PNP双极型晶体管的设计

PNP双极型晶体管的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------ PNP双极型晶体管的设计 目 录 1.课程设计目的与任 务…………………………………………………………2 2.设计的内 容……………………………………………………………………2 3.设计的要求与数 据……………………………………………………………2 4.物理参数设 计…………………………………………………………………3 4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计 算………………………………………3 4.2 集电区厚度Wc的选 择……………………………………………………6 4.3 基区宽度 WB………………………………………………………………6 4.4 扩散结 深…………………………………………………………………10 4.5 芯片厚度和质 量…………………………………………………………10 4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 择…………………………………10 5.工艺参数设 计…………………………………………………………………11 5.1 工艺部分杂质参 数………………………………………………………11 5.2 基区相关参数的计算过 程………………………………………………11 5.3 发射区相关参数的计算过 程……………………………………………13 5.4 氧化时间的计 算…………………………………………………………14 6.设计参数总 结…………………………………………………………………16 7.工艺流程 图……………………………………………………………………17 8.生产工艺流 程…………………………………………………………………19 9.版 图……………………………………………………………………………28 10.心得体 会……………………………………………………………………29 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 11.参考文 献……………………………………………………………………30 1 PNP 1、课程设计目的与任务 双极型晶体管的设计 《微电子器件与工艺课程设计》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工 艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用 的课程，使我们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知 识的必不可少的重要环节。 目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设 计方法。要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完成晶体管的纵向结 构参数设计?晶体管的图形结构设计?材料参数的选取和设计?制定实施工艺 ?晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练，为从事微电子器件设计、集 成电路设计打下必要的基础。 2、设计的内容 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T=300K时，β=120， VCEO=15V,VCBO=80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为IC=5mA。设计 时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。 3、设计的要求与数据 (1)了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。 (2)根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度NE, NB, 和NC,根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命 等。 (3)根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，包括集电区厚度Wc， 基本宽度Wb，发射区宽度We和扩散结深Xjc,发射结结深Xje等。 (4)根据扩散结深Xjc,发射结结深Xje等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩 散温度和扩散时间;由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化 时间。 (5)根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、 发射区和金属接触孔的光刻版图。 2 (6)根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。 4、物理参数设计 4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算 击穿电压主要由集电区电阻率决定。因此，集电区电阻率的最小—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 值由击穿电压决定，在满足击穿电压要求的前提下，尽量降低电阻率，并适当调整其他参量，以满足其他电学参数的要求。 