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1、 硅平面 NPN 三极管设计与管芯制作四川大学 物理学院 微电子学 谭迁宁（第二组）摘要：本实验报告立足于微电子实验室的现有条件，根据实验要求的放大倍数与击穿电压设计出其他的工艺参数与各区的参数。然后在实验室里用抛光好的硅片经过氧化、扩散、光刻以及其他步骤制作出能够用晶体管特性仪测试的 NPN 管，然后利用特性仪测试各参数并理解工艺条件对三极管各个参数的影响。关键词：NPN 三极管 放大倍数 击穿电压 方块电阻一、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
2、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
3、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 三极管设计根据实验的要求，本实验设计目标为放大倍数 55；击穿电压 60V；样品三极管的纵向和横向结构如下：图 1：晶体管结构示意图器件制备工艺流程： 硅 片 清 洗 一 次 氧 化 一 次 光 刻 基 区 硼 扩 散 预 淀 积 再 分 布 二 次 光 刻发 射 区 磷 扩 及 三 极 管 特 性 测 试工艺参数的设计过程：n+npEBC一)晶体管参数设计在实验室里，硅片的衬底电阻率为 3-6 CM，查表一得所对应的
4、 Nc= 厘米1503。设 B、E 区都为均匀掺杂。设： =EN厘米3， = 厘米201BN1803， =1.3um.EW采用浅基区近似,则 0220()BEEpieieBpwpniedxDS可写为：20BiEpeENW其中： =340/130=2.6(由表一查得)，nBpED= =0.19（由图二2ieBEnx()/gBEKT查得）代入各数据求得, =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。 （在与设计报告中由于BN180EN201E对 的取值有偏差，严重偏小，故设计出来的 Wb 偏小，
5、在实验室根本不能实现。 ）EW二）晶体管制工艺参数设计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。扩散工艺及时间、温度确定和步骤如下：a) 衬底氧化采用干氧湿氧干氧的步骤进行氧化温度 T=1100 干氧 10min，由半导体手册图七查得生成 0.5 氧化层m。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m以确定湿氧总时间为 30min+1.1min，由图 OX-2 查得 tox
6、=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。oxt所以最终生成 7000 埃氧化层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i. 硼预沉积设温度 T=955，采用高斯分布模型查表得 Cs= ， =0.085()2/TsQtCDt2013cmD/h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
7、厘米 3 方块电阻值的参考值为 4560 欧姆/ ,此时结深为 1um。ii. 硼推进扩散（在氧气气氛中） T=11004lnTj BxDtCt=2.37um =0.27j /mh近似认为为 求得 t=50minB1503c在此过程中同时产生了氧化层。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 ()2/TsQtCDt=0.2 = 求得 t=15min， =1.25um。D/mhsC13.0cmjx三、晶体管制作过程实验室提供了 8 块硅片，其中 5 块正片，3 块陪片。实验分为两组：其中一组使用实验室所提供是实验参数和条件，采用 2 块正片 2 块陪片；另一组使用我
8、们自己设计的实验参数和实验条件进行实验，采用 3 块正片 1 块陪片。实验过程中用陪片确定方块电阻，以此来确定下一组的工艺参数和下一步继续实验的工艺参数。在最后一步磷扩中，更是分成了更多的组，每一组做出来后用 I-V 测试仪对各结的 I-V 特性进行测量，然后调整下一组的工艺参数，以满足我们的设计目标（放大倍数 55, 击穿电压 60-80V） 。a、清洗在制备样片和其中使用的陪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。清洗硅片过程中使用的药品名称及作用见表1。名称
9、 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：H 2O2：NH 4OH=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实验中的清洗过程见表 2：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：硅片清洗流程在清洗过程中切记要注
10、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。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。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。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:N
11、H4F:H2O=3:6:10) 刻蚀液表 3：光刻药品及其作用光刻过程中使用的主要仪器及其作用见表 4。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：光刻仪器及其作用光刻的步骤如下：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。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
12、的耐磨性。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 1min30s10s。要求：保证对准精度和曝光时间。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。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。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。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
13、区域保存下来。条件：42水浴，3-4min。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。两组实验温度如表 5：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。扩散后用 HF 溶液（HF:H2O=1:10）腐蚀氧化层。样片腐蚀 30s，正片 15s（防止过多腐蚀一次氧化光刻后留下的氧化层，造成氧化台阶不明显） 。腐蚀完毕用去离子水清洗，准
14、备再分布使用对陪片用四探针测试方块电阻。调整电压，使测试电流大小为 1mA，测试数据记录。再分布扩散及氧化将清洗后的样片进行再分布扩散的同时进行氧化，在氧气的氛围中进行，采用干氧湿氧干氧的方法，两端采用干氧主要是为了使接触面更致密以及和光刻胶的粘附性好。再分布的温度一般比预沉积高接近两百度左右。将再分布后的样片用 HF 溶液（HF:H2O=1:1）腐蚀样片氧化层，时间为 3-4 分钟用去离子水清洗硅片，然后对陪片用四探针测试方块电阻，并记录数据。e、二次光刻在硼扩散之后就形成了晶体管的基区，之后就要进行二次光刻以便进行发射区的磷扩散，基本上二次光刻与一次光刻的过程是一样的，只是二次光刻需要进行
15、对准，并且相当重要。二次光刻的掩模如下：图 9：二次光刻掩模f、发射区磷扩散两组实验磷扩温度见表 6。实验室数据组（） 自己设计数据组（）1060 950表 6：发射区磷扩温度当刻出发射区窗口后，发射区的扩散就是样品制备的最后一个过程。将清洗后的样片和陪片正面向上放置于磷源上，前后均有磷源。放入恒温区进行扩散。一般磷扩的温度不能超过再分布的温度，以防止影响硼扩散的再分布结果。由于我们组的片子较多，我们组的磷扩分为 3 组完成。也就是说每组磷扩的片子中都包含两片：实验室数据组片子和自己设计数据组片子。因此，测试也是分为 3 组来测的。3 组实验温度和时间如表 7。第 1 组 第 2 组 第 3
16、组温度（） 1070 1070 1065时间（min） 10 5 10表 7：3 组磷扩实验条件将扩散过后的样片取出， 制备工艺分析用 HF 溶液（HF:H2O=1:1）腐蚀氧化层，时间为 3-4 分钟。腐蚀完毕用去离子水清洗。用四探针测试陪片的方块电阻，用图示仪观察样片的输出特性曲线和各结击穿特性电压，测试并记录数据。四、 实验结果及数据分析（1） 、方块电阻 R 的测试与分析，实验中第一组为实验室数据组，第二组为自己设计数据组。硼扩预淀积方块电阻，再分布后的方快电阻硼预扩散测得的方块电阻如表 8。单位为 /一次 二次 三次 平均前陪片（第一组） 12.254=49 12.84=51.2 13.654=54.6 12.94=51.6
