半导体工艺实习实验指导书.docx

目录目录1前言2原理篇33氧化5扩散7光刻和刻刻蚀100薄膜淀积积14操作篇116半导体工工艺操作作注意事事项166实验设备备、仪器器和使用用工具清清单188NPN双双极性晶晶体管制制备工艺艺流程卡卡19具体工艺艺条件和和操作方方法200设备篇223氧化扩散散炉233光刻机226真空镀膜膜机333微控四探探针测试试仪355结深测试试仪400晶体管测测试仪446成绩评定定方法448前言硅平面制制造工艺艺是当代代晶体管管与集成成电路制制造的主主要工艺方方式半导体工工艺实习习是电子子科学与与技术专专业本科科生必修修的专业业实验课课程，通通过实际际操作硅硅平面工工艺的多个个基本步步骤，掌掌握硅晶晶体管平平面制造造工艺过过程的细细节和所所涉及到到的原理理和基本本理论熟熟悉常规规双极性性晶体管管和典型型的集成成电路平平面制造造工艺的的全过程程，了解解集成电电路设计计时应考考虑的工工艺条件件限制本实验指指导书以以电子科科学与技技术微电电子工艺艺实验室室的设备备和实验验条件为为硬件基基础，给给出双极极性NPNN晶体管管的制备工工艺流程程，包括括基本工工艺原理理，使用用的设备备介绍，具体的的工艺流流程和详详细的工工艺条件件、操作作方法及及测试检检测方法法等。

半导体工工艺实习习涉及很很多实实实在在的的操作，受受各种环环境条件件，外部部因素的的影响较较多，本本实验指指导书仅仅能给出出工艺步步骤的原原理和普普遍现象象，在实实际操作作中遇到到的实际际问题还还要具体体分析找找到解决决方法另另外，由由于作者者对半导导体工艺艺原理的的理解和和工艺步步骤地具具体操作作不尽深深刻和熟熟稔，指指导书中中有不妥妥甚或有有错误的的地方，还还请批评评指正 在这感感谢工艺艺实习基基地的董董利民老老师，袁袁颖老师师，胡晓晓玲老师师和实验验室其他他多位老老师的帮帮助和提提供的文文献资料料 实习基基地建设设教师 谢红云云20077.8原理篇图1.11是PNNP晶体体管和NNPN晶晶体管的的结构示示意图图1.11 PNNP晶体体三极管管和NPPN晶体体三极管管以NPNN晶体管管为例，由由晶体管管的放大大原理可可知，若若要晶体体管正常常工作需需满足以以下2点：1.发射射区(N区)的的电子浓浓度应大大于基区区(P区)的的空穴浓浓度；2.基区区要非常常薄，仅仅具有几几微米的的宽度；；这样在基基区电子子形成的的扩散流流可以远远大于空空穴复合合流，实实现晶体体管的放放大功能能。

NPPN晶体体管的纵纵向结构构如图11.2所示，给给出了晶晶体管集集电区、基基区和发发射区的的杂质浓浓度图1.22 NPPN晶体体管纵向向结构图图在硅平面面工艺中中，集电电区、基基区和发发射区不不同的杂杂质浓度度由高温温热扩散散完成，图图1.3是晶体管管的剖面面图图1.33 平面面工艺制制备晶体体管与晶体管管的平面面工艺结结构有关关的几个个要点：：1. 高温下氧氧化单晶晶硅片的的表面，生生成一层层二氧化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，如：硼、磷、砷、锑等（这被称之为氧化工序）2. 采用照相相、复印印、有选选择地保保护某区区域而腐腐蚀掉某某区域的的二氧化化硅膜（这这个过程程被称之之为光刻刻过程），使使得某区区域允许许杂质进进入而某某区域不不允许杂杂质进入入3. 第二点思思路由设设计的具具有光掩掩蔽功能能的、被被称之为为掩膜版版的工具具（全称称为光刻刻掩膜版版）来辅辅助完成成4. 采用高温温热扩散散法将某某种特定定杂质掺掺入某特特定导电电类型的的半导体体内部，并并使局部部区域反反型，必必须采用用高浓度度补偿，如如图1..4所示示：图1.44 高浓浓度补偿偿扩散双极性晶晶体管的的制备在在集成电电路工艺艺流程中中具有代代表性，包包含了硅硅平面半半导体工工艺中的的基本步步骤：氧氧化、扩扩散、光光刻和刻刻蚀、薄薄膜淀积积等。

