半导体器件与工艺课程设计.docx

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1、课 程 设 计 课程名称 微电子器件工艺课程设计 题目名称 PNP双极型晶体管的设计 学生学院_ 材料与能源学院_ _ 专业班级 08微电子学1班 学 号 3108008033 学生姓名_ 张又文 _ _ 指导教师 魏爱香、何玉定 _ 2011 年 7 月 6 日 广东工业大学课程设计任务书题目名称pnp双极型晶体管的设计学生学院材料与能源学院专业班级微电子学专业08级1班姓 名张又文学 号3108008033一、课程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，=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

2、量减小基区宽度调制效应的影响。二、课程设计的要求与数据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

3、接触孔的光刻版图。 6. 根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。7撰写设计报告三、课程设计应完成的工作1. 材料参数设计2.晶体管纵向结构设计3.晶体管的横向结构设计（设计光刻基区、发射区和金属化的掩膜版图形）4工艺参数设计和工艺操作步骤5.总结工艺流程和工艺参数6. 写设计报告四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1教师布置设计任务，讲解设计要求和方法教1-3102011.6.272学生熟悉设计任务，进行资料查阅和整体设计方案的制定图书馆工三3112011.6.283设计晶体管的各区材料参数和结构参数设计图书馆工三3112011 .6.294.教师集中辅导，分析材料参数和结构

4、设计中存在的主要问题教1-3022011.6.305晶体管工艺参数设计，实验室教1-3022100.7.1-2011.7.26绘制光刻基区、发射区和金属化的版图实验室教1-3022011.7.32011.7.48教师集中辅导，分析工艺设计中存在的主要问题实验室教1- 3012011.7.59总结设计结果，写设计报告实验室教1-3012011.7.610写课程设计报告图书馆，宿室2011.7.711教师组织验收，提问答辩实验室2011.7.8五、应收集的资料及主要参考文献1半导体器件基础Robert F. Pierret著，黄如译，电子工业出版社，2004. 2半导体物理与器件 赵毅强等译，电子

5、工业出版社，2005年. 3硅集成电路工艺基础，关旭东编著，北京大学出版社，2005年.发出任务书日期： 2011 年 6 月 27 日 指导教师签名：计划完成日期： 2011年 7月8日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章： 目录广东工业大学课程设计任务书2一、设计任务及目标5二、 晶体管的主要设计步骤和原则52.1.晶体管设计一般步骤52.2晶体管设计的基本原则6三、晶体管物理参数设计73.1. 各区掺杂浓度及相关参数的计算73.2.集电区厚度Wc的选择103.3. 基区宽度WB103.4.扩散结深133.5.杂质表面浓度143.6.芯片厚度和质量143.7. 晶体管的横向设计、结构参数

6、的选择14四、工艺参数设计164.1. 工艺参数计算思路164.2. 基区相关参数的计算过程164.3.发射区相关参数的计算过程184.4. 氧化时间的计算20五、设计参数总结21六、 工艺流程图22七、 生产工艺说明247.1 硅片清洗247.2 氧化工艺267.3. 光刻工艺277.4 磷扩散工艺（基区扩散）297.5 硼扩散工艺(发射区扩散)31八.心得体会32九.参考文献33 PNP双极型晶体管的设计一、设计任务及目标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

7、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方案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， 设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T=300K时，=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。2、 晶体管的主要设计步骤和原则2.1.晶体管设计一般步骤第一，

8、根据预期指标要求选定主要电学参数，确定主要电学参数的设计指标。第二，根据设计指标的要求，了解同类产品的现有水平和工艺条件，结合设计指标和生产经验进行初步设计，设计内容包括以下几个方面：（1）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，如集电极厚度Wc，基极宽度Wb和扩散结深Xj等。（2）根据结深确定氧化层的厚度，氧化温度和氧化时间；杂质预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间。（3）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出光刻版图。（4）根据设计指标选取材料，确定材料参数，如电阻率p，位错，寿命，晶向等。（5）根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。（6）根据晶体管的类型进行热

9、学设计，选择封装形式，选用合适的管壳和散热方式等。第三、根据初步设计方案，对晶体管进行电学验算，并在此基础上对设计方案进行综合调整和修改。第四，根据初步设计方案进行小批测量试制，暴露问题，解决矛盾，修改和完善设计方案。双极晶体管的电学参数可分为直流参数，交流参数和极限参数三大类。下面将电学参数按三大类进行汇总 表3.1主要电学参数与结构和材料参数间的关系结构和材料参数电学参数WBWCNCNENBAeAcbfTICMGPVCESBVCBO2.2晶体管设计的基本原则（1）全面权衡各电学参数间的关系，确定主要电学参数尽管晶体管的电学参数很多，但对于一类型的晶体管，其主要电学参数却只有几个，如对高频大

