半导体工艺实习实验指导书
电控学院电子科学与技术学科部
半导体工艺实习基地
2008年9月
目录
目录 (1)
前言 (2)
原理篇 (3)
氧化 (5)
扩散 (7)
光刻和刻蚀 (10)
RIE 干法刻蚀 (14)
薄膜淀积 (14)
PECVD等离子体增强化学气相淀积 (16)
操作篇 (17)
半导体工艺操作注意事项 (17)
NPN双极晶体管版图 (19)
NPN双极晶体管制备流程框图 (21)
NPN双极性晶体管制备流程 (21)
NPN双极性晶体管制备流程 (22)
晶体管NPN双极性晶体管制备工艺流程卡 (23)
实验设备、仪器和使用工具清单 (25)
具体工艺条件 (26)
设备篇 (29)
氧化扩散炉 (29)
光刻机 (32)
真空镀膜机 (39)
微控四探针测试仪 (41)
结深测试仪 (46)
晶体管测试仪 (52)
反应离子刻蚀RIE (54)
等离子体化学气相淀积PECVD (56)
成绩评定方法 (58)
实验报告模板 (59)
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，程尧海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
2008.9
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、基区和发射区的杂质浓度。
图1.2 NPN晶体管纵向结构图
在硅平面工艺中，集电区、基区和发射区不同的杂质浓度由高温热扩散完成，图1.3是晶体管的剖面图。
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，
如：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：
图1.4 高浓度补偿扩散
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1000℃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+O2 ? SiO2
Si + 2H2O ? SiO2 + H2 ?
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-SiO2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-SiO2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。
由化学反应引起的硅的消耗量，大约是最终氧化层厚度的 44% ，如图 1.5 所示。
图1.5 高温氧化生长SiO2膜
在高温氧化中，依据热生长动力学和迪尔格罗夫模型，氧化层的厚度可以表示为：
?
'
≤
+1 1/∞
t ox = A2 t +?
A2 / 4B ?
其中，A和B是与氧分子扩散有关的常数，? 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，水汽或湿氧氧化速率高、但生成的二氧化硅膜结构疏松且表面呈亲水性，干氧氧化生成的二氧化硅膜干燥致密，但其氧化速率最低。实际热氧化工艺的选择是根据前述讨论的各种热氧化方法的结构特点和工艺特点，对应矛盾的热氧化工艺要求，即要求有较高的氧化速率又要求生成干燥致密的呈疏水性的二氧化硅表面，选择干氧-湿氧-干氧的实际热氧化工艺。氧化完成后，根据芯片表面颜色大致可以判断出氧化硅的厚度。因为不同厚度的氧化硅对可见光的折射率不同，芯片表面氧化硅的颜色会随着厚度的变化呈现周期性变化，下面是不同厚度对应的大致颜色，可作为氧化层厚度的大致判断依据。
颜色灰氧化膜厚度（埃）100
300
800
黄褐蓝
紫1000
1500
1850
2100
2250
2500 2750
3000
3300
3700
4000
4350
4650
4900
5600
5600
6000
6250
6500
6800
7200
7500
深蓝
绿
黄
橙
红
扩散
双极性npn晶体管需要掺杂工艺获得特定类型，如p型或n型半导体以形成
pn结，通常通过扩散或离子注入工艺实现。概念表述如下：
1. 掺杂-将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中的规定
区域，达到改变材料导电类型或电学性质的过程。
2. 扩散掺杂-依赖杂质的浓度梯度形成扩散掺杂的过程。
