(工艺技术)半导体工艺实习实验指导书

目录

目录 (1)

前言 (2)

原理篇 (3)

氧化 (5)

扩散 (7)

光刻和刻蚀 (10)

薄膜淀积 (14)

操作篇 (16)

半导体工艺操作注意事项 (16)

实验设备、仪器和使用工具清单 (18)

NPN双极性晶体管制备工艺流程卡 (19)

具体工艺条件和操作方法 (20)

设备篇 (23)

氧化扩散炉 (23)

光刻机 (26)

真空镀膜机 (33)

微控四探针测试仪 (35)

结深测试仪 (40)

晶体管测试仪 (46)

成绩评定方法 (48)

、八、,

前言

硅平面制造工艺是当代晶体管与集成电路制造的主要工艺方式。

半导体工艺实习是电子科学与技术专业本科生必修的专业实验课程，通过实际操作硅平面工艺的多个基本步骤，掌握硅晶体管平面制造工艺过程的细节和所涉及到的原理和基本理论。熟悉常规双极性晶体管和典型的集成电路平面制造工艺的全过程，了解集成电路设计时应考虑的工艺条件限制。

本实验指导书以电子科学与技术微电子工艺实验室的设备和实验条件为硬件基础，给出双极性NPN晶体管的制备工艺流程，包括基本工艺原理，使用的设备介绍，具体的工艺流程和详细的工艺条件、操作方法及测试检测方法等。

半导体工艺实习涉及很多实实在在的操作，受各种环境条件，外部因素的影响较多，本实验指导书仅能给出工艺步骤的原理和普遍现象，在实际操作中遇到的实际问题还要具体分析找到解决方法。另外，由于作者对半导体工艺原理的理解和工艺步骤地具体操作不尽深刻和熟稔，指导书中有不妥甚或有错误的地方，还请批评指正。

在这感谢工艺实习基地的董利民老师，袁颖老师，胡晓玲老师和实验室其他多位老师的帮助和提供的文献资料。

实习基地建设教师谢红云

2007.8

原理篇

图

1.1是PNP 晶体管和NPN 晶体管的结构示意图

图1.1 PNP 晶体三极管和 NPN 晶体三极管

以NPN 晶体管为例，由晶体管的放大原理可知，若要晶体管正常工作需满足 以下2

点：

1. 发射区（N 区）的电子浓度应大于基区（P 区）的空穴浓度；

2. 基区要非常薄，仅具有几微米的宽度；

这样在基区电子形成的扩散流可以远大于空穴复合流， 实现晶体管的放大功

能。NPN 晶体管的纵向结构如图1.2所示，给出了晶体管集电区、基区和发射区

在硅平面工艺中，集电区、基区和发射区不同的杂质浓度由咼温热扩散完成， 图1.3

PbTT 品体三据管 T 1ITM 品体三坐

管

N

是晶体管的剖面图。

S102 基极（F）发射极（时）

F垂a

硅衬底N

f集电极）

图1.3平面工艺制备晶体管

与晶体管的平面工艺结构有关的几个要点：

1. 高温下氧化单晶硅片的表面，生成一层二氧化硅膜。而该膜在一定的高温下、一

定的时间内，可阻止制造半导体器件所常用的几种化学元素，女口：硼、磷、

砷、锑等（这被称之为氧化工序）。

2. 采用照相、复印、有选择地保护某区域而腐蚀掉某区域的二氧化硅膜（这个过程

被称之为光刻过程），使得某区域允许杂质进入而某区域不允许杂质进入。

3. 第二点思路由设计的具有光掩蔽功能的、被称之为掩膜版的工具（全称为光刻掩

膜版）来辅助完成。

4. 采用高温热扩散法将某种特定杂质掺入某特定导电类型的半导体内部，

并使局部区域反型，必须采用高浓度补偿，如图 1.4所示：

掩菽层1180度下进行硼鹽质护歆

■B B B B B B B|

、丘氟ft硅膜

图1.扩散双极性晶体管的制备在集成电路工艺流程中具有代表性，包含了硅平面半导

体工艺中的基本步骤：氧化、扩散、光刻和刻蚀、薄膜淀积等。这一部分将分别

介绍各个工艺步骤的基本原理，为实际操作做好理论准备。

氧化

氧化工艺是制备二氧化硅膜的工艺。

二氧化硅膜是半导体器件制备中常用的一种介质膜。具有以下的特点：

1. 化学稳定性极高，除氢氟酸外和别的酸不起作用；

2. 不溶于水；

3. 有掩蔽性质，具有一定厚度的二氧化硅膜在一定温度、一定时间内能阻止

4. 硼、磷、砷等常作为半导体杂质源的元素；

5. 具有绝缘性质。

因此在半导体器件中常用作以下的用途：杂质扩散掩蔽膜；器件表面保护或钝化膜；电路隔离介质或绝缘介质；电容介质材料；MOS管的绝缘栅材料等。

二氧化硅膜的制备有热生长氧化工艺、低温淀积氧化工艺以及其它氧化工艺。不同的氧化工艺方法所制备的二氧化硅膜的质量不同，会影响其掩蔽扩散的能力、器件的可靠性和稳定性、电性能等。硅平面工艺中作为扩散掩蔽膜的二氧化硅采用高温热生长工艺制备，是我们实验的一个重要工艺步骤。

高温热生长二氧化硅，高温氧化就是把衬底片置于1000C以上的高温下，

通入氧化性气体（如氧气、水汽），使衬底表面的一层硅氧化成SiO2。高温氧化分为：干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化三种：

1 干氧氧化- 氧化气氛为干燥、纯净的氧气。

2 水汽氧化- 氧化气氛为纯净水蒸汽。

3 湿氧氧化- 氧化气氛为既有纯净水蒸汽又有纯净氧气。

高温氧化的机理，即化学反应如下所示：

Si+O 2SiO2

Si 2H2O SiO2 H 2

氧化层形成后，氧原子必须穿过氧化层到达硅表面并在那里进行反应，化学反应在Si-SiO 2 界面发生。完成这个过程必须经过以下三个连续的步骤：

1 ．氧化剂分子由汽相内部迁移到汽相与氧化介质膜界面处。2．氧化剂分子扩散通

过业已生成的初始氧化层。3．氧化剂分子到达初始氧化层与硅的界面处与硅继续反应。

干氧氧化含有氧离子通过SiO2的扩散和在Si-SiO 2界面上与硅发生反应这两个过程。在高温下界面化学反应速度较快，而氧离子扩散通过SiO2层的过程较慢，因此氧化速度将主要取决于氧化氧离子扩散通过SiO2层的快慢。显然，随

着氧化的进行层将不断增厚，氧化速度也就越来越慢。而水汽氧化过程中SiO2层不断遭受消弱，致使水分子在SiO2 中扩散也较快，因此水汽氧化的速度要比

干氧氧化的速度快。