器件物理课程设计npn双极型晶体管的设计

1.课程设计目的与任务书………………………………………………………2 2.物理参数设计…………………………………………………………………3 各区搀杂浓度及相关参数的计算………………………………………3 集电区厚度Wc的选择……………………………………………………6 基区宽度WB………………………………………………………………6 扩散结深…………………………………………………………………10 芯片厚度和质量…………………………………………………………10 晶体管的横向设计、结构参数的选择…………………………………10 3.工艺参数设计…………………………………………………………………11 工艺部份杂质参数………………………………………………………11 基区相关参数的计算进程………………………………………………11 发射区相关参数的计算进程……………………………………………13 氧化时刻的计算…………………………………………………………14 4.设计参数总结…………………………………………………………………16 5.工艺流程图……………………………………………………………………17 6.生产工艺流程…………………………………………………………………19 7.版图……………………………………………………………………………28 8.心得体会……………………………………………………………………29 9.参考文献……………………………………………………………………30

课程设计任务书

题目名称 学生学院 专业班级 姓 名 学 号

npn双极型晶体管的设计

材料与能源学院

一、课程设计的内容

设计一个均匀搀杂的npn型双极晶体管，使T=300K时，hfe=120,BVCBO=80V.晶体管工作于小注入条件下，设计时应尽可能减小基区宽度调制效应的阻碍。

二、课程设计的要求与数据

1．了解晶体管设计的一样步骤和设计原那么健康

2．依照设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区搀杂浓度NE, NB,和NC, 依照各区的搀杂浓度确信少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命等。

3．依照要紧参数的设计指标确信器件的纵向结构参数，包括集电区厚度Wc，大体宽度Wb，发射区宽度We和扩散结深Xjc, 发射结结深Xje等。

4．依照扩散结深Xjc, 发射结结深Xje等确信基区和发射区预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时刻；由扩散时刻确信氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化时刻。 5．依照设计指标确信器件的图形结构，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. 依照现有工艺条件，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 1 设计各阶段内容 地点 起止日期 教师布置设计任务，讲解设计要求和方法 教1-403 学生熟悉设计任务，进行资料查阅和整体图书馆， 设计方案的制定 教1-403 图书馆， 设计晶体管的材料参数 教1-403 图书馆， 设计晶体管的纵向结构参数 教1-403 教师集中辅导，分析设计中存在的主要问 教1-403 题 设计纵向结构参数, 绘制光刻基区、发射 教1-403 区和金属化的版图 图书馆， 教1-403 工艺操作步骤设计 教师集中辅导和检查版图和工艺操作的设 教1-403 计 图书馆， 教1-403 写课程设计报告 五、应搜集的资料及要紧参考文献

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： 2021 年 1 月 12 日 指导教师签名：

打算完成日期： 2021年 1月 24日 基层教学单位责任人签章：

主管院长签章：

二、物理参数设计

各区搀杂浓度及相关参数的计算

击穿电压要紧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，在知足击穿电压要求的前提下，尽可能降低电阻率，并适当调整其他参量，以知足其他电学参数的要求。

关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搀杂的外延层。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，关于Si器件击穿电压为VB610（NBC） ， 由此可得集电区杂质浓度为：

61013361013 NC（）（)3

n1BVBVCBOCEO441334由设计的要求可知C-B结的击穿电压为： BVCBO80V 依照公式,可算出集电区杂质浓度：

610133610133NC（）（)6.8141015cm3BVCBO80

一样的晶体管各区的浓度要知足NE>>NB>NC，依照以往的体会可取:

44NB10NC,NE100NB

即各区的杂质溶度为：

NC6.8141015cm3，NB6.8141016cm3，NE6.8141018cm3

图1 室温下载流子迁移率与搀杂浓度的函数关系（器件物理P108）

依照图1，取得少子迁移率：

CP450Bn900

EP160

依照公式可得少子的扩散系数：

KTDCC0.02645011.7qKTDBB0.02690023.4qKTDEE0.0261604.16

q

图2 搀杂浓度与电阻率的函数关系（器件物理P59）

依照图2，可取得不同杂质浓度对应的电阻率：

C0.71•CMB0.28•CM E0.0061•CM

依照体会，可取得各区的少子寿命C、B和E

依照公式得出少子的扩散长度：

C106S

B10-6S E107S

LCDCC3.42103cmLBDBB4.8103cmLEDEE6.45104cm

集电区厚度Wc的选择

依照公式求出集电区厚度的最小值为：

WCXmB11420SBVCBO128.851011.880[]2[]239.1105cm3.91um1915qNC1.6106.81410

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，应选择WC=8μm 基区宽度WB （1）基区宽度的最大值

关于低频管，与基区宽度有关的要紧电学参数是γ，因此低频器件的基区宽

WB2度最大值由γ确信。当发射效率γ≈1时，电流放大系数[2]，因此基区

LB11L2宽度的最大值可按下式估量：WB[B]2

为了使器件进入大电流状态时，电流放大系数仍能知足要求，因此设计进程中取λ=4。依照公式,求得低频管的基区宽度的最大值为：

L2B12WB.max8.76um

由公式可看出，电流放大系数β要求愈高，那么基区宽度愈窄。为提高二次击穿耐量，在知足β要求的前提下，能够将基区宽度选的宽一些，使电流在传输进程中慢慢分散开,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，关于高耐压器件，基区宽度的最小值由基区穿通电压决定,此处BVCBO80V，关于均匀基区晶体管，当集电结电压接近雪崩击穿时，基区一侧的耗尽层宽度为：

120SNDXB,min[BVCBO]2qNANAND120SNC[BVCBO]2qNBNBNC211.88.8510146.81410152[80] 1.610196.81410166.81410166.8141015 0.373104cm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。 那么由上述计算可知基区的范围为：0.373mWB8.76m （3）基区宽度的具体设计

与PN结二极管的分析类似，在平稳和标准工作条件下，BJT能够看成是由两个独立的PN结组成，它在平稳时的结构图如下所示：

1 WB N P N W 图4 平稳条件下的PNP三极管的示用意

具体来讲，由于NENB，因此E-B耗尽区宽度（WEB）可近视看做全数位于基区内，又由NBNC，取得大多数C-B耗尽区宽度（WCB）位于集电区内。因为C-B结轻搀杂一侧的搀杂浓度比E-B结轻搀杂一侧的浓度低，

因此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；也确实是说，关于NPN晶体管，有：WBWxnEBxnCB

其中xnEB和xnCB别离是位于N型区内的E-B和C-B耗尽区宽度，在BJT分析中W指的确实是准中性基区宽度。 E-B结的内建电势为：

VbiEBkTNENB6.81410186.8141016ln0.026ln0.938V 2102qni(10)C-B结的内建电势为：

VbiCBkTNCNB6.81410156.8141016ln0.026ln0.758V 2102qni(10)依照公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度xnEB为： ∵NENB ，能够当做单边突变结处置

XnEB2KS02KsoNEVbiEBVbiEBqNNNqNBEBB

14121212211.88.85100.93851.3410cm0.134um 19161.6106.81410 

C-B结在基区一边的耗尽层厚度xnCB为：

2KNCXnCBS0(VbiEB-VCB)qNBNCNB

穿通时有W0，则WBXnEBXnCB012VCBVbiCB-XnEB0.7581444714446.242V2KS0NC

qNBNCNB2B,maxW

则VCBVCBO

2KNC所以有XnCBS0VbiEBqNBNCNB

211.88.85106.814100.7581.610196.81410166.81410156.8141016 

0.363105cm0.0363um14151212关于准中性基区宽度W，依照公式有：

dc

1DENBW1WDBNELE2LB2

124.166.81410165.4210415.42104

323.46.81410186.4510424.810 120 解得W=

WBWXnEBXnCB5.250.1340.03635.42um

解得的β接近于设计的要求，符合设计指标，因此基区宽度为WB5.42m， 知足条件0.373mWB8.76m。 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紧密，它随结深变浅，曲率半径减小而降低，因此为了提高击穿电压，要求扩散结深一些。但另一方面，结深却又受条宽限制，由于基区积存电荷增加，基区渡越时刻增加，有效特点频率就下降，因此，通常选取：