3. 离子注入掺杂-杂质通过离化、加速形成高能离子流，靠能量打入半导体
材料的规定区域、活化形成杂质分布的过程。
在传统硅平面工艺中采用高温扩散工艺实现特定类型特定浓度的掺杂。半导体杂质的扩散在800℃-1400℃温度范围内进行。从本质上讲，扩散是微观离子
作无规则热运动的统计结果，这种运动是由离子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，而使得离子的分布趋于均匀。
半导体中杂质的扩散有两种机制：空位交换机制和填隙扩散机制。杂质原子从一个晶格位置移动，如果相邻的晶格位置是一个空位，杂质原子占据空位，这称为空位交换模式。若一个填隙原子从某位置移动到另一个间隙中而不占据一个晶格位置，这种机制称为填隙扩散机制。从理论上讲，热扩散遵从费克扩散定理，费克扩散方程如下所示：
N t = D
X2N
2
扩散系数D是表征扩散行为的重要参量。扩散系数是温度的函数：
D=D0 exp( Ea / kT)
可以看出扩散系数与温度是指数关系，因此扩散工艺应严格控制温度以保证扩散的质量。另外，扩散系数与杂质种类和扩散机构有关，在特定条件下扩散系数D 还会受到表面杂质浓度Ns、衬底杂质浓度N B、衬底取向和衬底晶格等影响。
费克扩散方程的物理意义：
在热扩散过程中，扩散由浓度梯度的存在而引发。在浓度梯度的作用下，将引起某位置点杂质的积累或丢失。它们之间的相互制约关系均反映在扩散方程
中。对应于不同的初始条件、边界条件，将会对扩散的动态变化有不同的描述， 则会得到不同的扩散方程的解。
根据扩散时半导体表面杂质浓度变化的情况来区分，扩散有两类：恒定表面
源扩散和恒定杂质总量扩散。
对于恒定表面源扩散，其初始条件和边界条件如下：
边界条件：N(x ，0)＝0；
初始条件：N(0，t)=Ns ，N(∞，t)=0
此时费克扩散方程的解：
( N (x,t ) = N s erfc x / 2 Dt )
对于恒定表面源扩散，在一定的、尽可能低的扩散温度和规定的扩散时间下，
被扩散的硅片始终处于掺杂杂质源的饱和气氛之中。可以想见，在该过程中（由 于在尽可能低的温度下），杂质缺乏足够的能量向硅体内的纵深处扩散，而更多 地淀积在距表面（X=O 处）十分有限的区域内。此刻，硅体表面的最大表面浓度 将恒定在当前状态下的特定杂质在体内的最大溶解度——固体溶解度 Ns 上(固 体溶解度：在一定温度下，某杂质能溶入固体硅中的最大溶解度的值。)此时芯 片内杂质满足余误差分布，如图1.6所示。扩散入芯片的杂质总量表示为：
2
Q (t ) =+0 N (x,t )dx = N s Dt H 1.13N s Dt 图1.6 恒定表面源扩散的杂质分布
对于恒定杂质总量扩散，其初始条件和边界条件如下：
边界条件：N(x,0)＝0， x>h ；
N(x,0)=Q/h=Ns(0)；
初始条件：N(∞，t)=0
此时费克扩散方程的解：
Q N (x,t ) = e x 2 / 4Dt
Dt
对于恒定杂质总量扩散，已经淀积在硅片表面的一定总量的杂质将在浓度梯度的作用下，继续向体内纵深处扩散。当然，随着杂质向体内纵深处的扩散，杂质的表面浓度也将由原预淀积时的固溶度值开始下降。此时芯片内杂质分布满足高斯分布，如图1.7所示：
图1.7 恒定杂质总量扩散的杂质分布
重要的是：恒定杂质总量的扩散工艺，虽然不再向系统提供杂质气氛，但提供氧化气氛按氧化的模式推进该热驱动过程，则在杂质向体内纵深处扩散的同时，硅片的表面又生成了一层符合工艺要求的二氧化硅薄膜（该过程的时间应首先满足杂质推移深度的要求，而 Si02介质膜的厚度可由干氧氧化与湿氧氧化的步序搭配来调节）。
实际的芯片扩散工艺通常采用两步扩散法：
第一步：预扩散或预淀积，采用恒定表面源扩散方式，温度低时间短，因而扩散的很浅，可以认为杂质淀积在一薄层内，可以很好控制杂质总量Q。杂质按余误差函数形式分布。
第二步：主扩散或再分布，是将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在高温下进行扩散，可以控制表面浓度和扩散深度。杂质按高斯函数形式分布。图1.8是预扩散和主扩散的杂质分布图。
图1.8 预扩和主扩后的杂质分布图
扩散深度和扩散后被扩散区的方块电阻是检验扩散工艺的两个重要参量。
理论上，结深Xj是杂质浓度等于衬底浓度NB时所在的位置。我们可以通过前面得道德恒定表面源扩散和恒定杂质总量的杂质分布表达式，从理论上计算扩
散可以得到的节深Xj 。
-1 N B N s
恒定表面源扩散： X j = 2 Dt erfc N 恒定杂质总量扩散： X j = 2 Dt ln s