对于击穿电压较高的器件，在接近雪崩击穿时，集电结空间电荷区已扩展至均匀掺杂的外延层。因此，当集电结上的偏置电压接近击穿电压V时，集电结可用突变结近似，对于Si器件击穿电压为VB?6?10(NBC)4 ， 由此可得集电区13?3 杂质浓度为: NC?(6?10134BVCBO)?(36?10n134??BVCEO)3 由设计的要求可知C-B结的击穿电压为: 根据公式,可算出集电区杂质浓度: NC?(6?10134BVCBO?80V BVCBO)?(36?1080134)3?6.814?10cm15?3 一般的晶体管各区的浓度要满足NE>>NB>NC，根据以往 的经验可取: NB?10NC,NE?100NB 即各区的杂质溶度为: NC?6.814?1015cm，NB?6.814?10?316cm，NE?6.814?10?318cm?3 3 图1 室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系(器件物理 P55) 根据图1，得到少子迁移率: ?C??n?1300cm/V?s22???P?330cm/V?sB ?E??N?150cm/V?s 2 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 根据公式可得少子的扩散系数: DC? DB? DE?kTqkTqkTq?C?0.026?1300?33.8cm/s?B?0.026?330?8.58cm/s?E?0.02 6?150?3.90cm/s222 4 图2 掺杂浓度与电阻率的函数关系(器件物理P59) 根据图2，可得到不同杂质浓度对应的电阻率: ?C?1.17??cm ?B?0.1??cm ?E?0.014??cm 5 图3 少子寿命与掺杂浓度的函数关系(半导体物理P177) 根据图3，可得到各区的少子寿命?C、?B和?E ?C?3.5?10 ?6 s ?B?9?10 ?7 s ?E?1.1?10 ?6 s —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 根据公式得出少子的扩散长度: LC?LB? DC?C?DB?B?DE?E? 33.8?3.5?108.58?9.0?103.90?1.1?10 ?6 ?1.09?10?2.78?10?2.07?10 ?2 cmcmcm ?7?3 LE? ?6?3 4.2 集电区厚度Wc的选择 根据公式求出集电区厚度的最小值为: WC?XmB?[ 2?0?SBVCBO qNC 1 ]?[ 2 2?8.85?101.6?10 ?19 ?14 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?11.8?80 15 1 ?6.814?10 ]2?39.1?10 ?5 cm?3.91um WC的最大值受串联电阻rcs的限制。增大集电区厚度会使串联电阻rcs增加，饱和压降VCES增大，因此WC的最大值受串联电阻限制。 综合考虑这两方面的因素，故选择WC=8μm 4.3 基区宽度WB (1)基区宽度的最大值 6 对于低频管，与基区宽度有关的主要电学参数是?，因此低频器件的基区宽度最大值由?确定。当发射效率γ?1时，电流放大系数 ?Lnb? 2 1 1 ? ?[ WB 2 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?L 2nb ]，因此基区 宽度的最大值可按下式估计:WB?[ ]2 为了使器件进入大电流状态时，电流放大系数仍能满足要求，因而设计过程中取λ=4。根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为: WB，mas?[ ?Lnb? 21 ]2? 4?2.78?10 120 ? ?32 ? ?5.08?10 ?4 cm?5.08um 由公式可看出，电流放大系数β要求愈高，则基区宽度愈窄。为提高二次击穿耐量，在满足β要求的前提下，可以将基区宽度选的宽一些，使电流在传输过程中逐渐分散开,以提高二次击穿耐性。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (2)基区宽度的最小值 为了保证器件正常工作，在正常工作电压下基区绝对不能穿通。因此，对于高耐压器件，基区宽度的最小值由基区穿通电压决定,此处BVCBO?80V，对于均匀基区晶体管，当集电结电压接近雪崩击穿时， 基区一侧的耗尽层宽度为: XB,min?[?[2?0?SqN B 2?0?SqN D NA 1 ?ND?NA? BVCBO]2 1 NC ?NB ?19 ?NC? BVCBO]2 ?14 16 ?[ —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2?11.8?8.85?101.6?10 ?4 ?6.814?10 ? 6.814?10 6.814?10 16 15 15 1 ?6.814?10 ?80]2 ?0.373?10cm?0.373um 在高频器件中，基区宽度的最小值往往还受工艺的限制。 则由上述计算可知基区的范围为:0.373?m?WB?5.08?m (3)基区宽度的具体设计 与PN结二极管的分析类似，在平衡和标准工作条件下，BJT可以看成是由两个独立的PN结构成，它在平衡时的结构图如下所示: 7 图4 平衡条件下的PNP三极管的示意图 具体来说，由于NE??NB，所以E-B耗尽区宽度(WEB)可近视看作全部位于基区内，又由NB?NC，得到大多数C-B耗尽区宽度(WCB)—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 位于集电区内。