10、功率管，主要的电学参数是fT ， BVCBO， P CM和ICM等；而高速开关管的主要电学参数则为to n，toff，UBES和UCES。因此，在进行设计时，必须全面权衡各电学参数间的关系，正确处理各参数间的矛盾。找出器件的主要电学参数，根据主要电学参数指标进行设计，然后再根据生产实践中取得的经验进行适当调整，以满足其他电学参数的要求。（2） 正确处理设计指标和工艺条件之间的矛盾，确定合适的工艺实施方案。任何一个好的设计方案都必须通过合适的工艺才能实现。因此，在设计中必须正确处理设计指标和工艺条件之间的矛盾。设计前必须了解工艺水平和设备精度，结合工艺水平进行合理设计。（3） 正确处理技术指标的

11、经济指标间的关系。设计中既要考虑高性能的技术指标，也要考虑经济效益。否则，过高的追求高性能的技术指标，将使成本过高。同时，在满足设计指标的前提下，尽可能降低参数指标水准，便于降低对工艺的要求，提高产品成品率。（4） 在进行产品设计时，一定要考虑器件的稳定性和可靠性。三、晶体管物理参数设计3.1. 各区掺杂浓度及相关参数的计算 由设计题目可知，晶体管的设计指标是： 300K时，基区掺杂浓度为NB=1016cm-3,共发射极电流增益=50，BVCEO=60V。对上表参数进行仔细分析后可发现，上述参数中，只有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

12、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 ， 由此可得集电区杂质浓度为： 根据公式,可算出集电区杂质浓度： 一般的晶体管各区的浓度要满足NENBNC，故， 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55页）查图1得到少子迁移率： 根据公式可知： 图2 掺杂浓度与电阻率的函数关系（器件物理59页）根据图2，可得到不同杂质浓度对应的电阻率：（即衬底选用的电阻率） 图3 少子寿命与掺杂浓

13、度的函数关系（半导体物理177页） 由图3或者取器件物理287页的经验值，为了方便得到较合理的基区准中性宽度，所以这里的少子寿命取值如下： 根据公式有：3.2.集电区厚度Wc的选择（1）集电区厚度的最小值集电区厚度的最小值由击穿电压决定。通常为了满足击穿电压的要求，集电区厚度WC必须大于击穿电压时的耗尽层宽度，即WC XmB（XMb是集电区临界击穿时的耗尽层宽度）。对于高压器件，在击穿电压附近，集电结可用突变结耗尽层近似，因而根据公式求出集电区厚度的最小值为：可见，为了提高击穿电压，改善二次击穿特性，希望集电区厚度WC厚一些好。（2） 集电区厚度的最大值WC的最大值受串联电阻rcs的限制。增大

14、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。所以，有 综合考虑这两方面的因素，WC尽量取大，故选择WC=8m3.3. 基区宽度WB（1）基区宽度的最大值对于低频管，与基区宽度有关的主要电学参数是b，因此低频器件的基区宽度最大值由b确定。当发射效率g1时，电流放大系数，因此基区宽度的最大值可按下式估计： 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l=4。由公式可看出，电流放大系数b要求愈高，则基区宽度愈窄。但当基区宽度过窄时，电流在从发射结向集电结传输的过程中，由于传输路程短而容易产生电流集中。因此，对于高耐压晶体管，在满足

15、b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，以提高二次击穿耐量。所以根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为：（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，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： 由于在高频器件中，基区宽度的最小值往往还受工艺的限制。则由上述可知：（3）基区宽度的选择与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： 图4 平衡条件下的PNP三极管的示意

16、图具体来说，由于，所以E-B耗尽区宽度（）可近视看作全部位于基区内，又由，得到大多数C-B耗尽区宽度（）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。另外注意到是基区宽度，W是基区中准中性基区宽度，也就是说，对于pnp晶体管，有： ，其中和分别是位于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。另外注意到是基区宽度，是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于PNP晶体管，有： 其中和分别是位于N型区内的E-B和C-B耗尽区宽度。在BJT分析中指的就是准中性基区宽度。E-B结的内建电势为：C-B结的内建电势为： 根据公式有：E-B结在

17、基区一边的耗尽层厚度为 可以当成单边突变结处理 C-B结在基区一边的耗尽层厚度为 根据公式有： 求解得到由上述可得基区总宽度：满足条件：，这个宽度是允许的，但是为了与标准工艺相对应，这里的，方便以后的计算。3.4.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，当发射极条宽SeXj条件时，扩散结面仍可近似当做平面结。但当Se随着特征频率fT的提高，基区宽度Wb变窄而减小到不满足SeXj条件时，发射结变为旋转椭圆面，如图4.1所示。发射结集电结两个旋转椭圆面之间的基区体积大于平面结