反射结结深为XjeWB5.42um 集电结结深为Xjc2WB10.84um 芯片厚度和质量

本设计选用的是电阻率为0.7cm的N型硅，晶向是<111>。硅片厚度要紧由集电结深、集电区厚度、衬底反扩散层厚度决定。同时扩散结深并非完全一致，在测量硅片厚度时也存在必然误差。因此在选取硅片厚度时必需留有必然的的余

量。衬底厚度要选择适当，假设太薄，那么易碎，且不易加工；假设太厚，那么芯片热阻过大。因此，在工艺操作进程中，一样硅片的厚度都在300um以上，但最后要减薄到150～200um。硅片的质量指标主若是要求厚度均匀，电阻率符合要求，和材料结构完整、缺点少等。 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，是依照晶体管要紧电学参数指标的要求，选取适合的几何图形，确信图形尺寸，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。 这次设计的晶体管只是一般的晶体管，对图形结构没有专门的要求，因此只是采纳一般的单条形结构。三极管剖面图如图5，三极管俯视图如图6。

CBE 图5：三极管剖面图

CBE 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。

3、工艺参数设计 工艺部份杂质参数 杂质元素 磷（P） 硼（B） D0(cm2/s) Ea(eV) 表1 硅中磷和硼的D0与Ea 基区相关参数的计算进程 预扩散时刻

NPN基区的硼预扩散的温度取900℃，即1173K。 单位面积杂质浓度：

Q(t)(NBNC)Xjc(6.81410166.8141015)10.841048.131013cm2

由上述表1可知硼在硅中有：DO0.76cm2/s Ea3.46eV

所以，DD0exp(Ea3.46152)0.76exp()1.0210cm/s5kT8.614101173

有上图可知取CS61019cm3 由公式 Q(t)2CSDt ，得出基区的预扩散时刻：

2Q2(t)8.1310133.14t1416s23.6min 24CSD46101921.021015 氧化层厚度

氧化层厚度的最小值由预扩散（1173K）的时刻t=1416s来决定的，且服从余误差散布，并依照假设可求xmin4.6DSiO2t ，由一些相关资料可查出硼（B）在温度900℃时在SiO2中的扩散系数：DSiO261015cm2/s

所以，xmin4.6DSiO2t4.66101514161.3410cm1340A

50考虑到生产实际情形，基区氧化层厚度取为6000A。 基区再扩散的时刻

NPN基区的硼再扩散的温度那个地址取1200℃即1473K

所以，DD0exp(Ea3.46)0.76exp()1.091012cm2/s5kT8.6141014730D1.021012cm2/s

由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，XjCX.再扩10.84m 由再扩散结深公式：X再扩2DtlnCSCB，

而且CSQ ，CBNC6.8141015cm3 Dt2故可整理为： X再扩X2再扩Q4Dtlntlnt2tln0 2DCBDtCBDQ8.131013即tlnt2tln15126.814103.141.021010.8410421.0210120 2通过化简得： tlnt17.6t97921.30 解得基区再扩散的时刻： t== 发射区相关参数的计算进程 预扩散时刻

NPN发射区的磷预扩散的温度那个地址取950℃，即1223K。 单位面积杂质浓度：

Q(t)(NBNE)Xje(6.81410166.8141018)5.421043.731015cm2

由上述表1可知磷在硅中有：DO3.85cm2/s Ea3.66eV

所以，DD0exp(Ea3.66)3.85exp()3.141015cm2/s 5kT8.614101223查图可知CS81020cm3 由公式 Q(t)2CSDt ，得动身射区的预扩散时刻：