因为C-B结轻掺杂一侧的掺杂浓度比E-B结轻掺杂一侧的浓度低，所以WCB, WEB。另外注意到WB是基区宽度，W是基区中准中性基区宽度;也就是说，对 于PNP晶体管，有:WB?W?xnEB?xnCB 其中xnEB和xnCB分别是位于N型区内的E-B和C-B耗尽区宽度，在BJT分析中W指的就是准中性基区宽度。 E-B结的内建电势为: VbiEB? kTqlnNENB ni 2 ?0.026?ln 6.814?10 18 ?6.814?10 10 16 (10) 2 ?0.938V C-B结的内建电势为: VbiCB? —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ kTqlnNCNB ni 2 ?0.026?ln 6.814?10 15 ?6.814?10 10 16 (10) 2 ?0.758V 根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度xnEB为: ?NE??NB ，可以当成单边突变结处理 1 1 XnEB ?2KS?0?2?2Ks?o?2NE??VbiEB???VbiEB? NB?NE?NB??q??qNB? 1 ?14 ?2?11.8?8.85?10?0.938?2?5 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ????1.34?10cm?0.134um ?1916 1.6?10?6.814?10? ? 8 C-B结在基区一边的耗尽层厚度xnCB为: 1 XnCB?2KS?0NC??(VbiEB-VCBNB?NC?NB??q?2)?? 穿通时有W?0，则WB?XnEB?XnCB?0 ?VCB?VbiCB??W qB,max-XnEBNC?22KS?0?0.758?14447??14446.242V NB?NC?NB? 则CB??VCBO 所以有XnCB1?2KS?0?2NC??VbiEB???qNN?NBCB?? 1 ?14?2?11.8?8.85?10???191.6?10 ? ?0.363?10?5?6.814?106.814?10161515?6.814?10?6.814?1016?2?0 .758?? cm?0.0363um 对于准中性基区宽度W，取基区宽度WB?3.5um，则 W?WB?XnEB?XnCB?3.5-0.134-0.0363?3.33um 验证其取值的准确性，根据公式有: ?dc?1DENBW DBNELE ? 3.9 8.58?6.814?10 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 6.814?101618? 1?W?2??LB????2 1?3.33?102.07?10?4?3?3.33?10?4????32??2.78?101????2 ?126 解得的β接近于设计的要求，符合设计指标，所以基区宽度为WB?3.5?m， 满足条件0.373?m?WB?5.08?m。 9 4.4 扩散结深 在晶体管的电学参数中，击穿电压与结深关系最为密切，它随结深变浅，曲率半径减小而降低，因而为了提高击穿电压，要求扩散结深一些。但另一方面，结深却又受条宽限制，由于基区积累电荷增加，基区渡越时间增长，有效特征频率就下降，因此，通常选取: 反射结结深为X 集电结结深为Xje?WB?3.5um ?2?WB?7um jc 4.5 芯片厚度和质量 本设计选用的是电阻率为7??cm的P型硅，晶向是<111>。硅片厚度主要由集电结深、集电区厚度、衬底反扩散层厚度决定。同时扩散结深并不完全一致，在测量硅片厚度时也存在一定误差。因此在选取硅片厚度时必须留有一定的的余量。衬底厚度要选择适当，若太薄，则易碎，且不易加工;若太厚，则芯片热阻过大。因此，在工艺操作过程中，一般硅片的厚度都在300um以上，但最后要减薄到150,200um。硅片的质量指标主要是要求厚度均匀，电阻率符合要求，以及材料结构完整、缺陷少等。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择 (1)横向设计 进行晶体管横向设计的任务，是根据晶体管主要电学参数指标的要求，选取合适的几何图形，确定图形尺寸，绘制光刻版图。晶体管的图形结构种类繁多:从电极配置上区分，有延伸电极和非延伸电极之分;从图形形状看，有圆形、梳状、网格、覆盖、菱形等不同的几何图形。众多的图形结构各有其特色。 此次设计的晶体管只是普通的晶体管，对图形结构没有特别的要求，所以只是采用普通的单条形结构。三极管剖面图如图5，三极管俯视图如图6。 10 图5:三极管剖面图 图6:三极管俯视图 (2)基区和发射区面积 发射区面积取AE?10?10?100?m2 基区面积取AB?30?20?600?m2。 5、工艺参数设计 5.1 工艺部分杂质参数 1 硅中磷和硼的D0与Ea(微电子工艺基础119页表5-1) 5.2 基区相关参数的计算过程 5.2.1 预扩散时间 PNP基区的磷预扩散的温度取1080?，即1353K。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 单位面积杂质浓度: Q(t)?(NB?NC)?Xjc?(6.814?1016?6.814?10)?7?1015?4?5.25?10cm12?2 由上述表1可知磷在硅中有:DO?3.85cm2/s Ea?3.66eV 所以，D?D0exp(?EakT)?3.85?exp(?3.66 8.614?10?5?1353)?8.97?10?14cm/s 2 为了方便计算，取CS?5?1018cm?3 由公式 Q(t)? Q(t)? 