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硅NPN平面三极管工艺参数设计及管芯制作

摘要：本文简述了三极管各项参数的设计过程，详细描述了npn三极管的制作过程和各工艺步骤，并对三极管阶段性参数（如：方快电阻）和最终参数（如：放大倍数、结的I-V特性）的测量。在实验中，对每一组样品都采用陪片，用四探针的方法进行各种条件下的方块电阻的测量，用I-V测试仪对各结的I-V特性进行测量。本文还详细分析了实验数据，氧化、硼扩散、磷扩散和光刻等工艺对实验的影响，三极管BE、BC结的击穿特性。
关键字：制作工艺，四探针，方快电阻，击穿特性

一、 引言
从20世纪40年代晶体管发明开始，半导体器件工艺技术的发展经历了三个主要阶段：1950第一次生产出了实用化的合金结三极管；1955年扩散技术的采用是半导体器件制造技术的重大发展，为制造高频器件开辟了新途径；1960年由扩散、氧化、光刻组成的平面工艺的出现是半导体器件制造技术的重大变革，大幅度地提高了器件的频率、功率特性，极大地改善了器件的稳定性和可靠性。目前世界市场上85%以上的集成电路产品是硅集成电路，其生产技术都是平面工艺。平面工艺开创了硅器件的新纪元。随着各种新材料、新技术、新器件结构的引入，以及设计方法的改进，芯片集成度不断增加，性能日益提高。因此，作为最基础的集成电路元件——平面晶体管，对其结构、功能、工艺参数的了解是非常必要的。

二、 晶体管结构设计
在制备的过程中采用平面工艺，要达到的参数要求是：放大倍数 =60 ，bc结击穿电压为80V。样品的纵向和横向结构图如下:

图1：制作三极管的纵向和俯视图
器件制备工艺流程：

三、 工艺参数设计
晶体管已知参数：衬底电阻率=5 ，=60 ，BC结击穿电压为80V。由图一可以得到Cb=。
3.1、设=，=，=1.2
用浅发射结近似，为了方便计算我们假设B，E区都为均匀掺杂，则如图3掺杂与禁带变宽的关系图，我们可以得到0.19

图3： 掺杂与禁带变宽的关系图
如图4，我们可以得到760/150=5.1

图4： 少数载流子的迁移率与掺杂浓度的关系
由前面假设知道=53，代入到方程中得=1.00。
3.2、 晶体管制作流程设计
a) 衬底氧化
采用干氧——湿氧——干氧的步骤进行氧化
温度T=1100 ℃
干氧20min，由《半导体手册》图OX-1查得生成0.06氧化层。
湿氧25min，确定干氧1100℃生成0.06氧化层所需时间t=1.1min后就可以确定湿氧总时间为25min+1.1min，由图OX-2查得tox=0.3。
干氧15min：确定1100℃干氧生长0.3厚度氧化层需600min，615min所对应的几乎没有变化。
所以最终生成3000埃氧化层
b) 基区扩散
下图5为常见杂质在硅中的扩散率，图6为常见杂质在硅中的固溶度，将在下面的计算中用到。

图5： 常见杂质在硅中的扩散率

图6： 常见杂质在硅中的固溶度
i. 硼预沉积
设温度T=1000℃
查表得Cs=，=0.085
解得t=0.2h。
ii. 硼推进扩散（在氧气气氛中） T=1100℃

=2.2cm =0.27
近似认为为 求得t=45min
在此过程中同时产生了氧化层。
c) 发射区磷扩散 T=950℃
只采用一步预沉积扩散
=0.2 = 求得t=13min。

四、 实验方法
实验室提供了9块硅片，其中5块正片，4块陪片。实验分为两组：其中一组使用实验室所提供是实验参数和条件，采用2块正片2块陪片；另一组使用我们自己设计的实验参数和实验条件进行实验，采用3块正片2块陪片。实验完毕可以对两组实验的结果进行对比。
4.1、清洗
在制备样片和其中使用的陪片都要经过一系列的清洗过程，防止不必要的杂质进入硅片中影响结果。对硅片的清洗主要是去除表面的离子，包括酸，碱及氧化物，使用的清洗液都有一定的配比，清洗也必须遵守一定的流程。清洗硅片过程中使用的药品名称及作用见表1。
名称
浓度配比
作用
浓硫酸
95%~98%
去除有机物和金属离子
I号液
H2O：H2O2：NH4OH=3：2：1
去除颗粒、金属、有机物
II号液
H2O：H2O2：HCL =3：2：1
去除金属离子
去离子水

