半导体基础(3)概述

半导体基础知识与晶体管工艺原理( 3 )第二章晶体管制造工艺与原理2-1 典型产品工艺流程2-1-1 晶体管的基本工艺流程一次氧化—一次光刻—基区扩散—二次光刻—发射区扩散—三次光刻（引线孔）—蒸发—四次光刻—合金—中测—减薄—背金—划片—后道组装—成测—打印—包装—出厂第二章晶体管制造工艺与原理2-1-2 典型产品的工艺流程1 节能灯系列产品三扩片（三扩、磨抛）——一次（水汽）氧化——一次光刻——基区CSD淀积——二次氧化——基区扩散——二次光刻——POCL3淀积——发射区氧化扩散—— PSGCVD——HCL氧化——三次光刻——蒸发——四次光刻——N2合金—— N2烘焙——PIA光刻——减薄（喷砂）——背蒸——中测——划片第二章晶体管制造工艺与原理2 高反压大功率系列(略）3 超高频大功率系列（略）2-2 晶体管制造主要工艺的作用与原理2-2-1 氧化工艺1 氧化的作用：1）P-N结表面保护（表面沾污——影响器件成品率和可靠性，SIO2能把P-N结表面覆盖起来，起到保护作用）。

（图19a）2）掩蔽杂质扩散（SIO2性能稳定，在高温下能掩蔽硼、磷等杂质的扩散，从而达到选择扩散的目的）。

(图19b)图19a图19b2 氧化层的生长方法1）热氧化法——（水汽、湿氧、干氧、H/O合成） 2）CVD法（UDO）3）其它氧化方法3氧化层厚度的测量——膜厚测试仪（根据光的干涉原理）。

4 氧化层的质量要求★氧化层颜色均匀一致，光亮清洁。

★表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔。

★氧化层致密、均匀、并达到厚度要求。

2-2-2 扩散工艺1 扩散的目的——掺杂—杂质补偿——形成P-N结。

2 扩散形成P-N结的过程（以NPN管为例） 1）硼扩散形成P型基区—形成P-N结。

(图20a) 2）磷扩散形成N型发射区—形成P-N结。

（图20b）硼扩散图20a硼原子光刻氧化图20b 磷原子磷扩散光刻基区氧化3 扩散方法的分类1）液态源扩散——如：POCL3扩散2）掺杂氧化物源扩散——如：P+CVD扩散 3）涂覆源扩散——如：CSD扩散、铂扩散、金扩散4）离子注入源扩散——先采用离子注入方法，把杂质离子注入到硅片表面，然后再在高温下进行退火和再扩散。

4 扩散的杂质分布1）恒定表面源扩散——余误差分布。

（一般预淀积过程属于此类）2）限定源扩散——高斯分布。

（一般再扩散过程属于此类）和结深Xj：5 扩散的工艺参数—方块电阻R□的定义——一个正方形的 1) 方块电阻R□扩散薄层所具有的电阻值，就称为扩散层的方块电阻R（也叫薄层电阻）。

(见图21)□图21 R示意图□2）方块电阻的单位：Ω/□3）方块电阻的物理意义：方块电阻的大小代表了扩散层杂质总量的越小；反之，杂质多少。

杂质总量越多——R□4）方块电阻的测试方法——四探针法（图22）四探针法示意利用四探针仪测出的电压V、电流I，查出修正系数C，即可按下式算出R值。

□= C × V / I计算公式 R□其中 I——1，4针之间的电流V——2，3针之间的电压C——修正系数（与样片形状、单面或双面扩散有关）5）结深X的定义——从表面到PN结所在位置的距离，就叫j。

单位是μm 。

（见图23）扩散的结深。

符号为Xj6）结深X的测量方法：j●磨角法（图24）= a × tg θ公式： Xj●磨槽法（图25）公式： X= x y / Dj其中 D（为滚筒直径）= 2Rθaθ图 24 磨角法测量结深y x图形 25 磨槽法测结深示意X jR=D/26 扩散工艺条件的三要素——炉温(T)、时间（t）、流量（L）以及它们与方块电阻R□和结深Xj的关系1）扩散工艺条件的三要素中，最主要的是炉温(T)。