2Q2(t)3.7310153.14t5434.7s90min 24CSD48102023.141015 氧化层厚度

氧化层厚度的最小值由预扩散（1223K）的时刻t=来决定的，且服从余误差散布，并依照假设可求xmin4.6DSiO2t ，由一些相关资料可查出磷（P）在温度950℃时在SiO2中的扩散系数：DSiO22.21014cm2/s

所以，xmin4.6DSiO2t4.62.210145434.75.02910cm5029A

050考虑到生产实际情形，基区氧化层厚度取为7000A。 发射区再扩散的时刻

NPN发射区的磷再扩散的温度那个地址取1170℃，即1443K，那么 DD0exp(Ea3.66132)3.85exp()6.2810cm/s 5kT8.614101443由于预扩散的结深很浅，可将它忽略，故，XjeX.再扩5.42m 由再扩散结深公式：X再扩2DtlnCSCB，

而且CSQ ，CBNB6.8141016cm3 Dt2故可整理为： X再扩X2再扩Q4Dtlntlnt2tln0 2DCBDtCBDQ3.731015即tlnt2tln16136.814103.146.2810通过化简得： tlnt21.1t2338880 解得基区再扩散的时刻： t==

5.4210426.2810130 2 氧化时刻的计算 基区氧化时刻

由前面得出基区氧化层厚度是6000A，能够采纳干氧－湿氧－干氧的工艺, 将6000A的氧化层的分派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（），再湿氧4000A（），再干氧1000A（） 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刻为：t10.34h20.4min 湿氧氧化4000A的氧化层厚度需要的时刻为：t20.27h16.2min 因此，基区总的氧化时刻为：t2t1t2220.416.257min

0000000

图7 氧化时刻与氧化厚度的关系图

发射区氧化时刻

由前面得动身射区氧化层厚度是7000A，能够采纳干氧－湿氧－干氧的工艺,将7000A的氧化层的分派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1000A（），再湿氧5000A（），再干氧1000A（） 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刻为：t10.34h20.4min 湿氧氧化5000A的氧化层厚度需要的时刻为：t20.4h24min 因此，发射区总的氧化时刻为：t2t1t2220.42464.8min 4、设计参数总结

相关参数 各区杂质浓度NXcm3 少子迁移率Xcm2/Vs 少子扩散系数DXcm2/s 电阻率X•cm 少子寿命X集电区C 6.8141015 0000000基区B 6.8141016 发射区E 6.8141018 450 106 900 106 160 107 s 扩散长度LXcm 结深/W(m) 3.42103 4.8103 WB5.42m 6.45104 Xje5.42m XjC10.84m 面积(m) 扩散温度(℃)和 预扩散 再扩散 21200 / / 600 900℃, 1200℃, 100 950℃, 90min 1170℃, 时间 氧化层厚度(A) 0/ 6000 先干氧氧化分钟，7000 先干氧氧化分钟，后湿氧氧化24分钟，再干氧氧化分钟，共氧化分钟 氧化时间 / 后湿氧氧化分钟，再干氧氧化分钟，共氧化57分钟。 表2 设计参数总表 五、工艺流程图

NPN晶体管生产总的工艺流程图如下:

<111>晶向，

1.硅片清洗

C0.7cm的n型

硅片，用NH4OH:H2O2:H20=1:1:6比

例的I号洗液清洗

2.氧化

氧化一层氧化膜做为掩蔽膜。

3.光刻基区

在掩膜版上光刻一个基区窗口，面积为

AB3020600m2

4.硼预扩散

316杂质浓度为6.81410cm

预扩散温度：900℃

预扩散时间：

5.去膜氧化

6.硼再扩散与发射区氧化

7.光刻发射区

8.磷预扩散

9.去氧化层

将预扩散中掺入杂质的氧化层通过

清洗工艺去除

再扩散温度：1200℃

再扩散时间：

基区结深：10.84um氧化一层氧化膜作为掩蔽膜

在掩膜版上光刻一个发射区窗口，面积为：AE1010100m2

杂质浓度：6.8141018cm3

预扩散温度：950℃

预扩散时间：

将预扩散中掺入杂质的氧化层通过清洗工艺去除

10.磷再扩散

再扩散温度：1170℃

11.沉积保护层

再扩散时间:

