大学电材微电子物理与器件课程设计.doc

课课 程程 设设 计计 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 电子材料 1 班 学 号 学生姓名_ 123 _ _ 指导教师_ 魏爱香、何玉定_ _ 2023 年 6 月 17 日 广东工业大学课程设计任务书广东工业大学课程设计任务书 一、课程设计的内容一、课程设计的内容 设计一个均匀掺杂的 pn p 型硅双极晶体管，满足 T=300K 时，基区掺杂浓度为 NB=1016cm-3,共发射极电流增益=50。BVCEO=60V，设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响，假设经验参数为年 n=3)二、课程设计的规定与数据二、课程设计的规定与数据 1了解晶体管设计的一般环节和设计原则 2 根据设计指标设计材料参数，涉及发射区、基区和集电区掺杂浓度 NE,NB,和 NC,根据各区的掺杂浓度拟定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命等。3 根据重要参数的设计指标拟定器件的纵向结构参数，涉及集电区厚度 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等拟定基区和发射区预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间；由扩散时间拟定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化时间。5根据设计指标拟定器件的图形结构，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。6.根据现有工艺条件，制定具体的工艺实行方案。7撰写设计报告 三、课程设计应完毕的工作三、课程设计应完毕的工作 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环节 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，讲解设计规定和方法 教 1-401 2023.6.6 2 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，教 1-401 2023.6.7 3 设计晶体管的各区材料参数和结构参数设计 图书馆，教 1-401 2023.6.8 4.教师集中辅导，分析材料参数和结构设计中存在的重要问题 教 1-407 2023.6.9 5 晶体管工艺参数设计，实验室 教 1-402 2100.6.10-2023.6.11 6 绘制光刻基区、发射区和金属化的版图 实验室 教 1-402 2023.6.12 2023.6.13 8 教师集中辅导，分析工艺设计中存在的重要问题 实验室 教 1-322 2023.6.14 9 总结设计结果，写设计报告 实验室 教 1-322 2023.6.15 10 写课程设计报告 图书馆，宿室 2023.6.16 11 教师组织验收，提问答辩 实验室 2023.617 五、应收集的资料及重要参考文献 1半导体器件基础Robert F.Pierret 著，黄如译，电子工业出版社，2023.2半导体物理与器件 赵毅强等译，电子工业出版社，2023 年.3硅集成电路工艺基础，关旭东编著，北京大学出版社，2023 年.发出任务书日期：发出任务书日期：20232023 年年 6 6 月月 6 6 日日 指导教师署名：指导教师署名：计划完毕日期：计划完毕日期：20232023 年年 6 6 月月 1717 日日 基层教学单位负责人签章：基层教学单位负责人签章：主管院长签章：主管院长签章：目目 录录 一、课程设计目的与任务一、课程设计目的与任务 2 2 二、课程设计时间二、课程设计时间 2 2 三、课程设计的基本内容三、课程设计的基本内容2 2 3.1 3.1 微电子器件与工艺课程设计微电子器件与工艺课程设计npnnpn 双极型晶体管的设计双极型晶体管的设计2 2 3.2 3.2 课程设计的重要内容：课程设计的重要内容：2 2 四、课程设计原理四、课程设计原理3 3 五、工艺参数设计五、工艺参数设计3 3 5.1 5.1 晶体管设计的一般环节：晶体管设计的一般环节：3 3 5.2 5.2 材料参数计算材料参数计算 4 4 5.2.1 5.2.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算各区掺杂浓度及相关参数的计算 4 4 5.2.2 5.2.2 集电区厚度集电区厚度 WcWc 的选择的选择8 8 5.2.3 5.2.3 基区宽度基区宽度 WBWB 8 8 5.2.4 5.2.4 晶体管的横向设计晶体管的横向设计 1111 5.2.4.1 5.2.4.1 晶体管横向结构参数的选择晶体管横向结构参数的选择1111 5.3 5.3 工艺参数设计工艺参数设计1212 5.3.1 5.3.1 晶体管工艺概述晶体管工艺概述 1212 5.3.2 5.3.2 工艺参数计算思绪工艺参数计算思绪 1313 5.3.3 5.3.3 基区相关参数的计算过程：基区相关参数的计算过程：1313 5.3.4 5.3.4 发射区相关参数的计算过程发射区相关参数的计算过程 1515 5.3.5 5.3.5 氧化时间的计算氧化时间的计算 1717 5.3.6 5.3.6 外延层的参数计算外延层的参数计算 1919 5.3.7 5.3.7 设计参设计参数总结数总结 2020 六、工艺流程图六、工艺流程图 2121 七、生产工艺流程七、生产工艺流程 2121 7.1 7.1 硅片清洗硅片清洗 2121 7.2 7.2 氧化工艺氧化工艺 2222 7.3 7.3 第一次氧化工艺环节（基区氧化）第一次氧化工艺环节（基区氧化）2323 7.4 7.4 采用比色法测量氧化层厚度采用比色法测量氧化层厚度2 