硅NPN平面晶体管工艺参数设计及管芯制造Read.docx
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硅NPN平面晶体管工艺参数设计及管芯制造
作者：
第一组田野0442023050
指导老师：
袁菁
摘要：
对给定放大倍数为50、击穿电压我50-80V的NPN型晶体管的设计，制造。
由于是给定的N型衬底，击穿电压主要由浓度低的一端决定，所以，这里的击穿电压是基本确定了的，不用去再做设计。
这里主要是对放大倍数的设计，放大倍主要由基极和发射极的性质决定，主要是设计基极、发射极的浓度和深度。
制造时，主是控制基区和射区扩散的时间的温度，以使之达到我们所希望的浓度和深度。
关键词：
晶体管纵向结构参数设计晶体管版图设计一次氧化一次光刻硼扩散—预沉积硼扩散—再分布二次光刻磷扩散及测试
一、平面工艺历史及在微电子技术发展中的作用
集成电路的发展历史应该追溯到1947年12月晶体管的发明。
1947年12月美国贝尔实验室的巴丁和布拉顿制作出第一只点接触型半导体晶体管，观测到放大现象，在这项发明中肖可莱也起到了重要作用。
1948年1月肖可莱又提出了结型双极晶体管的理论，并于1951年制作出结型晶体管。
他们3人因此在1956年获得诺贝尔物理学奖。
晶体管的发明揭开了半导体器件的神秘面纱引发了一次新的技术革命，使人类社会步入了电子时代。
1958年美国德州仪器公司的基尔比在半导体Ge衬底上形成台面双极晶体管和电阻等元器件，并用超声波焊接的方法将这些元器件通过金丝连接起来，形成一个小型电子电路。
1959年2月基尔比申请了专利，将它名名为集成电路。
1959年7月FSC的诺依斯基于J.Hoerni发明的硅平面双极晶体管的技术，提出用淀积在二氧化硅膜上的导电膜作为元器件之间的连线，解决了集成电路中的互连问题，为利用平面工艺批量制作单片集成电路奠定了基础。
1960年仙童公司利用平面工艺制作出第一个单片集成电路系列，命名为“微逻辑”。
尽管早在1926年Lilienfeld就提出了场效应的概念，1935年Heil发表文章提出MOS结构中形成表面反型沟道的理论，但是由于对Si-SiO2界面控制问题没有解决，在1960年制作出的MOSFET基础上，加上已有了平面工艺的基础，因此很快就出现了MOS集成电路。
1963年Wanlass和Sah提出了把P沟道MOS晶体管和N沟道MOS晶体管结合起来构成互补MOS集成电路，即CMOS集成电路
随着电子工业的发展，各行各业对集成电路的需求越来越大，同时，工艺技术的发展和设计水平的提高，拓宽了继承电路的应用时常，总的来说，今后模拟继承电路器件将朝着高速、高精度、低电源和低功耗的方向发展。
二、晶体管结构设计内容
1、给定放大倍数，对基区和发射区的各参数进行设计。
1、所给N型硅片掺杂浓度N=。
设B、E区都为均匀掺杂。
设：
=，=，=0.5um.查得，=时，=4um.所以，>，可用浅基区近似。
则
可写为：
。
因为：
，=。
从表一得：
=770/170=4.35
从图二得:
=0.17
由以上数据求得,β=50时,=0.5um.
由以上数据得,满足要求的NPN型晶体管的各数据为:
NC=，=，=，=0.5um,=0.5um。
2、晶体管制作工艺参数设计
衬底制备
给定电阻率为3-6·CM衬底，所对应的NC=。
基区扩散
扩散杂质为硼。
扩散温度为1000度。
=++射区扩散所用于掩敝的所消耗的硅的厚度。
经计算得，用于掩敝的所消耗的硅的厚度为0.2um左右（详细见下文）。
所以，硼扩深度为1.2um.