4CD2 S22?CSDt ，得出基区的预扩散时间: t???5.25?10??3.144??5?10??8.97?10132182?14?964.84s?16.08min 5.2.2 氧化层厚度 氧化层厚度的最小值由预扩散(1353K)的时间t=964.84s来决定 的，且服从余误差分布，并根据假设可求xmin?4.6DSiOt ，由一些相 关资料可查出磷(P)2 在温度1080?时在SiO2中的扩散系数:DSO?2.2?10?14cm2/s i2 所以，xmin?4.6DSiO2t?4.6?2.2?10?14?964.84?2.129?10 0?5cm?2129A 0考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为 6000A。 5.2.3 基区再扩散的时间 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ PNP基区的磷再扩散的温度这里取1200?。 由一些相关资料可查出磷的扩散系数:D?6?1012cm2/s 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，XjC?X.再扩?7?m 由 再扩散结深公式:X再扩?2Dtln QCSCB， 而且CS?Dt ，CB?NC?6.814?1015cm?3 12 故可整理为: X2再扩?Q?4Dt?ln?tlnt?2t?ln??C?DCB?Dt?BQ ?4?7?10???0 ?2?6?10?12??X2再扩???0 ?2D?12?5.25?10即 tlnt?2t?ln??15?12?6.814?10?3.14?6?10??2 经过化简得: t?lnt?13.5t?39167?0 解得基区再扩散的时间: t=9050s=2.5h 5.3 发射区相关参数的计算过程 5.3.1 预扩散时间 PNP发射区的硼预扩散的温度这里取950?，即1223K。 单位面积杂质浓度: Q(t)?(NB?NE)?Xje?(6.814?1016?6.814?10)?3.5?1018?4?2.4?10cm15?2 由上述表1可知硼在硅中有:DO?0.76cm2/s Ea?3.46eV 所以，D?D0exp(?EakT)?0.76?exp(?3.46 8.614?10?5?1223)?4.2?10?15cm/s 2 为了方便计算，取CS?8?1020cm?3 由公式 Q(t)? —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 22CSDt ，得出发射区的预扩散时间: t?Q(t)? 4CD2 S??2.4?10??3.144??8?10??4.2?10152220?15?1683s?28min 5.3.2 氧化层厚度 氧化层厚度的最小值由预扩散(1353K)的时间t=1683s来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求xmin?4.6DSiOt ，由一些相关资料可查出硼(B)2 在温度950?时在SiO2中的扩散系数:DSO?6?10?15cm2/s i2 所以，xmin?4.6DSiO2t?4.6?6?10?15?1683?1.462?10 0?5cm?1462A 0考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为7000A。 13 5.3.3 发射区再扩散的时间 PNP基区的磷再扩散的温度这里取1170?，即1443K，则 D?D0exp(? EakT )?0.76?exp(? 3.46 8.614?10 ?5 ?1443 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ )?6.3?10 ?13 cm/s 2 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，X由再扩散结深公式: X再扩?2Dtln Q CSCB je ?X.再扩?3.5?m ， 而且CS? Dt ，CB?NB?6.814?1016cm?3 ?Q ?4Dt?ln?tlnt?2t?ln? ?C?DCB?Dt?B Q ?X2再扩 ???0 ?2D? 故可整理为: X 2 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 再扩 15 ?2.4?10 即tlnt?2t?ln??16?13 ?6.814?10?3.14?6.3?10?4 ?3.5?10???0 ?2?6.3?10?13? ?? 2 经过化简得: t?lnt?20.26t?97222?0 解得基区再扩散的时间: t=8700s=2.4h 5.4 氧化时间的计算 5.4.1 基区氧化时间 由前面得出基区氧化层厚度是6000A，可以采用干氧,湿氧,干氧的工艺, 将6000A的氧化层的分配成如下的比例进行氧化工艺: 干氧:湿氧:干氧=1:4:1 即先干氧1000A(0.1um)，再湿氧4000A(0.4um)，再干氧1000A(0.1um) 取干氧和湿氧的氧化温度为1200?，由图7可得出: 干氧氧化1000A的氧化层厚度需要的时间为:t1?0.34h?20.4min 湿氧氧化4000A的氧化层厚度需要的时间为:t2?0.27h?16.2min 所以，基区总的氧化时间为:t?2t1?t2?2?20.4?16.2?57min 14 图7 氧化时间与氧化厚度的关系图 5.4.2 发射区氧化时间 由前面得出发射区氧化层厚度是7000A，可以采用干氧,湿氧,—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 干氧的工艺,将7000A的氧化层的分配成如下的比例进行氧化工艺: 干氧:湿氧:干氧=1:5:1 00000 即先干氧1000A(0.1um)，再湿氧5000A(0.5um)，再干氧1000A(0.1um) 取干氧和湿氧的氧化温度为1200?