课程设计---PNP双极型晶体管的设计.docx

目 录
一·课程设计目的与任务……………………………………………………………1
二·设计的内容………………………………………………………………………1
三·设计的要求与数据………………………………………………………………1
四·物理参数设计……………………………………………………………………2
4.1各区掺杂浓度及相关参数的计算………………………………………………2
4.1.1各区掺杂浓度 ……………………………………………………………4
4.1.2迁移率………………………………………………………………………4
4.1.3扩散系数与电阻率………………………………………………………5
4.1.4少子寿命和扩散长度……………………………………………………5
4.2 集电区厚度Wc的选择………………………………………………………6
4.3 基区宽度WB…………………………………………………………………7
4.5 扩散结深的设计………………………………………………………………9
4.6 芯片厚度和质量……………………………………………………………10
4.7 晶体管的横向设计、结构参数的选择……………………………………10
五、工艺参数设计……………………………………………………………………11
5.1 工艺部分杂质参数…………………………………………………………12
5.2 基区相关参数的计算………………………………………………………14
5.3 发射区相关参数的计算……………………………………………………15
5.4 氧化时间的计算……………………………………………………………16
六、物理参数与工艺参数汇总………………………………………………………17
七、工艺流程图………………………………………………………………………19
八、生产工艺流程……………………………………………………………………23
九、版图………………………………………………………………………………33
十、心得体会…………………………………………………………………………34
十一、参考文献………………………………………………………………………35

PNP双极型晶体管的设计
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。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。
二、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hfe=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)
三、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．根据设计指标选取材料，确定材料参数，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，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。
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

四、物理参数设计
4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算
4.1.1各区掺杂浓度
本实验的晶体管的设计指标：T=300K时，集电极--发射极BVCEO=60V。NB=1016cm-3。
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。
BVCBO=n1+βBVCEO=31+50×60=222.5V （《半导体器件物理》P141）
注：n取2~4.

图1 击穿电压与杂质浓度的关系

因为现代工艺中多采用Si作为晶体管的衬底材料，根据要求VCBO=222.5V，读出集电区的掺杂浓度为 NC=2×1015cm-3。
一般的晶体管各区的浓度要满足NE>>NB>NC，因此，根据经验可取:
(1) 集电区杂质浓度取：NC=2×1015cm-3。
（2）基区杂质浓度取 ：NB=1×1016cm-3。
（3）发射区杂质浓度取：NE=1×1018cm-3。
4.1.2迁移率

图2 迁移率与杂质浓度的关系图

通过图2可以查出在300K时，集电区、基区和发射区各自的少子与多子的迁移率如下。

少子
多子（用于计算电阻率）
集电区C—P
μnC=1300cm2V.s
μpC=430cm2V.s
基区B----N
μpB=420cm2V.s
μnB=1150cm2V.s
发射区E---P
μnE=290cm2V.s
μpE=150cm2V.s
表1 各区少子和多子迁移率

4.1.2扩散系数与电阻率
根据公式可得少子的扩散系数：
根据爱因斯坦关系式可以求出各区少子的扩散系数
DC=k0Tqμnc=0.026×1300=33.8cm2/S
DB=k0TqμpB=0.026×420=10.92cm2/S
DE=k0TqμnE=0.026×290=7.54cm2/S
根据公式各区电阻率：
ρC=1pqμC=12×1015×1.6×10-19×1300≈2.4.cm（衬底电阻率）
ρB=1pqμB=11×1016×1.6×10-19×420≈1.48.cm
ρE=1pqμE=11×1018×1.6×10-19×290 ≈2.1-2.cm
（《半导体物理》P95）

4.1.3少子寿命和扩散长度

图3 P型硅中少子电子的寿命和扩散长度与参杂浓度的关系

图4 P型硅中少子空穴的寿命和扩散长度与参杂浓度的关系
为得到较合理的基区准中性宽度，少子寿命取如下经验值：
τC=10-4S τB=2×10-5S τE=5×10-6S
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：