23 3 7.5 7.5 第一次光刻工艺（基区光刻）第一次光刻工艺（基区光刻）2424 7.6 7.6 硼扩散工艺硼扩散工艺 2525 7.6.17.6.1 原理原理 2525 7.6.27.6.2 工艺环节工艺环节 2525 7.7 7.7 第二次光刻工艺（发射区光刻）第二次光刻工艺（发射区光刻）2626 7.8 7.8 磷扩散工艺（发射区扩散）磷扩散工艺（发射区扩散）2626 7.8.17.8.1 工艺原理工艺原理 2626 7.8.2 7.8.2 工 艺 环 节工 艺 环 节(扩 散 的 过 程 同 时 要 进 行 发 射 区 的 氧扩 散 的 过 程 同 时 要 进 行 发 射 区 的 氧化化)2727 八、版图八、版图 2828 九、心得体会九、心得体会 3030 十、参考文献十、参考文献 3131 PNPPNP 双极型晶体管的设计双极型晶体管的设计 一、课程设计目的与任务一、课程设计目的与任务 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。规定我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完毕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行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，二二、课程设计时间、课程设计时间 两周 三、课程设计的基本内容三、课程设计的基本内容 3.1 3.1 微电子器件与工艺课程设计微电子器件与工艺课程设计pnp 双极型晶体管的设计双极型晶体管的设计 设计一个均匀掺杂的 pnp 型硅双极晶体管，满足 T=300K 时，基区掺杂浓度为 NB=1016cm-3,共发射极电流增益=50。BVCEO=60V，设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响，假设经验参数为年 n=3)。3.2 3.2 课程设计的重要内容：课程设计的重要内容：（1）了解晶体管设计的一般环节和设计原则。（2）根据设计指标选取材料，拟定材料参数，如发射区掺杂浓度 NE,，基区掺杂浓度 NB，集电区掺杂浓度 NC，根据各区的掺杂浓度拟定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命等。（3）根据重要参数的设计指标拟定器件的纵向结构参数，如集电区厚度 Wc，基区宽度 Wb，发射极宽度 We和扩散结深 Xjc，发射结结深等。（4）根据结深拟定氧化层的厚度，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。（5）根据设计指标拟定器件的图形结构，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。（6）根据现有工艺条件，制定具体的工艺实行方案。四、课程设计原理四、课程设计原理 晶体管的设计是有关晶体管物理知识的综合应用。晶体管的基本理论只能反映晶体管内部的基本规律，并且这些规律往往是基于很多假设，并忽略了很多次要因素的情况下得到的，如工艺因素的影响，半导体材料的影响及杂质浓度的具体分布形式等。因此，在进行晶体管设计时必须从生产实践中总结出经验数据与基本的理论结合起来，通过多次反复，才干得到切实可行的设计方案。同时，对有志从事半导体器件以及集成电路有关工作的工程技术人员来说，要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，晶体管设计也是必不可少的重要环节。晶体管设计过程，事实上就是根据现有的工艺水平，材料水平，设计水平和手段以及所掌握的晶体管的有关基本理论，将用户提出的或预期要得到的技术指标或功能规定，变成一个可实行的具体方案的过程。因此，设计者必须对当前所能获取的半导体材料的有关参数和工艺参数有充足的了解，并弄清晶体管的性能指标参数与材料参数，工艺参数和器件几何结构参数之间的互相关系，才也许得到设计所提出的规定。但是晶体管的种类繁多，性能指标规定也就千差万别，因此要将各类晶体管的设计都要讲清楚是很难的，所以我们只能简朴介绍一下晶体管设计的一般环节和基本原则。五、工艺参数设计五、工艺参数设计 5.1 5.1 晶体管设计的一般环节：晶体管设计的一般环节：晶体管设计过程大体按下列环节进行：第一，根据预期指标规定选定重要电学参数、VCBO、VCEO、ICM，拟定重要电学参数的设计指标。第二，根据设计指标的规定，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，设计内容涉及以下几个方面：（1）根据重要电学参数计算出各区的浓度：Nc、Ne、Nb。（2）纵向设计：根据重要参数的设计指标拟定器件的纵向结构参数，如基区宽度 Wb，扩散结深 Xj和集电区厚度 Wc等。（3）横向设计：根据设计指标拟定器件的图形结构，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，拟定材料参数，如电阻率，位错，寿命，晶向等。（5）根据现有工艺条件，制定实行工艺方案。（6）根据晶体管的类型进行热学设计，选择分装形式，选用合适的管壳和散热方式等。第三，根据初步设计方案，对晶体管的电学验算，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。5.2 5.2 材料参数计算材料参数计算 5.2.1 5.2.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算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，只有击穿电压重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，在满足击穿电压规定的前提下，尽量减少电阻率，并适当调整其他参量，以满足其他电学参数的规定。