，由图7可得出: 干氧氧化1000A的氧化层厚度需要的时间为:t1?0.34h?20.4min 15 湿氧氧化5000A的氧化层厚度需要的时间为:t2?0.4h?24min 所以，发射区总的氧化时间为:t?2t1?t2?2?20.4?24?64.8min 6、设计参数总结 采用外延硅片，其衬底的电阻率为7??cm的P型硅，选取<111>晶向。 表2 设计参数总表 7、工艺流程图 16 PNP晶体管生产总的工艺流程图如下 : 17 18 8、生产工艺流程 8.1 硅片清洗 1.清洗原理: a. 表面活性剂的增溶作用:表面活性剂浓度大于临界胶束浓度—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 时会在水溶液中 形成胶束，能使不溶或微溶于水的有机物的溶解度显著增大。 b.表面活性剂的润湿作用:固,气界面消失，形成固,液界面 c.起渗透作用;利用表面活性剂的润湿性降低溶液的表面张力后，再由渗透剂的 渗透作用将颗粒托起，包裹起来。具有极强渗透力的活性剂分子可深入硅片表 面与吸附物之间，起劈开的作用，活性剂分子将颗粒托起并吸附于硅片表面上， 降低表面能。颗粒周围也吸附一层活性剂分子，防止颗粒再沉积。 通过对污染物进行化学腐蚀、物理渗透和机械作用，达到清洗硅片的目的。 硅片清洗液是指能够除去硅片表面沾污物的化学试剂或几种化学试剂配制的 混合液。常用硅片清洗液有: 19 8.2 氧化工艺 8.2.1 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。 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: 20 (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。 8.2.2 氧化工艺步骤 (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。 8.2.3 测量氧化层厚度 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 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。 21 8.3 光刻工艺 8.3.1 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3um，而由500万元件组成的集成电路，其图形最小条宽为1.5--2um，百万以上元件组成的集成电路，其图形最小条宽?1um，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，代表集成电路发展的水平。 (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。 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量少，否则，就无法制造集成电路。 22 精密的套刻对准:集成电路的图形结构需要多此光刻完成，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去掉。由此完成图形复制。本次采用正光刻胶。 8.3.2 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 将套准后的硅片顶紧，检查套准误差、检查曝光时间，确认无误后，进行曝光。 6. 显影 23 此采用浸泡显影，分别在1#显影液，2#显影液显3-5分钟，然后在定影液定影3-5分钟，之后在甩干机中甩干，在显微镜下检查是否合格，否则，返工。 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#液中将光刻胶去掉，并冲洗干净，工艺结束。 8.4 磷扩散工艺(基区扩散) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 8.4.1 工艺原理 (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，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步扩散法， (2)预扩散磷杂质浓度分布方程为: N(x,t)?NSerfc(x2D1t) 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) 磷再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度分布方程为: Qexp?( N(x,t)?x24D2t) D2t 其中Q为扩散入硅片杂质总量: Q??? 0N(x,t)dt 24 D2为主扩散(再分布)温度的扩散系数。杂质分布为高斯分别。 8.4.2 工艺步骤 1.准备:开扩散炉，并将温度设定倒700--750?，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800?