根据公式，得到扩散长度：
=DCτC=33.8×10-6≈5.81×10-3cm
B=DBτB=10.92×10-6≈3.3×10-3cm
E=DEτE=7.59×10-7≈8.7×10-4cm
4.2 集电区宽度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 > (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:
WC>XmB=12=2×8.85×10-14×11.9×222.51.602×10-19×2×101512≈1.2×10-3cm=12μm
而增大集电区厚度会使串联电阻rcs增加，饱和压降VCES增大。为了不增加串联电阻又能提高二次击穿耐量，故取。
4.3 基区宽度WB的选择
（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g»1时，电流放大系数，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。因此基区宽度的最大值可按下式估计
WB<nB2β12=4×3.3×10-325012≈9.3×10-4=9.3μm
所以基区宽度的最大值为9.3um。
（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。当是三极管的击穿电压是雪崩击穿电压和穿通电压中较小的一个确定。
BVCBO=222.5V
Vpt=qWB22εNdcNdc+NaNdc=1.6×10-19×7.58×10-422×11.9×8.854×10-142×10152×1015+10162×1015=523V
所以击穿电压为222.5V。
由上得当没有发生传穿通时就发生了雪崩击穿。
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 :
= 2×8.854×10-14×11.91.6×10-19×1016×2×1015×222.51016+2×101512≈2.2μm
所以基区宽度的取值范围为：2.2μm<WB<9.3μm
（3）基区准中性宽度的计算
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5 平衡条件下的 pnp 三极管的示意图

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，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：VbiEB=k0TqlnNENBni2=0.026×ln1018×101610102≈0.838V
C-B结的内建电势： VbiBC=k0TqlnNCNBni2=0.026×ln2×1015×101610102≈0.676V
∵ 可以当成单边突变结处理
根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度为：

XnEB= 2kSε0q×VbiEBNB12
= 2×11.9×8.854×10-141.6×10-19×0.838101612≈3.2×10-5cm=0.32μm

根据公式,B-C结在基区一边的耗尽层宽度为XnCB：

XnCB= 2kSε0q×VbiCBNC12
= 2×11.9×8.854×10-141.6×10-19×0.6762×101512≈6.6×10-5cm=0.66μm
根据公式基区的准中性宽度：
βdc=1DEDBNBNEWLE+12WLB2
∴50=17.5410.9210161018W8.7×10-4+12W3.3×10-32
W
W≈6.6×10-4cm=6.6μm
由上述可得基区总宽度：
∴WB=W+XnCB+XnEB=6.6+0.66+0.32=7.58μm
满足条件：2.2μm <7.58μm<9.3μm ，这个宽度是允许的。
为方便计算与制作取WB=7μm
4.5 扩散结深的设计
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随着特征频率的提高，基区宽度WB变窄而减小到不满足SE>>Xj时，发射结变为旋转椭圆面旋转椭圆面。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
， 则：Xje＝WB＝7um
， 则：Xjc＝2WB＝14um
4.6 芯片厚度和质量的选择
本设计选用的是电阻率为的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。
4.7 晶体管的横向设计、结构参数的设计
4.7.1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6，三极管俯视图如图7 ？？？。区分结深与面积与基区宽度

C

E
B

图6 三极管剖面图
B
C

E

图6 三极管俯视图
4.7.2 基区、发射区与集电区面积的计算
4.7.2.1 基区面积的设计
基区面积的上下限由晶体管的热阻指标决定，其上限由功率增益指标决定。而下限值由下式决定：
，其中w为管芯晶片的厚度，硅的热导率κ=0.85W/℃•cm.
基区面积无特别要求，根据经验取有效的
4.7.2.2 发射区面积的设计
根据设计要求，涉及到集电极电流受基区电导调制效应的限制。有公式：
由于题目没有对面积作要求，取Ic=5mA
AE=ICWB2qDENE=5×10-3×7×10-42×1.6×10-19×7.54×1018≈1.5×10-6cm2=150μm2
4.7.2.3 集电区面积的设计
（可以认为是恒定的，但是实际上不是恒定的，如果要考虑实际情况就要看三极管的Ic-Uce曲线）
由最大饱和压降VCES≤2V可得到：
其中、为临界饱和时的结压降，通常V，可以到《半导体物理学》第七版，电子工业出版社一书的124页

AC=ICρCWCVCES-VJE-VJC=5×10-3×2.4×14×10-42-0.1≈8.8×10-6cm2=880μm2
另外，为满足散热要求， AC要取大一些。
故最终决定的三个区的面积分别为：AC=880μm2，AB=150μm2，AE=200μm2
五、工艺参数设计
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、工艺简单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，首先在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；保护环扩散推进完成后，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；集电区注入推进完成后，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；完成基区注入后，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；发射区注入完成后，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进之一就是增加一个集电区埋层，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本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程度上受其寄生参数的限制，在这些参数中最主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利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，利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。
工艺参数计算思路
计算思路：发射区扩散时间à氧化层厚度à在发射区扩散时基区扩散结深à基区扩散时间à基区掩蔽层厚度à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（在前面计算已将它计算在内了）。下表是计算扩散系数过程中要用到的：