当硼扩深度为1.2um.时，由下式：
求得，硼扩散总量为：
=*,由下图三查得：
D=0.085,由图四查的硼在硅的表面固容度为，并求得：
硼扩时间：
=1.11小时。
硼的再分布。
由于的硼的再分布是在氧气氛下进行的，所以，硼的再分布时，同时做了磷扩所需的氧化层的二氧化硅的生长。
时间可由生长氧化层所需的时间来控制。
（4）、掩敝层的生长。
由于最后还是要去除的，所以才晶体管的影响不太大，此处全用900度、一个大气压下的湿氧氧化。
由下表五查得，硼扩用时为1.11小时时，所用的的厚度为0.065um，
由表六查得；生长0.065um的，所用时长为0.4小时。
为达到最佳掩敝，应该适当的增加氧化层的厚度，即是增加氧化时间。
所以，将氧化时间，增大到，40分钟。
3、射区扩散。
（1）、NE==，=0.5um.采用磷扩，1000度下，由前文表四查得，磷在硅中的固容度为，由图三查得D=1.13um,磷扩散总量为=*.求得；磷扩时间：
=1.2小时。
（2）、磷扩掩敝层的生长。
和基区扩散一样，用湿氧，900度，一个标准大气压下，查图七得，做1.2小时磷扩所需要的厚度为0.135um.
由图六查得，生长0.135um二氧化硅需用0.9小时。
三、工艺参数设计
（1）硼、磷扩散原理
首先假设半导体晶体是各向同性的。
硼、磷是在晶格上取代了硅原子的杂志，称为替位型杂质。
替位型杂质有两种扩散方式：
一，空位交换模式；二，填隙扩散机制。
空位交换模式：
替位型原子在晶体中移动，必须有足够的能量来克服它所处的势阱，如果相邻晶格的位置是空位，原子间的交换会比周围都是基质原子要容易的多。
这个模式称为空穴交换模式；填隙扩散机制：
一个自填隙硅原子取代了杂质原子的位置，并把杂质原子推到一个填隙位置。
杂质原子从该填隙位置迅速移动到另一个晶格位置，该晶格位置上的硅原子被移开并变成一个填隙原子，这个扩散机制称为填隙扩散机制。
硼、磷这两种杂质往往同时靠这两种机制进行扩散。
哪一种扩散机制占主导地位取决于工艺条件。
从原则上讲，要想计算这些杂质的有效扩散率，必须将这两种扩散方式都考虑进去。
四、实验方法
1）主要药品/材料名称及作用。
2）主要设备、仪器名称、型号及作用。
序号
设备名称
数量
作用
1
氧化炉
1
一次氧化和硼的再扩散
2
扩散炉
2
硼扩散和磷扩散
3
匀胶机
1
高速旋转基片，利用离心力使滴在基片上的胶液均匀的涂在基片上，厚度视不同胶液和基片间的粘滞系数而不同，也和旋转速度及时间有关。
4
曝光机
1
汞灯光源进行光刻胶曝光
5
烘箱
2
高温固化光刻胶
6
四探针测试台
1
测量方块电阻
7
晶体管特性测试仪
2
测试BC结特性曲线
8
天平
1
----------------------------
9
去离子水制备系统
1
制造去离子水
10
石英管
6
盛放硅片
11
石英舟
6
盛放硅片
12
石英杯
6
盛放硅片
3）实验流程包括清洗、硼、磷扩散、光刻的流程步骤及工艺条件。
实验室名称：
微电子工艺实验室
序号
实验名称
内容提要
工艺流程/要求
1
晶体管纵向结构参数设计
设计一个可以在实验室制备的具有一定放大倍数和击穿电压的三极管
要求设计一放大倍数β为50，击穿电压Vbc超过50-80V的硅NPN三极管
2
晶体管版图设计
设计发射极、基极、集电极尺寸并画出版图
见本文第二部分
3
三极管工艺参数设计
设计硼扩散、磷扩散及氧化的时间和温度
见本文第二部分
4
一次氧化
氧化层的制备、检测及研究氧化条件对氧化层厚度和质量的影响
<一>硅片的清洗
1、浓硫酸煮冒白烟3~5分钟
2、浓硫酸再次煮冒折烟3~5分钟
3、一号液：
H2O：
H2O2：
NH4OH=6：
2：
1，煮沸3~4分钟。
4、二号液：
H2O：
H2O2：
HCl=6：
2：
1，煮沸3~4分钟。
5、去离子水冲洗10分钟。
<二>氧化层的生长
1、干氧，显示1225度，实际为1148度，一个标准大气压下，10分钟。
