微电子工艺作业指导书样板.docx
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微电子工艺作业指导书样板
微电子制造工艺文件
项目名称：
三极管（NPN型）制造工艺文件
项目编号：
团队负责人：
谢威
团队成员：
金腾飞、崔仕杰、朱二梦
刘铭冬、姚启、周涛
指导教师：
陈邦琼
文件页数：
55页
2016年9月23日
工艺文件目录
编号
名称
编者
1
引言
朱二梦
2
三极管（NPN）示意图
刘铭冬
3
制造工艺流程
朱二梦
4
工艺参数设计
金腾飞
5
制作过程
崔仕杰
6
三极管管芯制造工艺
姚启
7
作业指导书
谢威
8
光刻（模板图）
周涛
9
总结
朱二梦
备注
参考文献
引言
电子工业在过去40年间迅速增长，这一增长一直为微电子学革命所驱动。
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。
在这期间每项变革对人们的生产、生活方式产生了重大的影响。
也正是由于微电子技术领域的不断创新，才能使微电子能够以每三年集成度翻两番、特征尺寸缩小倍的速度持续发展几十年。
在过去的几十年里，双极型晶体管做为微电子产业的基石有着无以伦比的作用。
虽然近年来，随着金属-氧化物-半导体都场效应晶体管（MOSFET）技太迅速发展，双极型晶体管的突出地位受到了严重挑战。
但它在模拟电路领域仍然有着广泛的应用，发挥着不可取代的作用。
在这样的大环境下，了解晶体管的功能、工艺流程及工艺参数是十分必要的，这就是本实验的目的。
二、NPN三极管设计
1.1、晶体管结构示意图
1.2、三极管的分类
三、制造工艺流程
衬底制备
衬底采用轻掺杂的P型硅，掺杂浓度一般在1015/cm3数量级，采用的硅晶片晶面的晶向指数为（100）。
掺杂浓度较低可以减少集电极的结电容，提高集电结的击穿电压，但掺杂浓度过低会使埋层推进过多
1.埋层制备
为了减小集电区的串联电阻，并减小寄生PNP管的影响，在集电区的外延层和衬底间通常要制作N+埋层。
首先在衬底上生长一层二氧化硅，并进行一次光刻，刻蚀出埋层区域，然后注入N型杂质（如磷、砷等），再退火（激活）杂质。
埋层材料选择标准是杂质在硅中的固溶度要大，以降低集电区的串联电阻；在高温下，杂质在硅中的扩散系数要小，以减少制作外延层时的杂质扩散效应；杂质元素与硅衬底的晶格匹配要好以减小应力，最好是采用砷。
2.外延层的生长
去除全部二氧化硅后，外延生长一层轻掺杂的硅。
此外延层作为集电区。
整个双极型集成电路便制作在这一外延层上。
外延生长主要考虑电阻率和厚度。
为减少结电容，提高击穿电压，降低后续工艺过程中的扩散效应，电阻率应尽量高一些；但为了降低集电区串联电阻，又希望它小一些
3.形成隔离区
先生长一层二氧化硅，然后进行二次光刻，刻蚀出隔离区，接着预淀积硼（或者采用离子注入），并退火使杂质推进到一定距离，形成P型隔离区。
这样器件之间的电绝缘就形成了。
4.深集电极接触的制备
这里的“深”指集电极接触深入到了N型外延层的内部。
为降低集电极串联电阻，需要制备重掺杂的N型接触，进行第三次光刻，刻蚀出集电极，再注入（或扩散）磷并退火。
5.基区的形成
先进行第四次光刻，刻蚀出基区，然后注入硼并退火，使其扩散形成基区。
由于基区掺杂元素及其分布直接影响器件电流增益、截止频率等特性，因此注入硼的剂量和能量要特别加以控制。
6.发射区形成
在基区上生长一层氧化物，进行第五次光刻，刻蚀出发射区，进行磷或砷注入（或扩散），并退火形成发射区。
7.金属接触
淀积二氧化硅后，进行第六次光刻，刻蚀出接触也窗口，用于引出电极线。
接触孔中温江溅射金属铝形成欧姆接触。
8.形成金属互联线
进行第七次光刻，形成互联金属布线。
9.后续工序
测试、键合、封装等。
测试是通过测量或比较来确定或评估产品性能的过程，是检验该产品设计、工艺制造、分析失效和推广应用的重要手段。
因此，在半导体器件和集成电路的研制、生产和使用过程中，测试是非常重要的一道工序。
在生产中包括下列几种类型的测试：
芯片测试、成品测试、质量保证测试、可靠性测试、验收测试、鉴定测试。
键合工艺是将芯片上的电极引线和底座外引线连接起来的过程，是一种十分精密细致的固相焊接技术，又称内引线焊接工艺。
封装是利用某种材料将芯片保护起来，并与外界环境隔离的一种加工技术。
封装的目的除保护和隔离外，还有以下几点：
1.使管芯有一个合适的外引线结构的；2.为管芯创造散热和电磁屏蔽的条件；3.提高管芯的机械强度和抗外界冲击能力。
按封装材料材料可分为玻璃封装、金属封装、塑料封装、陶瓷封装，还有一种叫表面安装技术（SMT）的新型封装技术。
4、工艺参数设计
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管工艺参数设计
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
硅片的衬底电阻率为3-6
·CM，查表一得所对应的Nc=
厘米－3。
设B、E区都为均匀掺杂。
设：
=
厘米－3，
=
厘米－3，
=1.3um.