这这一部分分将分别别介绍各各个工艺艺步骤的的基本原原理，为为实际操操作做好好理论准准备氧化氧化工艺艺是制备备二氧化化硅膜的的工艺二氧化硅硅膜是半半导体器器件制备备中常用用的一种种介质膜膜具有有以下的的特点：：1.化学学稳定性性极高，除除氢氟酸酸外和别别的酸不不起作用用；2.不溶溶于水；；3.有掩掩蔽性质质，具有有一定厚厚度的二二氧化硅硅膜在一一定温度度、一定定时间内内能阻止止4.硼、磷磷、砷等等常作为为半导体体杂质源源的元素素；5.具有有绝缘性性质因此在半半导体器器件中常用作作以下的的用途：：杂质扩扩散掩蔽蔽膜；器器件表面面保护或或钝化膜膜；电路路隔离介介质或绝绝缘介质质；电容容介质材材料；MMOS 管的绝绝缘栅材材料等二氧化硅硅膜的制制备有热热生长氧氧化工艺艺、低温温淀积氧氧化工艺艺以及其其它氧化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生长二氧氧化硅，高高温氧化化就是把把衬底片片置于110000℃以上的的高温下下，通入氧化化性气体体（如氧氧气、水水汽），使使衬底表表面的一一层硅氧氧化成SSiO22。

高温温氧化分分为：干干氧氧化化、湿氧氧氧化和和水汽氧氧化三种种： 1 干氧氧氧化-氧氧化气氛氛为干燥燥、纯净净的氧气气 2 水汽氧氧化-氧氧化气氛氛为纯净净水蒸汽汽 3湿湿氧氧化化-氧化化气氛为为既有纯纯净水蒸蒸汽又有有纯净氧氧气高温氧化化的机理理，即化化学反应应如下所所示：氧化层形形成后，氧氧原子必必须穿过过氧化层层到达硅硅表面并并在那里里进行反反应，化化学反应应在 SSi-SSiO22 界面面发生完成这个过程必须经过以下三个连续的步骤：1． 氧化剂分分子由汽汽相内部部迁移到到汽相与与氧化介介质膜界界面处2． 氧化剂分分子扩散散通过业业已生成成的初始始氧化层层3． 氧化剂分分子到达达初始氧氧化层与与硅的界界面处与与硅继续续反应干氧氧化化含有氧氧离子通通过SiiO2的扩散散和在SSi-SSiO22界面上上与硅发发生反应应这两个个过程在在高温下下界面化化学反应应速度较较快，而而氧离子子扩散通通过SiiO2层的过过程较慢慢，因此此氧化速速度将主主要取决决于氧化化氧离子子扩散通通过SiiO2层的快快慢显显然，随随着氧化化的进行行层将不不断增厚厚，氧化化速度也也就越来来越慢而而水汽氧氧化过程程中SiiO2层不断断遭受消消弱，致致使水分分子在SSiO22中扩散散也较快快，因此此水汽氧氧化的速速度要比比干氧氧氧化的速速度快。