发射区结深:5.42um

保护晶体管各区杂质浓度不变

12.光刻接触孔

13.金属化

14.光刻金属孔

15. 参数检测

六、生产工艺流程 硅片清洗 1.清洗原理：

用晶体管测试仪测试相关参数，验证参数的正 确性

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切硅片表 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，避免颗粒再沉积。 通过对污染物进行化学侵蚀、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。经常使用硅片清洗液有： 名称 配方 使用条件 80±5℃ 10min 作用 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→1:2:8 Ⅲ号洗液 H2SO4:H2O2 =3:1 80±5℃ 10min 120±10℃ 10~15min 去金属离子 去金属原子 去油、去腊 去金属离子 去金属原子

氧化工艺 氧化原理

二氧化硅能够牢牢地依附在硅衬底表面，具有极稳固的化学性和电绝缘性，因此，二氧化硅能够用来作为器件的爱惜层和钝化层，和电性能的隔离、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，从而能够选择扩散；正是利用这一性质，并结合光刻和扩散工艺，才进展起来平面工艺和超大规模集成电路。

制备二氧化硅的方式很多，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，因此采纳热氧化二氧化硅制备工艺。

Ⅰ号洗液 NH4OH:H2O2:H2O =1:1:5→1:2:7 热生长的方式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。实验说明，水汽氧化法：生长速度最快，但生成的SiO2层结构疏松，表面有斑点和缺点，含水量多，对杂质专门是磷的掩蔽以力较差，因此在器件生产上都不采纳水汽氧化法。 （1）干氧法: 生长速度最慢，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，钝化成效好，SiO2膜表面与光刻胶接触良好，光刻时不易浮胶。

（2） 湿氧法:生长速度介于前二者之间，生长速度可通过炉温或水浴温度进行调整。利用灵活性大，湿氧法生长的SiO2膜，尽管致密性略差于干氧法生长的SiO2膜，但其掩蔽能力和钝化成效都能知足一样器件生产的要求，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。生产中采纳扬长避短的方式，充分利用湿氧和干氧的优势，采纳干氧—湿氧—干氧交替的方式。 依照迪尔和格罗夫模型，热氧化进程须经历如下进程：

（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，流密度概念为单位时刻通过单位面积的粒子数。

（2）氧化剂以扩散方式穿过SiO2层（忽略漂移的阻碍），到过SiO2-Si界面，其流密度用F2表示。

（3）氧化剂在Si表面与Si反映生成SiO2，流密度用F3表示。 （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）、温度和气压有紧密关系。应用于集成电路掩蔽的热氧化工艺一样采纳干氧→湿氧→干氧工艺制备。 氧化工艺步骤

（1）开氧化炉，设定升温程序，升温速度不超过每分钟5℃，以避免加热丝爱惜涂层脱落，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，确信干氧时刻。氧化时刻为。在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到95-98℃。干氧完成后，当即开湿氧流量计，当即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计，开始计时，其中基