5.1 工艺部分杂质参数
5.1 工艺部分杂质参数
杂质元素

磷（P）
3.85
3.66
硼（B）
0.76
3.46
表2 硅中磷和硼的与激活能
杂质元素

磷（P）

1.75
硼（B）

3.50
表3 二氧化硅中磷和硼的与激活能

图7硅中杂质的固态溶解度
5.2 基区相关参数的计算
5.2.1 基区磷预扩散时间
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）
由表3得磷在硅中的D0和激活能分别为:3.85和3.66eV
扩散系数：
DSi P=D0exp-EKT=3.85×exp-3.668.64×10-5×1073=2.77×10-17(cm2/s)

通过单位表面积扩散到硅片内部的杂质数量：

Q(t)=XJCNB+NC=14×10-4×（1016+2×1015）=1.68×1013cm2
Xjc？？？？？？？
根据公式可解得在特定温度下扩散的时间：
由图7得在800℃时，磷在硅中的固溶度为：1020cm-3
所以表面浓度取
根据公式可解得在特定温度下扩散的时间：
1.68×1013=2π×1020×2.77×10-17t
解得t=799s=13.3min
氧化层厚度：
氧化层厚度的最小值由预扩散（1073K）的时间t=799s来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求
磷（P）在温度1050℃时在中的扩散系数：
DSIO2 P=D0exp-EaKT=10-6×exp-1.758.614×10-5×1073=5.99×10-15cm2/s
由表3得B再Sio2中的D0=10-6cm2/s 激活能Ea=1.75eV
所以Xmin=4.6×5.99×10-15×799
解得：Xmin=0.946×10-5=1006
考虑到生产实际情况，基区氧化层厚度取为6000
基区再扩散的时间
PNP基区的磷再扩散的温度这里取1200℃，即1473K，则：
由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，XjC=X再扩=14μm
DSI P=D0exp-EaKT=3.85×exp-3.668.614×10-5×1473=1.14×10-12cm2/s
由表2得P在Si中的D0=3.85cm2/s 激活能Ea=3.66eV
由再扩散结深公式：
而且CS=1.5×1021，
通过单位表面积扩散到硅片内部的杂质数量：Q(t)=1.58×1013cm2
整理得：tlnt-2tlnCSCB+X22D=0
tlnt-2tln1.5×10212×1015+(14×10-4)22×1.14×10-12=0
化简得：tlnt-27t+859649=0
解得：t=53343=14.8h
5.3 发射区相关参数的计算过程
5.3.1 发射区预扩散时间
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)=XJENB+NE=7×10-4×（1016+1018）=7×1014cm2
DSi B=D0exp-EKT=0.76×exp-3.468.64×10-5×1223=4.57×10-15(cm2/s)
由图7可知。在950℃时硼在硅中的固溶度为，即此处的 。

7×1014=2π×1.5×1020×4.57×10-15t
解得：t=3740S=62min
5.3.2 氧化层厚度
氧化层厚度的最小值由预扩散（1223K）的时间t=3740s来决定的，且服从余误差分布，并根据假设可求
硼（B）在温度950℃时在中的扩散系数：
DSIO2 B=D0exp-EaKT=3×10-6×exp-3.58.614×10-5×1223=1.12×10-20cm2/s
由表3得B再Sio2中的D0=3×10-6cm2/s 激活能Ea=3.50eV
所以Xmin=4.6×1.12×10-20×3740
解得：Xmin=2.8×10-8=2.9
考虑到生产实际情况，发射区氧化层厚度取为7000???????NOT 6000?
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1200℃，即1473K，则：
由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，XjE=X再扩=7μm
DSI B=D0exp-EaKT=0.76×exp-3.468.614×10-5×1473=1.09×10-12cm2/s
由表3得B在Si中的D0=0.76cm2/s 激活能Ea=3.46eV
由再扩散结深公式：
而且CS=3×1020cm-3，
通过单位表面积扩散到硅片内部的杂质数量：Q(t)=7×1014cm2
整理得：tlnt-2tlnQCBπD+X22D=0
tlnt-2tln3×10201016+(7×10-4)22×1.09×10-12=0
化简得：tlnt-20.6t+224770=0
解得：t=21121s=5.8h
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6000，可以采用干氧－湿氧－干氧的工艺,
将6000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1000（0.1um），再湿氧4000（0.4um），再干氧1000（0.1um）
取干氧和湿氧的氧化温度为1200℃。
干氧氧化1000的氧化层厚度需要的时间为：
湿氧氧化4000的氧化层厚度需要的时间为：
所以，基区总的氧化时间为：