清洗
表1：硅片清洗主要药品名称及作用
实验中的清洗过程见表2：
步骤
药品
操作
1
浓硫酸
煮至冒白烟后3-5分钟
2
热、冷去离子水
清洗
3
浓硫酸
煮至冒白烟后3-5分钟
4
热、冷去离子水
清洗
5
I号液
煮沸后3-4分钟
6
热、冷去离子水
清洗
7
II号液
煮沸后3-4分钟
8
热、冷去离子水
清洗至水的电阻率大于5兆欧
表2：硅片清洗流程
4.2、一次氧化
对清洗后的硅片进行一次氧化，在温度为1220℃时。采用干氧——湿氧——干氧的方法。大概生长3000埃的氧化层。
4.3、一次光刻
将氧化后得到的样片进行光刻，刻出硼扩基区，使用的光刻掩模如下：

图7：一次光刻掩摸板
光刻过程中使用得主要药品及其作用见表3。
名称
作用
负性光刻胶
抗蚀剂
丁酮
显影
丙酮
定影
氢氟酸缓冲剂(HF:NH4F:H2O=3:6:10)
刻蚀液
表3：光刻药品及其作用
光刻过程中使用的主要仪器及其作用见表4。
名称
作用
SJT-1/300型匀胶台
匀胶
KXH202A恒温干燥箱
前烘、坚膜
对准仪
套刻对准
曝光机
曝光
水浴锅
刻蚀
显微镜
检测光刻质量
表4：光刻仪器及其作用
光刻的步骤如下：
⑴．涂胶：用旋转法在待光刻的Si片表面涂敷上一层光刻胶膜。
条件：转速为3000转/min，时间为30s。
要求：光刻胶粘附良好、均匀、厚薄适当。
⑵．前烘：在恒温干燥箱中烘烤涂胶后的硅片。
条件：90℃，11min30s。
目的：促使胶SiO2膜体内溶剂充分的挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与SiO2膜的粘附性和胶膜的耐磨性。
⑶．曝光：在涂好光刻胶的硅片表面覆盖掩膜版，用汞灯紫外光进行选择性的照射，使受光照部分的光刻胶发生光化学反应。
条件：曝光时间1min30s±10s。
要求：保证对准精度和曝光时间。
⑷．显影，定影：
操作：用镊子夹住硅片在丁酮晃动1分钟，然后在丙酮中晃动30秒。
目的：将未感光部分的光刻胶溶解，留下感光部分的胶膜。
⑸．检查光刻的质量：看图形是否套准，图形边缘是否整齐，有无皱胶和胶发黑，有无浮胶，硅片表面有无划伤。
⑹．坚膜：在恒温干燥箱中烘烤定影涂胶后的硅片。
条件：176℃，18min30s。
目的：使胶膜与硅片之间紧贴得更牢，增强胶膜抗蚀能力。
⑺．刻蚀：用刻蚀液将无光刻胶膜覆盖的氧化层腐蚀掉，有光刻胶覆盖的区域保存下来。
条件：42℃水浴，3-4min。
4.3、基区硼扩散
硼扩散一般分为两步扩散：预沉积和再分布扩散。两组实验温度如表5：

实验室数据组（℃）
自己设计数据组（℃）
预扩散温度
950
1000
再分布温度
1130
1100
表5：基区硼扩散温度
①预沉积扩散
在一定的温度下将硅片进行分组扩散，扩散的温度时间由实验要研究的温度和时间范围决定。
扩散后用HF溶液（HF:H2O=1:10）腐蚀氧化层。样片腐蚀30s，正片15s（防止过多腐蚀一次氧化光刻后留下的氧化层，造成氧化台阶不明显）。腐蚀完毕用去离子水清洗，准备再分布使用．
对陪片用四探针测试方块电阻。调整电压，使测试电流大小为1mA，测试数据记录。
②再分布扩散及氧化
将清洗后的样片进行再分布扩散的同时进行氧化，在氧气的氛围中进行，采用干氧——湿氧——干氧的方法，两端采用干氧主要是为了使接触面更致密以及和光刻胶的粘附性好。再分布的温度一般比预沉积高接近两百度左右。
将再分布后的样片用HF溶液（HF:H2O=1:1）腐蚀样片氧化层，时间为3-4分钟．
用去离子水清洗硅片，然后对陪片用四探针测试方块电阻，并记录数据。
四探针测量原理：
四探针法是测量方块电阻的最简单的方法，四探针可以排成不同的几何形状，最常见的一种是排成一条直线。在这种排列方式下，在外面的两根探针之间施加电流，并在里面两根探针之间加电压。计算测量到的电压降与所加电流之间的比值就可得到薄层电阻。最后结果还要乘上一个几何修正因子，这个因子与探针的几何排列形状以及探针间距与扩散区深度之间的比值有关。

