330056007200黃2100370056007500橙225040006000紅2500435062506.4光刻工藝6.4.1光刻原理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。集成電路對光刻的基本要求有如下幾個方面：1、高分辨率：一個由10萬元件組成的集成電路，其圖形最小條寬約為3μm，而由500萬元件組成的集成電路，其圖形最小條寬≤1μm，因此，集成度提高則要求條寬越細，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志，代表集成電路發(fā)展水平。2、高靈敏度：靈敏度是指光刻機的感光速度，集成電路要求產(chǎn)量要大，因此，曝光時間應短，這就要求光刻膠的靈敏度要高。3、低缺陷：如果一個集成電路芯片上出現(xiàn)一個缺陷，則整個芯片將失效，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是少，否則，就無法制造集成電路。4、精密的套刻對準：集成電路的圖形結(jié)構(gòu)需要多次光刻完成，每次曝光都需要相互套準，因此集成電路對光刻套準要求非常高，其誤差允許為最小條寬的10%左右。集成電路所用的光刻膠有正膠和負膠兩種：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，使光刻膠溶解度大增加而被顯掉，未曝光部分由于溶解度小而留下，負性光刻膠和正性光刻膠相反，負性光刻膠在曝光前能溶于顯影液，曝光后，由于光化反應交鏈成難溶大分子而留下，未曝光部分溶于顯影液而顯掉。由此完成圖形復制?？稍谝r底表面得到與光刻掩膜版遮光圖案相反的保護膠層。本課程設計采用正光刻膠，正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。6.4.2工藝步驟1.準備：A)開前烘，堅膜烘箱，前烘溫度設定95℃，堅膜溫度為120℃。B)涂膠前15分鐘開啟圖膠凈化臺，調(diào)整轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)要求。C)光刻前30分鐘，開啟光刻機汞燈。D)開啟腐蝕恒溫槽，溫度設定40℃E)清洗膠瓶和吸管，并倒好光刻膠。F)清洗掩膜版（基區(qū)光刻掩膜版），并在凈化臺下吹干2.涂膠：光刻工藝采用旋轉(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。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，4.對準將掩膜版上在光刻機上，并進行圖形套準。5.曝光6.顯影此采用浸泡顯影，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。8.腐蝕將堅膜好的硅片準備腐蝕，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。9.去膠硅片腐蝕完成后，在3號液中將光刻膠去掉，并沖洗干凈，工藝結(jié)束。6.5硼擴散工藝(基區(qū)擴散)6.5.1（1）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)。硼擴散是屬于替位式擴散，采用預擴散和再擴散兩步擴散法，（2）預擴散磷雜質(zhì)濃度分布方程為：表示恒定表面濃度（雜質(zhì)在預擴散溫度的固溶度），D1為預擴散溫度的擴散系數(shù)，x表示由表面算起的垂直距離（cm）,他為擴散時間。此分布為余誤差分布。（3）再擴散（主擴散）硼再擴散為有限表面源擴散，雜質(zhì)濃度分布方程為：其中Q為擴散入硅片雜質(zhì)總量：D2為主擴散（再分布）溫度的擴散系數(shù)。雜質(zhì)分布為高斯分別。6.5.21.準備：開擴散爐，并將溫度設定倒850--900℃，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)。2.硅片清洗：清洗硅片（見清洗工藝）將清洗好的硅片甩干。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)。4.調(diào)節(jié)溫控器，使溫度達到預擴散溫度950℃，調(diào)節(jié)氧氣調(diào)整氧氣流量為3升/分鐘，并開始計時，時間是108.9s，根據(jù)工藝條件進行干氧。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。6.通源完成后，關(guān)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(guān)閉氧氣流量計，同時調(diào)整擴散爐溫控器，進行降溫30分鐘。之后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃，沖洗干凈后，檢測R□值用四探針法進行測量。7.將預擴散硅片用2號液清洗，沖洗干凈甩干。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)。9.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，時間是11209ss，根據(jù)工藝條件進行干氧20.4分鐘。10.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(guān)閉干氧流量計。根據(jù)工藝條件進行濕氧16.8分鐘。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20.4分鐘。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。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。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)，a值。15.將擴散后的硅片交光刻工藝，光刻完成后，檢測擊穿電壓、a值。16、根據(jù)實測a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。硼擴散工藝實驗結(jié)束。6.6磷擴散工藝(發(fā)射區(qū)擴散）6.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)。磷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。（1）預擴散磷雜質(zhì)濃度分布方程為：表示恒定表面濃度（雜質(zhì)在預擴散溫度的固溶度），D1為預擴散溫度的擴散系數(shù)，x表示由表面算起的垂直距離（cm）,他為擴散時間。此分布為余誤差分布。（2）再擴散（主擴散）磷再擴散為有限表面源擴散，雜質(zhì)濃度分布方程為：其中Q為擴散入硅片雜質(zhì)總量：D2為主擴散（再分布）溫度的擴散系數(shù)。雜質(zhì)分布為高斯分布。6.1.工藝準備A)開擴散爐，并將溫度設定到650--750℃，開氮氣流量3升/分鐘。B)清洗源瓶，并倒好磷源（固態(tài)源，由氧化磷與其他穩(wěn)定的氧化物壓制而成）。C)開涂源凈化臺，并調(diào)整好涂源轉(zhuǎn)速。2.硅片清洗：清洗硅片（見清洗工藝），將清洗好的硅片甩干。3.將清洗干凈、甩干的硅片涂上磷源。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1150℃，并開始計時，時間是s。5.預擴散完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去磷硅玻璃，沖洗干凈后，檢測R□值,用四探針法進行測量。6.將預擴散硅片用2號液清洗，沖洗干凈甩干。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96725s，同時根據(jù)工藝條件先進行干氧氧化。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20.4分鐘。在開始干氧同時，將濕氧水壺加熱到95℃。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。10.干氧完成后，開濕氧流量計，立即進入濕氧化。同時關(guān)閉干氧流量計。根據(jù)工藝條件進行濕氧，濕氧時間是22.8分鐘。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20.4分鐘。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。13.氮氣完成后