区扩散需要湿氧氧化时刻为，发射区扩散需要湿氧氧化时刻为24min，抵达时刻后关闭湿氧流量计；

（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，确信干氧时刻为，抵达时刻后关闭湿氧流量计；

（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，降温时刻30分钟；

（6）将石英舟拉出，并在净化台内将硅片掏出，同时，检测氧化层表面状况和厚度；

（7）关氧化炉，关气体。 测量氧化层厚度

测量厚度的方式很多，有双光干与法、电容—压电法、椭圆偏振光法、侵蚀法和比色法等。在精度不高时，可用比色法来简单判定厚度。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与条纹，从而大致判定氧化层的厚度，测量时先用HF侵蚀表层，然后用去离子水冲洗干净，最后将硅片上的颜色和条纹与下表数值对照，读出氧化层厚度。 颜色 氧化膜厚度氧化膜厚度氧化膜厚度氧化膜厚度（埃） 第一周期 灰 黃褐 蓝 紫 深蓝 绿 黃 橙 红

光刻工艺

100 300 800 1000 1500 1850 2100 2250 2500 （埃） 第二周期 2750 3000 3300 3700 4000 4350 （埃） 第三周期 4650 4900 5600 5600 6000 6250 （埃） 第四周期 6500 6800 7200 7500 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、侵蚀等工序。集成电路对光刻的大体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，百万以上元件组成的集成电路，其图形最小条宽≤1um，因此，集成度提高那么要求条宽越细，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，代表集成电路进展的水平。

（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，曝光时刻应短，这就要求光刻胶的灵敏度要高。

低缺点：若是一个集成电路芯片上显现一个缺点，那么整个芯片将失效，集成电路制造进程包括几十道工序，其中光刻工序就有10多次，因此，要求光刻工艺缺点尽可能少，不然，就无法制造集成电路。

周密的套刻对准：集成电路的图形结构需要多此光刻完成，每次曝光都需要彼此套准，因此集成电路对光刻套准要求超级高，其误差许诺为最小条宽的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，未曝光部份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，由于光化反映交链成难溶大分子而留下，未曝光部份溶于显影液而去掉。由此完成图形复制。本次采纳正光刻胶。 工艺步骤 1. 预备：

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，慢速转速为960r/min，时刻

5s，5s后调整快转速为3960r/min，时刻25s。以知足生产要求。

C) 光刻前30分钟，开启光刻机汞灯。 D) 开启侵蚀恒温槽，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：

光刻工艺采纳旋转涂胶法，涂胶前设定好予匀转速和时刻，甩干速度和时刻。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、无缺点、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95℃，15min完成后将硅片掏出， 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、检查曝光时刻为25s，确认无误后，进行曝光。 6. 显影

此采纳浸泡显影，别离在1#显影液，2#显影液%NaOH显3-5分钟，然后在定影液定影3-5分钟，以后在甩干机中甩干，在显微镜下检查是不是合格，不然，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，设定坚膜时刻2min，温度130℃。 8. 侵蚀

将坚膜好的硅片预备侵蚀，第一确认氧化层厚度，其中基区氧化层厚度为6000A,发射区氧化层厚度为7000A，计算侵蚀时刻。然后用HF侵蚀，侵蚀后冲水10分钟，甩干后在显微镜下检查是不是侵蚀干净，假设未侵蚀干净继续侵蚀。 9. 去胶

硅片侵蚀完成后，在3#液中将光刻胶去掉，并冲洗干净，工艺终止。

磷扩散工艺（基区扩散） 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，各类分离器件和集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散，磷扩散工艺是将必然数量的磷杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片原先的电学性质。

磷扩散是属于替位式扩散，采纳预扩散和再扩散两步扩散法， （2）预扩散磷杂质浓度散布方程为：

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）,他为扩散时刻。此散布为余误差散布。

（3）再扩散（主扩散）

磷再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度散布方程为：

x2Qexp()4D2t

N(x,t)D2t其中Q为扩散入硅片杂质总量：

QN(x,t)dt

0D2为主扩散（再散布）温度的扩散系数。杂质散布为高斯别离。 工艺步骤（基区）

1.预备：开扩散炉，并将温度设定倒700--750℃，开氮气流量3升/分钟。本实验采纳液态源扩散（BBr3），源温用低温恒温槽维持在5℃之内。 2.硅片清洗：清洗硅片（见清洗工艺）将清洗好的硅片甩干。

3.将从石英管中掏出石英舟，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。 4.调剂温控器，使温度达到预，硼预扩散温度900℃，时刻为.