18、之间的基区体积，因而基区积累电荷增多，基区渡越时间增长。按照旋转椭圆的关系，可以解出当Se与Xj接近时，有效特征频率为 式中。因此，愈大，有效特征频率愈低。图4.1也明显表明，越大，则基区积累电荷比平面结时增加越多。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 对于低频功率晶体管在保证发射结处的杂质浓度梯度，即发射效率不致过低的前提下，基区宽度一般都取得很宽，因而发射结深也取得较大。综上所述，得：= =2=图5发射极条宽对界面形状的影响3.5.杂质表面浓度在纵向结构尺寸选定的情况下，发射区和基区表面杂志浓度及其杂志分布的情况主要影响晶体管的发射效率g和基区电阻rb

19、。减小基区电阻rb要求提高基区平均杂质浓度NB和表面浓度NBS。同时，提高基区平均杂质浓度，也有利于减小基区宽变效应和基区电导调制效应。提高发射效率则要求减小，增大发射区和基区浓度差别。为了保证在大电流下，晶体管仍具有较高的发射效率，要求发射区和基区表面浓度相差两个数量级以上，即。而发射区表面浓度由于受重掺杂效应限制，而不能无限提高，一般选取NES=51020cm-3左右，则NBS=51018 cm-33.6.芯片厚度和质量本设计选用的是电阻率为的P型硅，晶向是。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

20、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150200um。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。3.7. 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

21、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。下图为BJT俯视图图6：三极管俯视图(2)基区和发射区面积发射区面积取；基区面积取。（3）发射极总周长SLE由于存在电流集边效应，使发射极有效条宽受到限制，但在有效条宽2seff内，若单位发射极条长上允许的电流容量用Ieo表示，则由集电极最大电流ICM即可确定发射极的总周长为 实际上，在设计过程中,Ieo往往按经验数据来进行选取。由于高频电流集边效应使有效发射面积进一步减小，因而频率越高选取的Ieo愈小。由于 在f=20400MHZ，Ieo=0.8，则有=如下图： p p C区 P B区 n nE区N+ 图7.

22、三级管剖面图四、工艺参数设计4.1. 工艺参数计算思路由于二次氧化，必须在考虑基区扩散深度时须对发射区掩蔽层消耗的硅进行补偿（在前面计算已将它计算在内了）。下表是计算扩散系数过程中要用到的：表1：硅中磷和硼的与（微电子工艺基础119页表5-1）杂质元素磷（P）3.853.66硼（B）0.763.46 表2：二氧化硅中磷和硼的与（微电子工艺基础106页表4-6）杂质元素磷（P）1.75硼（B）3.504.2. 基区相关参数的计算过程4.2.1.预扩散时间PNP基区的磷预扩散的温度取800，即1073K（规范取值到1120，但是这样得不到合理的预扩散时间，所以降低温度来处理）由公式 其中 图7 杂

23、质在硅中的溶解度（实用集成电路工艺手册107页图6-7）由图7可得，在800时磷在硅中的表面浓度取（预扩时间在合理范围） 所以有， 4.2.2.氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散（1073K）的时间t=1183s来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求 。 考虑到生产实际情况和工艺需要，基区氧化层厚度取为6um，即是60004.2.3.基区再扩散的时间本来应该取1120，但是为了能够得到较快的主扩时间，所以主扩温度取到了1250（1523K），这时的 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，由再扩散结深公式：，而且 故可整理为： 即经过化简得， 利用MATLAB软件求解方程，得t=20161

24、s=5.6h4.3.发射区相关参数的计算过程4.3.1.预扩散时间PNP发射区的磷预扩散的温度这里取950，即1223K由公式 其中 由上面的图7可得，在950时硼在硅中的固溶度为，即此处的 ，代入方程有 4.3.2.氧化层厚度氧化层厚度的最小值由预扩散（1223K）的时间t=1345s来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求 考虑到生产实际情况，发射区氧化层厚度取为7um，即是70004.3.3.发射区再扩散的时间主扩温度取1200（1473K），此时有 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，由再扩散结深公式：， 而且 故可整理为： 即经过化简得， 利用MATLAB软件求解方程，得t=65

