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实习报告(覃继良201149.doc 任务书目录一、任务目标.5二、工艺原理.5（一）、单晶硅的制备.8（二）、氧化工艺.101、二氧化硅结构、性质.102、ic中常见的二氧化硅生长方法133、热氧化过程中的硅片表面位置的变化.144、影响氧化速率的因素15（三）、扩散工艺.161、扩散机构.162、扩散方程.162、磷扩散原理18（四）、离子注入.191、lss理论.202、注入损伤.20（五）、光刻工艺.211、光刻胶.222、改进光刻胶技术.243、光刻掩模版.25（六）、薄膜沉积技术.261、物理汽相淀积（pvd）262、化学汽相淀积（cvd）.263、热氧化法（thermaloidation）274、电镀法（plating）275、物理淀积28三、工艺设备.28（一）、清洗室设备281、产生去离子水的提纯设备282、清洗系统.29（二）、氧化室设备.31（三）、光刻室设备.321、匀胶机322、曝光机323、烘干机.33（四）、蒸发室设备.33四、操作流程.34（一）、准备工作.34（二）、清洗.341、一号液清洗（nh4oh、h2o2、h2o）342、二号液清洗（hcl、h2o2、h2o）.343、流动的高纯水冲洗.35（三）氧化.35操作具体流程和步骤.36（四）、光刻和刻蚀.37（五）、硼的扩散37硼预扩.38硼主扩.38（六）、磷的扩散.38磷预扩散.38磷主扩散.39（七）、蒸发镀铝.39五、数据以及结果分析40第一次光刻结果：.41第二次光刻结果：.42第三次光刻结果：.42成品的结果.43总结.44参考资料.44一、任务目标本次实习，是根据我们集成电路设计与集成系统的课程而设计的，旨在让我们真实的了解集成电路制造的整个流程。结合课程，学习在ic工艺中用到的各种仪器设备，各种材料等，深入了解集成工艺的原理，深化课堂学到的理论知识。在实习的过程中，理解各个环节的原理，深刻体会各个环节的操作步骤，了解在每一个工艺流程中所用的材料和试剂。虽然在自动化高度发展的今天，手工的操作在ic制造的过程中是不可或缺的，每一种自动化的背后都是仿制人的行为，然后转化为机器操作，所以，虽然我们手工没有能够达到自动化机器那样的精度和效率，但是在实习中，手工操作一些步骤是非常有必要的。比如在光刻的这样的环节，我们学习操作甩胶，光刻对准清洗等，我们就能很清晰的去理解整个环节。总之，本次实习是抱着学习的态度去的，虽然成品很重要。本次实习相当于我们进入ic制造领域的启蒙课程，在我们今后的学习工作中会有很大的帮助。同时我们注意到，在这个领域中，重复的操作很多，但是每一个步骤都有严格的规定，我们必须养成良好的习惯，才能够在我们以后的工作中得心应手。本次实习，我们的目标是制作半导体三极管，我们知道这是一种分离的元件，并不等同于半导体器件的制造，在ic制造行业中，更多的是制造集成的芯片。制造分离的元件和制造集成ic有没有多得的区别，他们的区别在于集成ic有很多个独立的元件，在制造过程中，会比单个分离的元件复杂，也会相应的多出一些工序，比如元件的隔离，元件的金属连接等，但是，虽然有这样的区别，但是整个整体的工艺流程在单个分离元件的制造中也可以很好并且比较完整的体现，并且，单个分立元件的制造流程比较简单，操作也相对容易，对我们学习的实习非常有帮助。我们的目标是熟悉整个工艺流程，养成良好的操作习惯，深化我们所学的知识，在这样的前提下，尽可能多的制造出合格的成品。二、工艺原理本次实习主要是双极性npn晶体管的制备。图2.1是pnp晶体管和npn晶体管的结构示意图。