VBVBVCEOnCBO5.2226050113 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4313106）（BCBNV，由此可得集电区杂质浓度为：34133413)1106106CEOnCBOCBVBVN（）（根据公式,可算出集电区杂质浓度：3153153431334133413102107.1)60501106()1106106cmcmBVBVNCEOnCBOC（）（一般的晶体管各区的浓度要满足 NENBNC，故，31831610*210cmNcmNEB，所以取因为 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：sVcmNC/13322 sVcmPB/4372 sVcmNE/2002 根据公式可知：scmqTkDCC/4988.3413320259.020 scmqTkDBB/3183.114370259.020 scmqTkDEE/18.52000259.020 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相应的电阻率：cmC 7（即衬底选用的电阻率）cmB5.0 cmE045.0 图 3 少子寿命与掺杂浓度的函数关系（半导体物理 177 页）根据图 3，可得到 E、B、C 三区的少子寿命EBC和、sC4101.1 sB5105.7 sE6107 注明：这里的少子寿命偏大，故取器件物理 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：sC610 sB610 sE710 根据公式有：cmDLCCC36108735679.5105.34 cmDLBBB3610364268.31032.11 cmDLEEE471019.71018.5 5.2.2 5.2.2 集电区厚度集电区厚度 WcWc 的选择的选择 (1)集电区厚度 Wc 根据公式求出集电区厚度的最小值为：cmqNBVXWCCBOSmBC321151914210103.1102106.15.2228.111085.822 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增长，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=14m 5.2.3 5.2.3 基区宽度基区宽度 WBWB （1）基区宽度的最大值 对于低频管，与基区宽度有关的重要电学参数是，因此低频器件的基区宽度最大值由拟定。当发射效率1 时，电流放大系数122nbBLW，因此基区宽度的最大值可按下式估计：212nbBLW 为了使器件进入大电流状态时，电流放大系数仍能满足规定，因而设计过程中取4。根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为：cmLWnbB423212105324.95010364268.34 由公式可看出，电流放大系数规定愈高，则基区宽度愈窄。为提高二次击穿耐量，在满足规定的前提下，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VBVCBO5.222，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：cmBVNNNqNBVNNNqNXCBOBCCASCBOADAASB4211615161914210210.min101954.25.222102.110210106.18.111085.8222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：mWmB5324.91954.2（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 可以当作是由两个独立的 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 三极管的示意图 具体来说，由于BENN，所以 E-B 耗尽区宽度（EBW）可近视看作所有位于基区内，又由CBNN，得到大多数 C-B 耗尽区宽度（CBW）位于集电区内。由于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CBWEBW。此外注意到BW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：nCBnEBBxxWW （10）其中nEBx和nCBx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biV为：VnNNqTkViBEbiEB8248.0)10(1010ln0259.0ln210161820 C-B 结的内建电势biV为：VnNNqkTViBCbiCB6145.0)10(10102ln0259.0ln21016152 根据公式有：E-B 结在基区一边的耗尽层厚度nEBx为 BENN 可以当成单边突变结解决 21210122biEBBosbiEBBEBESnEBVNqKVNNNNqKXcm521161914103154.38248.0101106.11085.88.112 C-B 结在基区一边的耗尽层厚度nCBx为 2102biEBBCBCSnCBVNNNNqKX cm521161516151914102451.16145.01010210102106.11085.88.112 根据公式有：2211BEEBBEdcLWLWNNDD 23418161036.3211019722.710103183.1118.5150WW 求解得到mcmW9354.51092.54 由上述可得基区总宽度：mcmxxWWnCBnEBB5.6104862.6102451.1103154.3109354.54554 满足条件：mWmB5324.91954.2，这个宽度是允许的，但是为了与标准工艺相相应，这里的mWB6取，方便以后的计算。