2、湿氧，显示1225度，实际为1148度，一个标准大气压下，20分钟。
3、干氧，显示1225度，实际为1148度，一个标准大气压下，10分钟。
5
一次光刻
刻出基区硼扩散窗口
用负胶
1、涂胶。
由于硅片在空气中放的时间过长，可能会附着有空气中的水份，所以，涂胶之前，应该将硅片烘干一下。
采用“甩胶”的方式，转速为3000转/分钟。
2、前烘。
前烘温度，显示80度，实际温度为83度。
前烘时间11.5分钟。
3、曝光。
曝光光源为汞灯光源。
暴光时间为1.5分钟。
4、后烘。
后烘时间温度为178度，生烘时间19分钟。
5、显影。
显影液丁酮，常温下，显影1分钟。
6、定影。
定影液丙酮，常温下，定影0.5分钟。
7、刻蚀。
刻蚀液HF，43度水域，刻蚀时间3分钟。
6
硼扩散—预沉积
在基区掺入硼
<一>硅片清洗
1、浓硫酸煮冒白烟3~5分钟
2、浓硫酸再次煮冒折烟3~5分钟
3、一号液：
HO2：
H2O2：
NH4OH=6：
2：
1，煮沸3~4分钟。
4、二号液：
HO2：
H2O2：
HCl=6：
2：
1，煮沸3~4分钟。
5、去离子水冲洗10分钟。
<二>基区扩散
分两组进行扩散
第一组，两个正片，两个陪片，编号为1组。
第二组，三个正片，一个陪片，编号为2组。
1、1组，硼预积淀。
硼源为，氮化硼，先通氧将其氧化为氧化硼，所以，实际的硼源为氧化硼。
在氮气氛中，970度，一个标准大气压下，扩散21分14秒。
2、用10：
1的，将硅表面的少量二氧化硅漂洗干净，测量方块电阻
3、2组，在第二组做硼的预积淀时，由于第一组中的方块电阻偏大。
所以2组适当升高扩散温度为975度。
其它条件相同。
7
硼扩散—再分布
使基区的硼重新分布，使基区达到需要的结深和掺杂浓度，同时生长一定厚度的氧化层
硼再分布在氧气氛中进行，所以，硼的再分布时，就可能同时将磷扩散所需掩敝层二所化硅生长出来。
在一个标准大气压，1150度的条下。
用干氧-湿氧-干氧的方式，分别6-19-13分钟。
在湿氧-干氧交换的过程中，换为干氧5分钟后，又出现炉管的另一端冒水汽的现象，说明又出现了短暂的湿氧，约为1-2分钟。
将陪片用HF漂洗干净，测量方快电阻
8
二次光刻
刻出发射区磷扩散窗口
1、涂胶。
由于硅片在空气中放的时间过长，可能会附着有空气中的水份，所以，涂胶之前，应该将硅片烘干一下。
采用“甩胶”的方式，转速为3000转/分钟。
2、前烘。
前烘温度，显示80度，实际温度为83度。
前烘时间11.5分钟。
3、暴光。
暴光光源为汞灯光源。
暴光时间为1.5分钟。
4、后烘。
后烘时间温度为178度，生烘时间19分钟。
5、显影。
显影液丁酮，常温下，显影1分钟。
6、定影。
定影液丙酮，常温下，定影0.5分钟。
7、刻蚀。
刻蚀液HF，43度水域，刻蚀时间3分钟。
8、洗净后，测B-C结击穿电压。
9
磷扩散及测试
发射区的制备及三极管特性测试
1、在1组和2组中分别抽出一块硅片，在1070度，一个标准大气压下，扩散10分钟。
用HF（浓渡为1：
1）漂2分钟，洗净后，对陪片测方块电阻，并对晶体管进行测试。
2、由于第一次磷扩时，全部将基区扩通。
此次考虑将扩散时间缩短为5分钟，同时提高扩散温度到1075度，一个标准大气压下，扩散5分钟。
用HF（浓渡为1：
1）漂3分钟，洗净后，对对晶体管进行测试
3、第三次磷扩，时间延长到7分30秒左右，温度不变，在一个标准大气压下，扩散5分钟，漂洗3分钟。
洗净后，对晶体管测试。
五、实验结果
1）硼扩预沉积方块电阻，再分布后的方块电阻。
第一次硼扩预沉积（条件：
靠近气流，硼扩时间20分钟，扩散炉显示温度：
926。
C，实际温度：
960。
C）：
序号
1
2
3
4
5
平均
R□（*4.5）
14.203
15.047
13.868
13.946
15.124
14.438
（条
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