下载:75ic工艺实习报告(覃继良201149.doc 任务书目录一、任务目标.5二、工艺原理.5（一）、单晶硅的制备.8（二）、氧化工艺.101、二氧化硅结构、性质.102、ic中常见的二氧化硅生长方法133、热氧化过程中的硅片表面位置的变化.144、影响氧化速率的因素15（三）、扩散工艺.161、扩散机构.162、扩散方程.162、磷扩散原理18（四）、离子注入.191、lss理论.202、注入损伤.20（五）、光刻工艺.211、光刻胶.222、改进光刻胶技术.243、光刻掩模版.25（六）、薄膜沉积技术.261、物理汽相淀积（pvd）262、化学汽相淀积（cvd）.263、热氧化法（thermaloidation）274、电镀法（plating）275、物理淀积28三、工艺设备.28（一）、清洗室设备281、产生去离子水的提纯设备282、清洗系统.29（二）、氧化室设备.31（三）、光刻室设备.321、匀胶机322、曝光机323、烘干机.33（四）、蒸发室设备.33四、操作流程.34（一）、准备工作.34（二）、清洗.341、一号液清洗（nh4oh、h2o2、h2o）342、二号液清洗（hcl、h2o2、h2o）.343、流动的高纯水冲洗.35（三）氧化.35操作具体流程和步骤.36（四）、光刻和刻蚀.37（五）、硼的扩散37硼预扩.38硼主扩.38（六）、磷的扩散.38磷预扩散.38磷主扩散.39（七）、蒸发镀铝.39五、数据以及结果分析40第一次光刻结果：.41第二次光刻结果：.42第三次光刻结果：.42成品的结果.43总结.44参考资料.44一、任务目标本次实习，是根据我们集成电路设计与集成系统的课程而设计的，旨在让我们真实的了解集成电路制造的整个流程。结合课程，学习在ic工艺中用到的各种仪器设备，各种材料等，深入了解集成工艺的原理，深化课堂学到的理论知识。在实习的过程中，理解各个环节的原理，深刻体会各个环节的操作步骤，了解在每一个工艺流程中所用的材料和试剂。虽然在自动化高度发展的今天，手工的操作在ic制造的过程中是不可或缺的，每一种自动化的背后都是仿制人的行为，然后转化为机器操作，所以，虽然我们手工没有能够达到自动化机器那样的精度和效率，但是在实习中，手工操作一些步骤是非常有必要的。比如在光刻的这样的环节，我们学习操作甩胶，光刻对准清洗等，我们就能很清晰的去理解整个环节。总之，本次实习是抱着学习的态度去的，虽然成品很重要。本次实习相当于我们进入ic制造领域的启蒙课程，在我们今后的学习工作中会有很大的帮助。同时我们注意到，在这个领域中，重复的操作很多，但是每一个步骤都有严格的规定，我们必须养成良好的习惯，才能够在我们以后的工作中得心应手。本次实习，我们的目标是制作半导体三极管，我们知道这是一种分离的元件，并不等同于半导体器件的制造，在ic制造行业中，更多的是制造集成的芯片。制造分离的元件和制造集成ic有没有多得的区别，他们的区别在于集成ic有很多个独立的元件，在制造过程中，会比单个分离的元件复杂，也会相应的多出一些工序，比如元件的隔离，元件的金属连接等，但是，虽然有这样的区别，但是整个整体的工艺流程在单个分离元件的制造中也可以很好并且比较完整的体现，并且，单个分立元件的制造流程比较简单，操作也相对容易，对我们学习的实习非常有帮助。我们的目标是熟悉整个工艺流程，养成良好的操作习惯，深化我们所学的知识，在这样的前提下，尽可能多的制造出合格的成品。二、工艺原理本次实习主要是双极性npn晶体管的制备。图2.1是pnp晶体管和npn晶体管的结构示意图。下载:75ic工艺实习报告(覃继良201149.doc 图2.1pnp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2.2npn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2.3是晶体管的剖面图。图2.3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2.4所示：图2.4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。