（3）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，曲率半径减小而减少，因而为了提高击穿电压，规定扩散结深一些。但另一方面，结深却又受条宽限制，由于基区积累电荷增长，基区渡越时间增长，有效特性频率就下降，因此，通常选取：反射结结深为cmWXBje4105 集电结结深为cmWXBj4c1010（4）芯片厚度和质量 本设计选用的是电阻率为cm7的 P 型硅，晶向是。硅片厚度重要由集电结深、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 150200um。硅片的质量指标重要是规定厚度均匀，电阻率符合规定，以及材料结构完整、缺陷少等。5.2.4 5.2.4 晶体管的横向设计晶体管的横向设计 5.2.4.1 5.2.4.1 晶体管横向结构参数的选晶体管横向结构参数的选择择 (1)横向设计 进行晶体管横向设计的任务，是根据晶体管重要电学参数指标的规定，选取合适的几何图形，拟定图形尺寸，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。本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规定，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。EBC 图 5：三极管剖面图 EBC 图 6：三极管俯视图(2)基区、发射区与集电区面积的计算 基区面积无特别规定，取有效的2100 mAB 根据设计规定，涉及到集电极电流CI受基区电导调制效应的限制。有公式：2eeEcBqA D NIW 3462219185 103.6 103 103022 1.6 103.38 6 10cBeeEI WAcmumqD N 由最大饱和压降 VCES2V 可得到：CCccmjcjeCESAWIVVV （8）其中jeV、jcV为临界饱和时的结压降，通常1.0jcjeVVV，C可以到半导体物理学第七版，电子工业出版社一书的 124 页，图 4-15 进行查得2C，由（8）式得：346225 102 10 106.0 10600()20.1ccCcCESjejcIWAcmumVVV 此外，为满足散热规定，取 AC要大一些。故最终决定的三个区的面积分别为2600cAum，2100bAum，230eAum 5.3 5.3 工艺参数设计工艺参数设计 5.3.1 5.3.1 晶体管工艺概述晶体管工艺概述 在集成电路工艺中，最早得到广泛应用的一种双极型工艺技术就是所谓的三重扩散方法，由于其成本低、工艺简朴以及成品率高等优点，这种技术直到今天在某些应用领域中仍然在继续使用。这个工艺流程只需七块光刻掩模版，一方面在 N衬底上生长一层初始氧化层，并光刻出 P保护环扩散区窗口；保护环扩散推动完毕后，去掉初始氧化层，重新生长第二次氧化层，并光刻出集电区注入窗口；集电区注入推动完毕后，把二次氧化层去掉，再生长第三次氧化层，并光刻出基区注入窗口；完毕基区注入后，去掉三次氧化层，并对基区杂质进行退火激活，然后生长第四次氧化层，并光刻出发射区注入窗口；发射区注入完毕后，再把四次氧化层去掉，并生长最后一次氧化层，在这层氧化层上光刻出基极欧姆接触区窗口；然后进行基极欧姆接触区的 N+注入，并对基极欧姆接触区和发射区注入层进行最后一次退火激活；接下来沉积欧姆接触区保护层、开接触孔、形成金属化导电层并对其进行光刻和刻蚀。在基本的三重扩散工艺技术基础上所做的改善之一就是增长一个集电区埋层，即位于集电区下面的一个重掺杂的扩散区，它可以使集电区的串联电阻大大减小。引入集电区埋层后意味着集电区自身必须通过外延技术在衬底上生长出来，这项技术称为“标准埋层集电区工艺（SBC）”。不同的制造工艺会产生不同的发射结寄生电容、发射结击穿电压及基区接触电阻等。从历史发展来看，双极型晶体管的性能在很大限度上受其寄生参数的限制，在这些参数中最重要的是与欧姆接触区或器件非本征区有关的结电容。三重扩散工艺或标准埋层集电区工艺具有较大的非本征电容。较为先进的双极型器件工艺则运用自对准多晶硅结构形成器件发射区和基区的欧姆接触，而金属和多晶硅的接触可以在较厚的场氧化层上制备形成，这样就使器件的结面积大大缩小。此外，运用多晶硅形成发射区欧姆接触，还可以使器件的本征电流增益有所增大。5.3.2 5.3.2 工艺参数计算思绪工艺参数计算思绪 计算思绪：发射区扩散时间氧化层厚度在发射区扩散时基区扩散结深基区扩散时间基区掩蔽层厚度氧化时间。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jeX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0D与aE（微电子工艺基础 119 页表 5-1）杂质元素)/(20scmD)(eVEa 磷（P）3.85 3.66 硼（B）0.76 3.46 表 2：二氧化硅中磷和硼的0D与aE（微电子工艺基础 106 页表 4-6）杂质元素)/(20scmD)(eVEa 磷（P）6100.1 1.75 硼（B）6100.3 3.50 5.3.3 5.3.3 基区相关参数的计算过程：基区相关参数的计算过程：（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，所以减少温度来解决）由公式 DtCDtCtQSS13.12)(其中2124151610121010)10210()()(cmXNNtQjcCB)(1044.2)107310614.866.3exp(85.3)exp(217500.scmTkEDDaBSi KeVko/10614.810602.11038.151923说明：图 7 杂质在硅中的溶解度（实用集成电路工艺手册 107 页图 6-7）由图 7 可得，在 800时磷在硅中的固溶度为320102cm，但是这里的数据比较大，为了计算的方便故这里的表面浓度取319105cmCS（预扩时间在合理范围）故min8.3018481044.210513.11012171912stt解得 （2）氧化层厚度：氧化层厚度的最小值由预扩散（1073K）的时间 t=1848s 来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求tDxSiO26.4min。