25、71s=1.83h如下所示：4.4. 氧化时间的计算 表3 1100的干氧和湿氧的氧化速率常数（半导体制造基础41页）A()B()B/A()干氧0.094.56湿氧(95水汽)0.110表4 1200的干氧和湿氧的氧化速率常数（半导体制造基础41页）A()B()B/A()干氧0.041.62湿氧(95水汽)0.0504.4.1.基区氧化时间由前面算出基区氧化层厚度是6000，如果氧化温度是1100，要得到6000的氧化层，可以采用干氧湿氧干氧工艺,因为 所以可以根据所需厚度来算时间可以先后干氧各500，然后湿氧5000，根据1100的相关系数代入上述式子，则可以得到：1100干氧，1100湿氧

26、，将上面的厚度对应代入，可以得到干氧时间和湿氧时间：干氧11min（500）-湿氧36min(5000)干氧11min(500)4.4.2.发射区氧化时间由前面算出基区氧化层厚度是7000，如果氧化温度是1200，要得到7000的氧化层，可以采用干氧湿氧干氧工艺,同样根据 来算时间可以先后干氧各1000，然后湿氧5000，根据1200的相关系数代入上述式子，则可以得到：1200干氧，1200湿氧，将上面的厚度对应代入，可以得到干氧时间和湿氧时间：即干氧17min（1000）-湿氧22min(5000)干氧17min(1000)五、设计参数总结采用外延硅片，其衬底的电阻率为2的P型硅，选取晶向。

27、表4：设计参数总结列表相关参数集电区C基区B发射区E各区杂质浓度少子迁移率1280437280扩散系数33.2811.3627.28电阻率20.50.045少子寿命扩散长度结深/W()面积(2)643616扩散温度()和时间预扩散/800,1183950, 1354再扩散/1250, 231841200,6571氧化层厚度()/60007000氧化时间/先干氧氧化11分钟，后湿氧氧化36分钟，再干氧氧化11分钟。先干氧氧化17分钟，后湿氧氧化22分钟，再干氧氧化17分钟。 6、 工艺流程图此次设计的pnp晶体管的工艺步骤主要流程如图：PNP晶体管生产总的工艺流程图如下:7、 生产工艺说明注意：

28、下面只对生产工艺进行详细的操作说明和其需要注意的事项，生产中并不按如下给出的流程顺序进行，其生产流程按上面所说流程顺序进行。7.1 硅片清洗在晶体管和集成电路生产中，几乎每道工艺有化学清洗的问题.化学清洗的好坏对器件性能有严重的影响，处理不当，可使全部硅片报废，做不出管子来，或使制造出来的器件性能低劣，稳定性和可靠性很差。化学清洗是指清除吸附在半导体，金属材料以及生产用具表面上的各种有害杂质或油污的工艺。 清洗方法是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

29、而获得洁净的物体表面。 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。 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

30、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。工艺程序：去分子-去离子-去原子-去离子水冲洗、烘干。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：名称配方使用条件作用备注号洗液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:51:2:780510min去油脂去光刻胶残膜去金属离子去金属原子号洗液HCl:H2O2:H2O=1:1:61:2:880510min去金属离子去金属原子号洗液H2SO4:H2O2=3:1120101015min去油、去腊去金属离子去金属原子7.2 氧化工艺7.2.1.氧化原理二氧化硅能够紧紧地依附在硅衬底

31、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，

32、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

33、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。7.2.2.氧化工艺步骤（一）基区氧化的工艺步

34、骤1、开氧化炉，并将温度设定到750850，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，将石英舟推到恒温区。并开始升温。3、达到氧化温度1100后，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，干氧时间11分钟。4、在开始干氧同时，将湿氧水壶加热到9598。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。湿氧时间36分钟。5、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，干氧时间11分钟。6、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。7、将石英舟拉出，并在净化台内将硅片取出，同时，检测氧化层面状况和厚度。8、关氧

35、化炉，关气体。（二）发射区氧化的工艺步骤1、开氧化炉，并将温度设定到750850，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，将石英舟推到恒温区。并开始升温。3、达到氧化温度1200后，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，干氧时间17分钟。4、在开始干氧同时，将湿氧水壶加热到9598。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。湿氧时间22分钟。5、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，干氧时间17分钟。6、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。7、将石英舟拉出，并在净化台内将硅片取出，

36、同时，检测氧化层面状况和厚度。8、关氧化炉，关气体。7.2.3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。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25004350

37、62507.3. 光刻工艺7.3.1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

38、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。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。

39、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。7.3.2.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40E) 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

40、，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: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

41、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。光刻基区域时掩膜板如图9所示： 图9光刻基区域时掩膜板 工艺步骤与光刻基区的一样，光刻发射区时掩膜板如下所示： 图10 光刻发射区时掩膜板7.4 磷扩散工艺（基区扩散）7.4.1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：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