采用浅基区近似,则
可写为：
其中：
=340/130=2.6（由表一查得），
=
=0.19（由图二查得）
代入各数据求得,β=55时,WB=1.12um.
故设计的NPN型晶体管的各数据为:
=
厘米－3，
=
厘米－3，
=1..25um,Wb=1.12um。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制工艺参数设计
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
在半导体晶圆中应用扩散工艺形成结需要两步：
第一步称为预沉积；
第二步称为再分布或推进氧化，两步都是在水平或者垂直的炉管中进行的.
在预沉积的过程中，要受到以下几个因素的制约：
。
杂质的扩散率；
杂志在晶圆材料中的最大固溶度。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制工艺参数设计
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
a.衬底氧化：
采用干氧——湿氧——干氧的步骤进行氧化
湿氧30min，确定干氧1100℃生成0.5
氧化层所需时间t=1.1min后就可以确定湿氧总时间为30min+1.1min，由图OX-2查得tox=0.4
。
干氧10min：
确定1100℃干氧生长0.4
厚度氧化层需900min，910min所对应的
几乎没有变化。
所以最终生成7000埃氧化层
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制工艺参数设计
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
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
工艺设计者：
崔仕杰金腾飞批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制工艺参数设计
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
1.硼预沉积
设温度T=955℃，采用高斯分布模型
查表得Cs=
，
=0.085
解得t=0.2h。
此时的D=0.037*exp（-3.46/kt）,则（Dt）1/2=0.17um硼的预沉积要求硼的浓度为1018厘米－3方块电阻值的参考值为45－60欧姆/□,此时结深为1um。
工艺设计者：
崔仕杰姚启批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制工艺参数设计
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
2.硼推进扩散（在氧气气氛中）T=1100℃
=2.37um
=0.27
近似认为为
求得t=50min
在此过程中同时产生了氧化层。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制工艺参数设计
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
c.发射区磷扩散T=950℃，采用余误差分布模型
只采用一步预沉积扩散
=0.2
=
求得t=15min，
=1.25um。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
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
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
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
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
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
五、晶体管制作过程
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
清洗设备
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
a、清洗
所有样片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。
清洗设备
清洗硅片过程中使用的药品名称及作用见表1。
清洗过程见表2。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
注意：
在清洗过程中切记要注意安全，包括两个方面，一是要主要人身安全，实验中用到的药品比如浓硫酸等很危险，除了遵守制作步骤外，要听从实验室老师的安排，比如煮沸的浓硫酸要冷却等什么程度才能进行下一步的操作等。
二是要注意实验室器具的安全，由于微电子的实验，器材很贵，做实验时又带着手套很容易拿滑，从而摔坏。
工艺设计者：
崔仕杰金腾飞批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第一组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
氧化设备
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
b、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7000埃的氧化层。
有热氧化法生成SiO2 缓冲层，用来减小后续中Si3N4对晶圆的应力
氧化设备
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
氧化技术：
干法氧化 Si（固） + O2 à SiO2（固）
湿法氧化Si（固） +2H2O à SiO2（固） + 2H2
氧化设备
工艺设计者：
崔仕杰姚启批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
C、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。
光刻过程中使用的主要仪器及其作用见表4。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
光刻的步骤：
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。
工艺设计者：
崔仕杰姚启批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
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。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
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
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
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。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
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。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
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。
工艺设计者：
崔仕杰金腾飞批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
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。
工艺设计者：
崔仕杰批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
实验室数据组（℃）
自己设计数据组（℃）
预扩散温度
950
955
再分布温度
1130
1100
表5：
基区硼扩散温度
单位名称
第3组
项目名称：
三极管管芯制造工艺
制造三极管的生产工艺文件
工艺名称
晶体管制作过程
工艺文件编号：
所需设备清单
工
艺
步
骤
工艺内容
相关标准
d、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。
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,18个片子放在石英舟上，进行烘干后放入了氧化炉中，通氮气5分钟后，扩散20分钟。
两组实验温度如表5：
工艺设计者：
崔仕杰金腾飞批准人：
谢威
设计日期：
2016年9月29日
指导教师：
陈邦琼
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