scmkTEDDaBSiO/1099.5)107310614.875.1exp(100.1)exp(215560.2 0515min153010530.118481099.56.46.42AcmtDxSiO 考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为 60000A(C)基区再扩散的时间：本来应当取 1120，但是为了可以得到较快的主扩时间，所以主扩温度取到了1250（1523K），这时的)(1095.2)1523617.81066.3exp(85.3)exp(21250scmkTEDDa 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，mjC10XX.再扩 由再扩散结深公式：BSCCDtln2X再扩，并且DtQCS316102cmNCCB 故可整理为：02Xln2lnln4X22DDCQtttDtCQDtBB再扩再扩 即01095.221081095.2102106.9ln2ln1224121512ttt 通过化简得，010847473.14lnttt 运用 MATLAB 软件求解方程010847473.14lnttt，得 t=24967s=6.93h 5.3.4 5.3.4 发射区相关参数的计算过程发射区相关参数的计算过程 （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 DtCDtCtQSS13.12)(其中2144184161810510510105)1010()()(cmXNNtQjeCE)(1014.4)1223614.81046.3exp(76.0)exp(215500.scmTkEDDaBSi 由上面的图 7 可得，在 950时硼在硅中的固溶度为320105.1cm，即此处的 320105.1cmCS 故min3521011014.4105.113.1105152014stt解得 （2）氧化层厚度：氧化层厚度的最小值由预扩散（1223K）的时间 t=2101s 来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求tDxSiO26.4min scmkTEDDaBSiO/1012.1)1223614.81050.3exp(100.3)exp(220560.2 0820min23.21023.221011012.16.46.42AcmtDxSiO 考虑到生产实际情况，发射区氧化层厚度取为 70000A(C)基区再扩散的时间：主扩温度取 1200（1473K），此时有)(1009.1)1473614.81046.3exp(76.0)exp(21250scmkTEDDa 由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，mjE5XX.再扩 由再扩散结深公式：BSCCDtln2X再扩，并且DtQCS 31610cmNCBB 故可整理为：02Xln2lnln4X22DDCQtttDtCQDtBB再扩再扩 即01009.121041009.110104ln2ln1224121614ttt 通过化简得，07339496.19lnttt 运用 MATLAB 软件求解方程07339496.19lnttt，得 t=7515s=2.08h 5.3.5 5.3.5 氧化时间的计算氧化时间的计算 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(m)B(min/2m)B/A(min/m)(min)干氧 0.09 4105.4 2105.0 4.56 湿氧(95水汽)0.11 21085.0 110773.0 0 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(m)B(min/2m)B/A(min/m)(min)干氧 0.04 4105.7 21087.1 1.62 湿氧(95水汽)0.05 2102.1 1104.2 0（1）基区氧化时间 由前面算出基区氧化层厚度是 60000A，假如氧化温度是 1100，要得到60000A的氧化层，可以采用干氧湿氧干氧工艺,由于 141222BAtAxSiO 所以可以根据所需厚度来算时间 可以先后干氧各 5000A，然后湿氧 50000A，根据 1100的相关系数代入上述式子，则可以得到：1100干氧15.456.41209.02txSiO，1100湿氧13559.01211.02txSiO，将上面的厚度相应代入，可以得到干氧时间和湿氧时间：即干氧 11min（5000A）-湿氧 36min(50000A)干氧 11min(5000A)(2)发射区氧化时间 由前面算出基区氧化层厚度是 70000A，假如氧化温度是 1200，要得到70000A的氧化层，可以采用干氧湿氧干氧工艺,同样根据 141222BAtAxSiO 来算时间 可以先后干氧各 10000A，然后湿氧 50000A，根据 1200的相关系数代入上述式子，则可以得到：1200干氧15333.062.112004.02txSiO，1200湿氧10521.01205.02txSiO，将上面的厚度相应代入，可以得到干氧时间和湿氧时间：即干氧 17min（10000A）-湿氧 22min(50000A)干氧 17min(10000A)5.3.7 5.3.7 设计参数总结设计参数总结 采用外延硅片，其衬底的电阻率为 7cm的 P 型硅，选取晶向。