图 8 四探针工作原理
方块电阻: 在掺杂中，杂质的浓度分布不能通过比较直接的方法测得，一个比较简单的方法是通过测量扩散区的薄层电阻得到一个数值进而比较扩散入圆片的杂质量的多少，方块电阻仅仅在一个薄层内是有意义的。
4.4、二次光刻
在硼扩散之后就形成了晶体管的基区，之后就要进行二次光刻以便进行发射区的磷扩散，基本上二次光刻与一次光刻的过程是一样的，只是二次光刻需要进行对准，并且相当重要。二次光刻的掩模如下：

图9：二次光刻掩模
4.5、发射区磷扩散
两组实验磷扩温度见表6。
实验室数据组（℃）
自己设计数据组（℃）
1060
950
表6：发射区磷扩温度
当刻出发射区窗口后，发射区的扩散就是样品制备的最后一个过程。将清洗后的样片和陪片正面向上放置于磷源上，前后均有磷源。放入恒温区进行扩散。一般磷扩的温度不能超过再分布的温度，以防止影响硼扩散的再分布结果。
由于我们组的片子较多，我们组的磷扩分为3组完成。也就是说每组磷扩的片子中都包含两片：实验室数据组片子和自己设计数据组片子。因此，测试也是分为3组来测的。3组实验温度和时间如表7。

第1组
第2组
第3组
温度（℃）
1100
1100
950
时间（min）
10
5
13
表7：3组磷扩实验条件
将扩散过后的样片取出， 制备工艺分析用HF溶液（HF:H2O=1:1）腐蚀氧化层，时间为3-4分钟。腐蚀完毕用去离子水清洗。用四探针测试陪片的方块电阻，用图示仪观察样片的输出特性曲线和各结击穿特性电压，测试并记录数据。

五、 实验结果
5.1、 硼扩预淀积方快电阻，再分布后的方快电阻
硼预扩散测得的方块电阻如表8。

一次
二次
三次
第一片
11.25×4=45
11.28×4=45.12
12.09×4=48.36
第二片
11.995×4=47.98
12.28×4=49.12
13.00×4=52
表8：预方块电阻（注：修正系数为4）
参考方块电阻R=40-60/□，所以实验测得的方块电阻符合实验的要求。

再分布测得的方快电阻如表9。

一次
二次
三次
第一片
47.75×4=191
47.0×4=188
48.0×4=192
第二片
51.7×4=206.8
51.3×4=205.2
50.3×4=201.2
表9：再分布方快电阻（注：修正系数为4）
参考方块电阻R=180-250/□，所以实验测得的方块电阻符合实验的要求。