由化学反反应引起起的硅的的消耗量量，大约约是最终终氧化层层厚度的的44%% ，如如图1..5所示示图1.55 高温温氧化生生长SiiO2膜在高温氧氧化中，依依据热生生长动力力学和迪迪尔格罗罗夫模型型，氧化化层的厚厚度可以以表示为为：其中，AA和B是是与氧分分子扩散散有关的的常数，是时间常数在氧化时间较短，SiO2层较薄时，表面化学反应过程是主要的，SiO2层厚度将随时间线性增加；在氧化时间较长SiO2层较厚时，扩散过程是主要的，SiO2层厚度将随时间作抛物式增加三种氧化方法比较如下：一般的讲讲，水汽汽或湿氧氧氧化速速率高、但但生成的的二氧化化硅膜结结构疏松松且表面面呈亲水水性，干干氧氧化化生成的的二氧化化硅膜干干燥致密密，但其其氧化速速率最低低实际际热氧化化工艺的的选择是是根据前前述讨论论的各种种热氧化化方法的的结构特特点和工工艺特点点，对应应矛盾的的热氧化化工艺要要求，即即要求有有较高的的氧化速速率又要要求生成成干燥致致密的呈呈疏水性性的二氧氧化硅表表面，选选择干氧氧-湿氧氧-干氧氧的实际际热氧化化工艺氧化完完成后，根根据芯片片表面颜颜色大致致可以判判断出氧氧化硅的的厚度因因为不同厚厚度的氧氧化硅对对可见光光的折射射率不同同，芯片片表面氧氧化硅的的颜色会会随着厚厚度的变变化呈现现周期性性变化，下下面是不不同厚度度对应的的大致颜颜色，可可作为氧氧化层厚厚度的大大致判断断依据。

颜色氧化膜厚厚度（埃埃）灰100黄褐300蓝800紫10000        27550      46550      65500深蓝15000        30000      49000      68800绿18500        33000      56000      72200黄21000        37000      56000      75500橙22500        40000      60000红25000        43550      62550扩散双极性nnpn晶晶体管需需要掺杂杂工艺获获得特定定类型，如如p型或或n型半半导体以以形成ppn结，通通常通过过扩散或或离子注注入工艺艺实现概概念表述述如下：：1. 掺杂-将将所需要要的杂质质按要求求的浓度度和分布布掺入到到半导体体材料中中的规定定区域，达到改改变材料料导电类类型或电电学性质质的过程程2. 扩散掺杂杂-依赖赖杂质的的浓度梯梯度形成成扩散掺掺杂的过过程3. 离子注入入掺杂--杂质通通过离化化、加速速形成高高能离子子流，靠靠能量打打入半导导体材料料的规定定区域、活活化形成成杂质分分布的过过程。

在传统硅硅平面工工艺中采采用高温温扩散工工艺实现现特定类类型特定定浓度的的掺杂半半导体杂杂质的扩扩散在8800℃℃-14400℃℃温度范范围内进进行从从本质上上讲，扩扩散是微微观离子子作无规规则热运运动的统统计结果果，这种种运动是是由离子子浓度较较高的地地方向着着浓度较较低的地地方进行行，而使使得离子子的分布布趋于均均匀半导体中中杂质的的扩散有有两种机机制：空空位交换换机制和和填隙扩扩散机制制杂质质原子从从一个晶晶格位置置移动，如如果相邻邻的晶格格位置是是一个空空位，杂杂质原子子占据空空位，这这称为空空位交换换模式若若一个填填隙原子子从某位位置移动动到另一一个间隙隙中而不不占据一一个晶格格位置，这这种机制制称为填填隙扩散散机制从从理论上上讲，热热扩散遵遵从费克克扩散定定理，费费克扩散散方程如如下所示示：扩散系数数D是表表征扩散散行为的的重要参参量扩扩散系数数是温度度的函数数：可以看出出扩散系系数与温温度是指指数关系系，因此此扩散工工艺应严严格控制制温度以以保证扩扩散的质质量另另外，扩扩散系数数与杂质质种类和和扩散机机构有关关，在特特定条件件下扩散散系数DD还会受受到表面面杂质浓浓度Nss、衬底底杂质浓浓度NB、衬底底取向和和衬底晶晶格等影影响。

费克扩散散方程的的物理意意义：在热扩散散过程中中，扩散散由浓度度梯度的的存在而而引发在在浓度梯梯度的作作用下，将将引起某某位置点点杂质的的积累或或丢失它它们之间间的相互互制约关关系均反反映在扩扩散方程程中对对应于不不同的初初始条件件、边界界条件，将将会对扩扩散的动动态变化化有不同同的描述述，则会会得到不不同的扩扩散方程程的解根据扩散散时半导导体表面面杂质浓浓度变化化的情况况来区分分，扩散散有两类类：恒定定表面源源扩散和和恒定杂杂质总量量扩散对于恒定定表面源源扩散，其其初始条条件。