因为温度越高，杂质在半导体中的扩散速度越快，扩散速度的大小用扩散系数D来表示。

一般温度升高 10度，扩散系数D就要增加一倍左右。

2）结深X j 与扩散炉温(T)、时间（t ）有如 下关系： X j = 5.4 (D·t)1/2（所以，如果炉温升高10度， 结深X j 大约要增加1.4 倍左右）。

3)方块电阻与扩散炉温(T)、时间（t ）的关系： 在预淀积过程中，炉温越高，时间越长，R □越小。

在再扩散过程中，一般有两种情况：a) 在氧气气氛中，炉温越高，时间越长，R □越大。

b) 在氮气气氛中，在一定的时间范围内， 炉温越高，时间越长，R □越小。

但在较长时间后，R □ 就趋向一定的数值。

4）气体流量（L）对R□和Xj的大小以及均匀性也有较大的影响。

7 表面杂质浓度NS 与方块电阻R□、结深Xj的关系1) 扩散层的平均电导率：σ= 1/ R□·Xj2）扩散层的表面杂质浓度：NS ∝σ（与衬底浓度NO 以及扩散工艺方法有关）。

3）实际应用：测出R□和Xj——计算出σ= 1/ R□·Xj——根据已知的NO 和扩散方法——查相关的曲线，由σ值得到NS。

2-2-3 离子注入工艺1 离子注入的作用—掺杂—形成P-N结。

（代替扩散或扩散的预淀积过程）2 离子注入的原理——杂质原子在强电场下电离成离子，它具有极高的能量并以极快的速度运动，轰击并打入硅片表面，达到掺杂的目的。

退火再扩散去胶生长UDO 硼离子离子注入光刻（带胶）光刻胶氧化图26光刻胶硼离子离子注入去胶生长UDO退火再扩散氧化光刻生长薄氧化层光刻（带胶）图264 离子注入的优点1）均匀性好，有利于提高成品率。

2）结深和杂质浓度都可以精确控制，有利于做浅结，而且高浓度和低浓度都可以实现。

3）没有横向扩散，有利于做细线条图形的P-N结。

5 离子注入工艺条件的两大要素——剂量（Q）和能量（E）。

2-2-4 光刻工艺1 光刻的目的——在氧化层和金属化层上刻蚀出各种图形，以便下一步进行定域扩散或引出电极。

（形成图形）2 光刻的工艺过程：（图27 ）图27 光刻的工艺过程示意（2）（3）（）（4）腐蚀（5）显影坚膜暴光涂胶前烘胶层3 光刻的原理——光刻是一种照相与刻蚀相结合的综合技术。

它利用光刻胶的光致化学特性，在暴光和显影后，使不暴光区域的光刻胶（负胶）被去掉，暴光区域的光刻胶留下来，然后，再利用化学腐蚀方法，在氧化层或金属化层上刻蚀出所需要的图形。

4 光刻胶的类型1）负性胶 2）正性胶5 光刻工艺的质量要求1）刻蚀图形完整、线条尺寸符合要求。

2）图形边缘整齐、线条陡直。

3）图形内无小岛、不染色、腐蚀干净。

4）片子氧化层上无针孔、表面清洁、不发花、没有残留物质。

5）图形套版对位准确。

2-2-5 蒸发（真空镀膜）工艺1 蒸发的目的——制作欧姆接触电极。

（正面——蒸铝——E、B电极；背面——蒸多层金属——C电极）。

2 蒸发的分类1）电阻加热式蒸发2）电子束蒸发3）溅射（直流、射频、磁控）3 蒸发的原理1）电阻加热式蒸发：在真空下，加热熔化金属材料，蒸发出来的金属原子，在真空中直线运动，淀积到硅片表面，形成一层金属薄膜。

2）电子束蒸发：在真空下，具有高能量的电子束高速运动，轰击金属材料表面，使材料局部表面产生高温而熔化，并蒸发出金属原子，在真空中直线运动，淀积到硅片表面，形成一层金属薄膜。