5.2、 Vcb击穿电压
两组片子测得的BC结的击穿电压在30-40V和80-100V，表明硼扩不是很均匀。测试中还观察到了分段击穿，原因分析见讨论部分。

5.3、 磷扩方快电阻，放大倍数，击穿电压Veb、Vce、Vcb及特性曲线形状
5.3.1、磷扩第1组测试数据记录
第1组磷扩

实验室数据组
自己设计数据组
放大倍数
测试三极管一：20
测试三极管二：100
50

输出特性
片子不均匀；
输出特性较好

击穿特性

E-C结低压击穿（10V）；
B-C结击穿图线读不出击穿电压；
E-B结软击穿
备注

小注入时放大倍数较小
表10：第1组磷扩实验数据记录
5.3.2、磷扩第2组测试数据记录

第2组磷扩

实验室数据组
自己设计数据组
放大倍数
20
10
10
输出特性

输出特性均匀

击穿特性
E-C软击穿60V；
B-C软击穿100V；
E-B软击穿7.5V
E-C雪崩击穿80V；
B-C雪崩击穿100V；
E-B软击穿10V

E-C结击穿电压5V；
B-C结击穿电压5V
备注

表11：第2组磷扩实验数据记录
5.3.3、磷扩第3组测试数据记录
第3组磷扩

实验室数据组
自己设计数据组
放大倍数
5-7
1.5

输出特性

输出特性较好

击穿特性

E-C结击穿电压90V；
E-B结软击穿
备注
结深较深
磷扩温度太低，时间太短，厄利电压小
表12：第3组磷扩实验数据记录

六、 讨论
6.1、 可能影响晶体管放大倍数的原因
在3组不同的时间与温度的条件下，得到多组数出特性曲线。但曲线的大致形状都差不多，只是在击穿电压、放大倍数和厄利电压上有一定的差异。见表10，表11和表12。
对于用扩散的方法形成的缓变结而言，放大倍数可以用下面的公式表示。

在表10中的输出特性曲线并不是特别清晰，但仍可以看出，放大倍数不是很稳定，在不同的Ic下是变化的；表11中图像看起来比较接近理想的输出特性曲线，由图上看，放大倍数是恒定的；表12中输出特性曲线表明放大倍数在Ic较大时是减小的。究其原因，随着工作电流Ic的增大，积累在基区的电子和空穴都会增加，基区载流子多了，基区方块电阻就要变小；而发射区杂质浓度是很高的，基区对发射区的反注入并不会引起发射区方块电阻的增大，这样，上式中的第一项要增大，则下降。也就是说大注入条件下发射效率将会下降，而也回下降。总之，在大注入情况下，由于电中性要求，基区多子将显著增加，使基区电阻率下降，因而引起的下降，这就是基区电导调制效应。
表12中的输出特性曲线也明显看出图像是倾斜的。曲线的分散倾斜可能是由于Early电压较小，即基区宽变效应造成的。导致基区宽变的原因可能有二：其一是集电结附近基区杂质浓度较低。虽然设计时基区杂质平均浓度较高，但由于基区杂质为缓变分布，由杂质浓度梯度形成的电场可由重掺杂禁带变窄效应基本抵消，但接近集电结的基区区域杂质浓度可能较低，导致集电结空间电荷区在这一区域扩展较明显，产生基区宽变效应。其二可能是磷扩较深，如，则导致基区宽度较窄，这时基区宽度的相对变化率就比较大，使宽变效应的影响较明显。这里的Early电压小是由于基区较窄造成的。可以看出击穿电压较低，出现局部的穿通。

6.2、 影响PN结击穿特性的因数

图10：实验中各种击穿示意
由上述数据记录表格中可以看出，在实验中存在着几类主要的击穿，简要图示于图10。每一种击穿形成的原因都是不同的。现在我们将分别来讨论每一种击穿。
①分段击穿：严格来说它是一种低压击穿。是由于材料的不均匀性和缺陷，或是表面合金点、光刻时针孔、小岛等引起。
②低压击穿：低击穿是一种局部击穿，往往由材料的不均匀性和位错缺陷等造成，此外光刻图形边缘的毛刺、锯齿或划痕、扩散的合金点或杂质管道以及材料的位错缺陷等，也都可能成为低击穿的原因。
③软击穿：软击穿的特点是反向电流在低电压就开始逐渐增加，在曲线上找不出明显的转折点。软击穿实际上就是由反向漏电流大造成的，其形成原因也与反向漏电流大致相同。硅片的表面态、复合中心、表面沾污、表面沟道、SiO2-Si界面电荷等等均可能造成反向漏电流增大。
④雪崩击穿:是在晶体管击穿中比较常见和正常的击穿现象。每一个晶体管在加的反向电压到一定值时，都会出现雪崩击穿。雪崩主要是发生在集电区，对发射区注入离子和基区的复合离子数都有影响。我们研究此击穿现象主要是想通过控制掺杂浓度，来控制它的击穿电压以达到更好的应用。用来制备出高反向电压或者低反向电压的不同种类的不同应用的晶体管。

七、 结论
本文从三极管的参数设计到管芯设计在到最后的测试分析都有涉及，通过自己动手完成各道工序，讨论实验中出现的各种实验现象，结合实验结果分析了影响晶体管放大倍数和击穿特性的因数，使自己对微电子器件有了更深入、全面的理解和认识。同时，也提高了独立思考能力，分析问题解决问题的能力和培养了我的团队精神和科研素养。

八、 参考文献
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[2] 甘学温 赵宝瑛等. 集成电路原理与设计. 北京大学出版社 2006年2月
[3] YUAN TAUR TAK H.NING. Fundamentals of modern VLSI devices
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