，调节氧气调整氧气流量为3升/ 分钟，并开始计时，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，漂去磷硅玻璃，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#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1250?，调整氧气流量3升/分钟，并开 始计时，根据工艺条件进行干氧11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36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11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)，β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、β值。 25 16、根据实测β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。磷扩散工艺实验结束。 8.5 硼扩散工艺(发射区扩散) 8.5.1 原理 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个扩散完成。 (1)预扩散硼杂质浓度分布方程为: N(x,t)?NSerfc(x2D1t) 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) 硼再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度分布方程为: Qexp?( N(x,t)?x24D2t) D2t 其中Q为扩散入硅片杂质总量:Q??? 0N(x,t)dt D2为主扩散(再分布)温度的扩散系数。杂质分布为高斯分布。 8.5.2 工艺步骤 1. 工艺准备 A) 开扩散炉，并将温度设定到750--850?，开氮气流量3升/分钟。 B) 清洗源瓶，并倒好硼源(固态源，由氧化硼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。 26 3. 将清洗干净、甩干的硅片涂上硼源。 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950?，并开始计时，时间是1345秒(约22分钟)。 5. 预扩散完成后，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。 6.将预扩散硅片用2#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6571秒(110分钟)，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17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17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，再扩散结束，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)，β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、β值。 16.根据实测β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。硼扩散工艺结束。 9、版图 27 28 10、心得体会 通过这次的课程设计，使我了解到工艺参数对器件的设计起到关键性的作用，同时也决定了器件功能的好坏。一开始的时候根本就不知道怎么做这个课程设计，不知道从何入手，只能乖乖地看一下本来帮助自己来完成这个设计。一看就看了3天还没有开始做设计，到了第4天，在同学和老师的指导下，初步了解到应该怎么开始做这个课程设计和计算时所注意的地方。 在计算过程中，遇到问是在所—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 难免的，而且会从问题中学到知识。一开始的工艺参数的设定是至 29 关重要，因为如果前面的参数如果不准确就会影响后面的计算，所以务必要对前面的参数认真地对待。可是面对要查阅课本里面的关系图的参数(例如少子迁移率、寿命等)是个头疼的问题，因为看图都是粗略地估算，估算得不正确就要从头计算一遍。而且在计算到再扩散的时候，得出来的方程式真让人抓狂，因为我不会用matlab软件或其他的计算工具，只好慢慢地代数进去取最接近的值。计算到最后，终于把所有的计算完成了，检查了一遍，自己计得的结果都符合工艺的要求。通过这样的大量计算，让我了解到各个参数与工艺在设计生产中的大概要求，同时了解到整个工艺的流程。 最后很谢谢魏老师、何老师和同学们的耐心指导，在这次设计中也锻炼了思考问题和解决问题的能力，受益匪浅。 11、参考文献 1.半导体器件基础(器件物理)，R.F.Pierret电子工业出版社，2010年7月 2.集成电路制造技术--原理与工艺，王蔚等编，电子工业出版社，2010年9月 3.半导体制造基础，Gary S.May 施敏著，人民邮电出版社，2007年11月 4.微电子工艺基础，李薇薇等编，化学工业出版社，2007年1月 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 5.实用集成电路工艺手册，沈文正等编，宇航出版社，1989年 10月 6.晶体管原理与设计，北京大学电子仪器厂半导体专业编，科学 出版社，1977 年11月 30 ——————————————————————————————————————