4蒸发用的金属材料1）正面蒸发——铝、钛-铝2）背面蒸发——钒、镍、金、金锗、金锗锑——钛、镍、银5影响蒸发质量的因素1）真空度 2）清洁度（蒸发源、真空室、片子） 3) 蒸发工艺条件（电压、电流、时间等）6蒸发的质量要求1）膜厚与均匀性，2）表面质量——光亮、清洁、不发灰。

3）不掉铝、掉金。

2-2-6 CVD工艺1 CVD的名字解释——化学气相沉积。

2 CVD的作用——淀积SIO2、BSG、PSG、SIN，作表面钝化、杂质扩散源、加厚氧化层。

3 CVD的原理——在一定的温度和气氛条件下，化合物产生热分解和化合反应，生成钝化层或掺杂氧化层。

例如， SIH4——SI + H2SI + O2——SIO24CVD的分类——常压CVD、低压CVD、等离子体CVD（APCVD）、（LPCVD）、（PECVD）5 CVD的质量要求：1）膜厚——达到一定的厚度（但不开裂） 2）掺杂浓度——达到R的要求□3）表面质量——颜色均匀，光亮，不发灰，无“流水”、“气泡”。

2-2-7 台面工艺1 什么是台面工艺？台面工艺有什么作用？把平面P-N结，通过工艺加工，变成台面P-N结的工艺过程，就叫台面工艺。

台面工艺的作用——形成台面——保护P-N结，提高和稳定击穿电压。

2 两种不同的台面结构——正斜角和负斜角结构（图28a 、28b）图28a θ图28b3 正斜角台面结构的工艺流程（图29）光刻——斜槽切割——腐蚀——电泳玻璃粉——玻璃烧成 。

（3）（2）腐蚀斜槽切割（5）玻璃烧成（）刻槽（4）电泳玻璃图29 台面工艺流程4台面工艺的质量要求1）斜槽的深度和光洁度——要切透高阻层，槽面要腐蚀光洁（不要有毛刺）。

2）斜槽的角度要保证，台面成形要符合要求。

3）玻璃的结晶状态（颜色和透明度），高度和平整度、无气泡、空洞、开裂。

4）清洁度2-2-8 三扩、磨抛工艺1 什么是三扩工艺？什么是磨抛？它们的作用是什么？△通过扩散的方法，把N型硅单晶片做成N+/N/N+结构的工艺，叫三重扩散（简称三扩）。

△经过三扩后的片子，通过磨片、抛光，去掉一面的N+层，而且把N层（高阻层）控制到产品要求的厚度，这个过程就叫磨抛。

△三扩磨抛的作用就是，为某些采用N/N+结构材料（简称OSL片）生产的产品，在投料前，进行材料的制作准备，使N型单晶变成N/N+结构。

（N型单晶片——三扩后成为N+/N/N+——磨抛后成为N/N+）。

2 三扩磨抛的工艺过程1） POCL3淀积（图30a）2）主扩散（图30b）3）磨抛（图30c）。

图30图30b 图30c3 三扩、磨抛工艺的质量要求1）三扩的R□和Xj 要符合要求，而且均匀性要好。

2）磨抛后高阻层厚度要符合要求，而且平整性要好。

3）磨抛后的表面质量（光亮、无划道、扫把状等机械缺陷以及位错等微缺陷要少）。

4）表面清洁度要求2-2-9 清洗工艺1 清洗的目的——清洁硅片表面，去除一切有机物质和无机金属离子对硅片表面的沾污，为各道工艺过程的顺利进行，确保产品的性能和可靠性奠定基础。

2 清洗用的试剂分类1）有机溶剂 2）酸性溶液 3）碱性溶液 4）去离子水3 二分厂现用的主要清洗剂有机溶剂——三氯乙烯酸性溶液——SH液、SC-2液、CP8、王水、HF、HCL、H2SO4等。

碱性溶液——NCW-601液、SC-1液、NaOH、KOH等4 清洗工艺的质量要求1）去离子水的纯度——电阻率≥12 MΩ。

2）各种清洗液的配比和纯度——符合工艺文件要求。

3）清洗设备和工夹具的清洁度——符合工艺文件要求。

4）清洗的工艺条件——严格按工艺文件要求进行。