图8 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7000，可以采用干氧－湿氧－干氧的工艺,将7000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
即先干氧1000（0.1um），再湿氧5000（0.5um），再干氧1000（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1000的氧化层厚度需要的时间为：
湿氧氧化5000的氧化层厚度需要的时间为：
所以，发射区总的氧化时间为：
六、物理参数与工艺参数汇总
采用外延硅片，其衬底的电阻率为2.4的P型硅，选取<111>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

少子迁移率
1300
420
290
扩散系数
33.8
10.92
7.54
电阻率
2.4
1.48
2.1
少子寿命

扩散长度

结深/W()

/

面积(2)
880
200
150
扩散温度(℃)和
时间
预扩散
/
800℃,799
950℃,3720
再扩散
/
1200℃,53280
1200℃,20880
氧化层厚度()
/
6000
7000
氧化时间
/
先干氧氧化20.4分钟，后湿氧氧化16.2分钟，再干氧氧化20.4分钟，共氧化57分钟。
先干氧氧化20.4分钟，后湿氧氧化24分钟，再干氧氧化20.4分钟，共氧化64.8分钟
表4 物理参数与工艺参数汇总表

七、工艺流程图
PNP晶体管生产总的工艺流程图：
1.衬底材料的选择与清洗

P-Si

选取P型的抛光硅片做衬底材料,电阻率大约为2.4Ω·cm，厚度为几百微米，晶向为<111>
用NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5的Ⅰ号洗液、HCl:H2O2:H2O=1:1:6的Ⅱ号洗液。先用去离子水清洗10min，再用以1号液清洗，煮沸后15min放在95 ℃烘干炉里烘干。
图9：衬底材料的选择与清洗

2.基区氧化
SiO2

对清洗后的硅片进行一次氧化，在温度为1200℃时。采用干氧——湿氧——干氧的方法，干氧20.4min，湿氧16.2min，干氧20.4min，共氧化57min。大概生长6000埃的氧化层。用比色法测量氧化层厚度。

P-Si

在这里的作用？？？

图10: 基区氧化

3.光刻基区
SiO2 紫外光 SiO2

P-Si

将氧化后得到的样片进行光刻，刻出磷扩基区，
涂光刻胶1-2um，950到450转/分钟，
用紫外光曝光，200W曝光25s,
100-140摄氏度坚膜20-30分钟,
用有机溶剂或者等离子体去胶，
面积为 AB=14x14=200um2
图11: 基区氧化

4.基区磷预扩散

SiO2 P掺杂 SiO2

P-Si

杂质浓度：cm-3
预扩散温度：800℃
预扩散时间：799s

图12: 磷预扩散
5．去氧化膜

硅片用Ⅱ号洗液清洗10分钟，冲洗干净甩干，除去氧化膜。

P-Si

图13: 去氧化膜

6．基区磷再扩散与发射区氧化

P-Si
SiO2

N
再扩散温度：1200℃
再扩散时间：14.8h
结深：14um
氧化一层氧化膜作为掩蔽膜，干氧20.4min，湿氧24min，干氧20.4min，共氧化57min。大概生长7000 图14:磷再扩散与发射区氧化 埃的氧化层。用比色法测量氧化层厚度。

7.光刻发射区
紫外光
N

P-Si

SiO2 SiO2

将氧化后得到的样片进行光刻，刻出硼扩发射区，
涂光刻胶1-2um，950到450转/分钟，
用紫外光曝光，200W曝光25s,
100-140摄氏度坚膜20-30分钟,
用有机溶剂或者等离子体去胶，
图15: 光刻发射区 面积为 AE=150um2（约12.2x12.2um）
8.磷预扩散

N

P-Si
硼预扩散
SiO2 SiO2

杂质浓度：1×1018
预扩散温度：950℃
预扩散时间：3720s

图16: 磷预扩散

9.去氧化膜
N

P-Si

硅片用Ⅱ号洗液清洗10分钟，冲洗干净甩干，除去氧化膜。

图17: 去氧化膜

10.磷再扩散
P

N

P-Si

再扩散温度：1200℃
再扩散时间： 5.8h
结深: 7um

图18: 磷再扩散

11.沉积保护层（氧化）

N

P-Si
P

沉积一层氧化层，保护晶体管各区杂质浓度不变。干氧20.4min，湿氧24min，干氧20.4min，共氧化57min。大概生长7000埃的氧化层。用比色法测量氧化层厚度。