N B 实际生产中通常采用磨角染色法或磨槽染色法测定扩散得到的结深。
从前面对三极管的分析可以看出，基区的宽度严重影响着三极管的性能，要
很好的控制基区宽度，就要很好的控制扩散的结深。决定扩散结深的因素主要有 以下四个：衬底杂质浓度 N B ，表面杂志浓度 Ns ，扩散时间 t 和扩散温度 T 。因 此要精确的选择控制扩散的工艺，如考虑再分布扩散时伴随二氧化硅的生长，消 耗掉了部分硅层，以此对扩散结深 Xj 进行修正；同理，预淀积扩散后含杂的部 分硅层变成了二氧化硅层，这使预淀积扩散在硅体内造成的杂质总量起了变化， 以此对扩散杂质总量 Q 进行修正。由修正后的参量，进行预淀积扩散工艺条件
T1 和 t1 的选择，进行再分布扩散工艺条件 T2 和 t2 的选择，选择时应注意 t2 必须满足等于t 干1 + t 湿 + t 干2这样的氧化条件，以保证在主扩散的同时芯片表 面生成可以作为进一步工艺掩蔽膜的二氧化硅层。
方块电阻表征扩散结果的电学特性。方块电阻又称为扩散薄层电阻 R S ，指的是 表面为正方形的扩散薄层，在电流平行于该正方形的某一边流过时所呈现出的电 阻值。通过理论推导可以得出：
Rs H 1/q ?Q
Q 是单位面积衬底扩散的杂质总量，因此 Rs 的大小反映了扩散到芯片体内的杂 质总量的多少，杂质总量Q 越大，R 就越小。通常实际生产中采用四探针法测定 方块电阻。
实际扩散工艺可以分为气-固扩散法和固-固扩散法。气-固扩散法又可分为
气态源扩散、固态源扩散和液态源扩散三种方式。
1. 气态源扩散：杂质源为气态，稀释后挥发进入扩散系统。
2. 液态源扩散：杂质源为液态，由保护性气体携带进入扩散系统。
3. 固态源扩散：杂质源为固态，通入保护性气体，在扩散系统中完成杂质
由源到硅片表面的气相输运。
4. 固-固扩散：在硅片表面制备一层固态杂质源，通过加热处理使杂质由固
态杂质源直接向固体硅中扩散掺杂的过程。
硅的 n 型杂质源通常为 P 或As ，p 型杂质源通常为 B 。采用气-固扩散法，
常用的杂质源包括：固态源---BN,As2O3，液态源---BBr3,AsCl3, POCl3，气体 源---B2H6,AsH3 ,PH3。
光刻和刻蚀
正如前面所言，光刻工艺是半导体器件和集成电路制造的重要工艺步骤。光
刻的精确度决定着器件和集成电路的最小尺寸。
光刻的定义如下：利用光刻胶的光敏性和抗蚀性，配合光掩模版对光透射的
选择性，使用光学和化学的方法完成特定区域的刻蚀(光刻=图形复印+定域刻
蚀)。具体的说，光刻是一种复印图象与化学腐蚀相结合的综合性技术，它先采用照像复印的方法，将光刻掩模板上的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的SiO2 层或金属蒸发层上，在适当波长光的照射下，光致抗证剂发生变化，从而提高强度，不溶于某些有机溶剂中，未受光照射的部分光致抗蚀剂不发生变化，很容易被某些有机溶剂溶解(或者因为选用的胶性质不同而正好相反)。然后利用光致抗蚀剂的保护作用，对SiO2层或金属蒸发层进行选择性化学腐蚀，从而在SiO2 层或金属层上得到与光刻掩模板相对应的图形。如图1.9所示。
图1.9 光刻的原理图
光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机。
一、光刻胶
光刻胶又叫光致抗蚀剂，是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体，在特定的有机溶剂中具有不同的溶解性，溶解性的改变性和耐酸碱性等特性。光刻胶一般由感光树脂、溶剂、增感剂和辅助稳定剂构成。配以不同的溶剂和增感剂，能得到性质不同的光刻胶，具有不同的溶解性和溶解性的转变性，即在特定波长光线的照射作用后，光刻胶能吸收一定波长的光能量，使其发生交联、聚合或分解等光化学反应，由原来的线状结构变成三维的网状结构，从而提高了抗蚀能力，不再溶于有机溶剂，也不再受一般腐蚀剂的腐蚀。
正胶和负胶是常用的两种胶。对于负胶，原胶易溶，感光后胶体发生聚合反应，变得难溶，称为光致抗蚀。负胶的分辨率差，适于加工线宽≥3 m的线条。正胶与负胶性质相反，原胶难溶，感光后胶体发生分解反应，变得易溶，成为光致不抗蚀。正胶分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶。
光刻工艺对光刻胶的要求有如下几点：
涂敷方便
粘附性好
具有较高的分辨率
具有较高的感光度
显影质量好
抗蚀性能好
胶的稳定性好
因此，光刻胶的质量参数包括：
光刻胶的感光度：