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3cmNX 15102 16101 18101 少子迁移率sVcmX/2 1332 437 200 扩散系数scmDX/2 34.4988 11.3183 5.18 电阻率cmX 7 0.5 0.045 少子寿命 sX 610 610 710 扩散长度cmLX 31087356.5 31036426.3 41019722.7 结深/W(m)mXC10 mmWB54.6计算时取 mXE5 面积(m2)600 100 30 扩 散 温 度()和 时间 s 预扩散/800,1848 950,2101 再扩散/1250,24967 1200,7515 氧化层厚度(0A)/6000 7000 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。六、工艺流程图六、工艺流程图 PNP 晶体管生产总的工艺流程图：硅片清洗氧化光刻基区磷预扩散磷再扩散（基区扩散）去氧化膜 氧化工艺光刻发射区硼预扩散硼再扩散（发射区扩散）去氧化膜 沉积保护层光刻接触孔金属化光刻接触电极参数检测 七、生产工艺流程七、生产工艺流程 7.1 7.1 硅片清洗硅片清洗 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；运用表面活性剂的润湿性减少溶液的表面张力后，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进一步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，减少表面能。颗粒周边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，达成清洗硅片的目的。硅片清洗液是指可以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=1:1:51:2:7 805 10min 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=1:1:61:2:8 805 10min 去金属离子 去金属原子 号洗液 H2SO4:H2O2=3:1 12010 1015min 去油、去腊 去金属离子 去金属原子 7.2 7.2 氧化工氧化工艺艺 7.2.1.7.2.1.氧化原理氧化原理 二氧化硅可以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；正是运用这一性质，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朴，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。实验表白，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，均匀性和反复性好，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规定，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，充足运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 表达，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 表达。（3）氧化剂在 Si 表面与 Si 反映生成 SiO2，流密度用 F3 表达。（4）反映的副产物离开界面。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。7.7.2.2.2.2.氧化工艺环节氧化工艺环节 （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）达成氧化温度后，调整氧气流量 3 升/分钟，并开始计时，拟定干氧时间。在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到 95-98。干氧完毕后，立即开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计，拟定湿氧时间；（4）湿氧完毕，开干氧流量计，调整氧气流量 3 升/分钟，并开始计时，拟定干氧时间；（5）干氧完毕后，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。7.2.37.2.3 测量氧化层厚度测量氧化层厚度 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，可用比色法来简朴判断厚度。比色法是运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，从而大体判断氧化层的厚度。颜色 氧化膜厚度（埃）灰 100 黃褐 300 蓝 800 紫 1000 2750 4650 6500 深蓝 1500 3000 4900 6800 绿 1850 3300 5600 7200 黃 2100 3700 5600 7500 橙 2250 4000 6000 红 2500 4350 6250 7.5 7.5 第一次光刻工艺（基区光刻）第一次光刻工艺（基区光刻）（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。光刻工艺涉及涂胶、曝光、显影、腐蚀等工序。集成电路对光刻的基本规定有如下几个方面：（1）高分辨率：一个