图19: 沉积保护层（氧化）

12.光刻接触孔
P

N

P-Si

光刻引线孔。

图20: 光刻接触孔

13. 金属化填充
P

N

P-Si

蒸铝，用蒸发或溅射的方法在硅片表面淀积一层金属铝。使Al与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触，在450℃、N2-H2气氛下处理30分钟；在低温条件下(小于300℃)淀积氮化硅，刻蚀氮化硅，形成钝化层。

图21: 金属化填充
14.光刻接触电极 P

N

P-Si

光刻铝，按电路要求刻出相应的铝条形状，完成电路中各元件之间的互连。

图22: 光刻接触电极
15.参数检测
P

N

P-Si

在晶体管图示仪下测量输出特性曲线，测出β、VCEO和VCBO ，验证参数的正确性

图23: 参数检测

八、生产工艺流程
8.1 硅片清洗
半导体的重要特性之一是对杂质十分敏感，微量的杂质就会对半导体的物理性质有所影响。而工艺中因化学试剂、生产工具或者长时间暴露在空气等，都可能给硅片带来明显的杂质沾污。
化学清洗是指清除吸附在半导体、金属材料以及用具表面上的各种有害杂质或油污，清洗的方法是利用各种化学试剂和有机溶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，然后用大量高纯冷热去离子水冲洗，从而获得洁净的表面。
8.1.2清洗过程用到的药品
名称
配方
使用条件
作用
备注
Ⅰ号洗液
NH4OH:H2O2:H2O
=1:1:5
80±5℃
10min
去油脂
去光刻胶残膜
去金属离子
去金属原子

Ⅱ号洗液
HCl:H2O2:H2O
=1:1:6
80±5℃
10min
去金属离子
去金属原子

III号洗液
H2SO4：H2O2=3：1
煮沸
5min
去有机物
去金属离子
去光刻胶

去离子水

热、冷
清洗

表5清洗过程用到的药品
8.1.3 硅片衬底的清洗方法
1．配备NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5 Ⅰ号洗液
2.将硅片放置在Ⅰ号洗液中，直至煮沸。
3.煮沸15min后取出
4.用去离子水冲洗10min
8.2 热氧化工艺
8.2.1 氧化原理
二氧化硅具有极稳定的化学性和电绝缘性，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，而且对某些杂质（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用。热生长制造二氧化硅工艺设备简单，操作方便，SiO2膜较致密，所以采用热氧化二氧化硅制备工艺。
热氧化制备SiO2工艺就是在高温和氧化物质（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。在热氧化的过程中，氧化反应将在SiO2-Si界面处进行，而不发生在SiO2层的外表层；Si与SiO2的界面会向硅内部迁移，硅的热氧化有一个洁净的界面，使氧化剂中的沾污物留在SiO2的表面。生长一个单位厚度的SiO2需要消耗0.44个单位厚度的硅层。反应方程式：O2+Si→SiO2；H2O+Si→SiO2+H2
氧化方法分为水汽氧化、湿氧氧化和干氧氧化。而本实验，采用干氧——湿氧——干氧的方法，在温度为1200℃下对清洗后的硅片进行一次氧化。
干氧氧化：在高温下氧直接与硅片反应生长二氧化硅的方法。炉内气体压力应比一个大气压稍高些以防止外部气体污染。氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干燥，均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶接触良好、粘附好，光刻时不易产生浮胶，但是生长速率最慢；反应方程式：
湿氧氧化：将干燥纯净的氧气在通入氧化炉前先经过一个水浴瓶，使氧气通过加热的高纯去离子水，携带一定量的水汽（水汽的含量由水浴温度－通常95℃左右和气流决定。水比氧在二氧化硅中有更高的扩散系数和大得多的溶解度，所以湿氧氧化有较高的氧化速度。反应方程式：
8.2.2 氧化工艺步骤
（1）打开氧化炉，设定温度程序，该实验将温度设在850℃。升温速度为每分钟5℃；氧气流量2升/分钟；
（2）将用I号液清洗好的硅片用镊子夹住装入石英舟，戴好耐高温手套然后打开净化台，用将石英舟推倒恒温区（中部），并开始升温；
3）氧化温度达到1200℃后，设定氧气流量3升/分钟，并开始计时，干氧20min24s。在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到95-98℃。
（4）干氧完成后，立即开湿氧