5.干氧完成后，开氮气流量计，按工艺条件调剂氮气氧气比例，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，维持氮气、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。以后，拉出石英舟，掏出硅片，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.掏出再扩散石英舟，将甩干的硅片装入石英舟，并将石英舟推到恒温区。 9.调剂温控器，使温度达到再扩散温度1200℃，时刻。调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，依照工艺条件进行干氧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，

当即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。依照工艺条件进行湿氧36分钟。 11.湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并依照工艺条件确信干氧时刻为11分钟。

12.干氧完成后，开氮气流量计，流量3升/分钟，依照工艺条件，确信氮气时刻328分钟。

13.氮气完成后，主扩散终止，调整温控器降温，氮气流量不变，时刻30分钟。 14.降温完成后，拉出石英舟，掏出硅片。 磷扩散工艺(发射区扩散) 原理

扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动形式，各类分离器件和集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散，硼扩散工艺是将必然数量的硼杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片原先的电学性质。

硼扩散是属于替位式扩散，采纳预扩散和再扩散两个扩散完成。 （1）预扩散硼杂质浓度散布方程为：

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）,他为扩散时刻。此散布为余误差散布。

（2）再扩散（主扩散）

硼再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度散布方程为：

x2Qexp()4D2t N(x,t)D2t其中Q为扩散入硅片杂质总量：QN(x,t)dt

0D2为主扩散（再散布）温度的扩散系数。杂质散布为高斯散布。 工艺步骤（发射区） 1. 工艺预备

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，并倒好磷源（液态源，POCl3） 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。 3. 将清洗干净、甩干的硅片涂上磷源。

4. 从石英管中掏出石英舟，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。调剂温控器，使温度达到磷预扩散950℃，并开始计时，时刻是90min。 5. 预扩散完成后，拉出石英舟，掏出硅片，漂去磷硅玻璃，冲洗干净后，检测R□值,用四探针法进行测量。

6.将预扩散硅片用2#液清洗，冲洗干净甩干。

7.掏出再扩散石英舟，将甩干的硅片装入石英舟，并将石英舟推到恒温区。调剂温控器，使温度达到1170℃，时刻，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，同时依照工艺条件先进行干氧氧化。

8.调剂氧气调整氧气流量为3升/分钟，并开始计时，干氧时刻是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，按工艺条件调剂氮气氧气比例，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，当即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。依照工艺条件进行湿氧，湿氧时刻是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，并依照工艺条件确信干氧时刻，干氧时刻是17分钟。

12.干氧完成后，开氮气流量计，流量3升/分钟，依照工艺条件，确信氮气时刻54分钟。

13.氮气完成后，再扩散终止，调整温控器降温，氮气流量不变，时刻30分钟。 14.降温完成后，拉出石英舟，掏出硅片，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.依如实测β值，与工艺要求进行比较，若是不知足工艺条件，从头计算再扩散时刻，并制定再扩散工艺条件，至抵达到设计要求。硼扩散工艺终止。 7、版图

发射区光刻图

基区光刻图

八、心得体会

通过这次的课程设计，使我对集成电路制造技术有更深层次的明白得，和对器件物理的理论知识与实际器件制造相结合，更好的连接了理论知识和实践，通过本次课程设计，加倍清楚的熟悉到集成电路制造的工艺参数准确度高，如温度误差操纵在1度之内，平稳生产效率和产品质量之间的关系是成立在丰硕的实验基础之上的。 九、参考文献

1.半导体器件物理（第二版），，2020年2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，2020年9月 3.半导体物理学， 刘恩科著，电子工业出版社，2020年3月

4.半导体器件——物理与工艺，赵鹤鸣等编，苏州大学出版社，2007年1月 5.有效集成电路工艺手册，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