硅平面制造工艺是分立元件和集成电路制造的主要工艺方式。硅集成平面工艺主要经历一下的几个流程：1、2、3、4、5、单晶硅制造。这是整个工艺得以开始的前提。氧化。氧化工艺是制备二氧化膜的工艺。扩散。对硅片不同区域掺杂，形成不同导电类型的半导体。光刻和刻蚀。这个整个工艺中的关键，就是把电路图形转移到硅片上。薄膜淀积。淀积是在硅片上淀积各种材料的薄膜。下面，逐一阐述各个流程（一）、单晶硅的制备单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直径越大的圆片，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（cz）、区熔法（fz）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前，单晶硅的直拉法生长已是单晶硅制备的主要技术。它的原料是天然的硅石，高纯度的制备流程如图2.1.1所示图2.1.1单晶硅制备流程图1、工业粗硅是用硅石和焦炭以一定的比例混合，在高温下（1600—1800℃）制成纯度为9599%的粗硅化学方程式：sio2+2csi+2co2、将工业粗硅在加热的情况下直接和氯气反应得到低纯度的四氯化硅，其反应温度为200300℃。其化学反应方程式为si+2cl2=sicl43、4、5、再由低纯度的四氯化硅精馏提纯得到高纯度的四氯化硅精馏提纯后的四氯化硅和氢气还原出高纯度的多晶硅反应温度为1100℃左右，其化学化学方程式为sicl4+2h2si+4hcl得到的多晶硅并不是我们所要的，在经过直拉法得到单晶硅，其简易流程为对于集成电路使用的单晶硅，一般需要对单晶硅棒进行：切断、滚圆（或切方块）、切片、倒角、化学腐蚀和抛光等工艺。至此，单晶硅硅片制备完成了。图2.1.2单晶硅片这个部分的工艺由于实验基地的限制，我们并没有经过这一个流程，我们的硅片直接是从市场上买回来的，衬底已经掺杂的符合规格的硅片。（二）、氧化工艺氧化工艺是制备二氧化硅膜的工艺。1、二氧化硅结构、性质sio2的极易生成是最大的优点之一。当硅片表面暴露在氧气当中时，就会形成sio2。sio2膜的原子结构如图所示。它是由一个硅原子被4个氧原子包围着的四面体单元组成的。是一种无定型的玻璃状结构，具体地说是一种近程的网状结构，没有长程有序的晶格周期。下载:75ic工艺实习报告(覃继良201149.doc 图2.2.1二氧化硅的院子结构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。二氧化硅的用途1、用于杂质选择扩散的掩蔽膜常用杂质(硼,磷,砷等)在氧化层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数，因此氧化层具有阻挡杂质向半导体中扩散的能力。利用这一性质，在硅上的二氧化硅层上刻出选择扩散窗口，则在窗口区就可以向硅中扩散杂质，其它区域被二氧化硅屏蔽，没有杂质进入，实现对硅的选择性扩散。2、缓冲介质层其一：硅与氮化硅的应力较大，因此在两层之间生长一层氧化层，以缓冲两者之间的应力，如二次氧化；其二：也可作为注入缓冲介质，以减少注入对器件表面的损伤。si3n4sio2图2.2.2二氧化硅在硅片中作缓冲介质3、电容的介质材料电容的计算公式：c=?0?rs/d?0：真空介质常数?r：相对介电常数s：电容区面积d：介质层厚度二氧化硅的相对介电常数为34。二氧化硅的耐击穿能力强，温度系数小，是制作电容介质的常用材料。在电容的制作过程中，电容的面积和光刻、腐蚀有较大的关系，而厚度则由二氧化硅的厚度决定。4、集成电路的隔离介质二氧化硅的隔离效果比pn结的隔离效果好，漏电流小，耐击穿能力强，隔离区和衬底之间的寄生电容小，不受外界偏压的影响，使器件有较高的开关速度。如工艺中常用的场氧化就是生长较厚的二氧化硅膜，达到器件隔离的目的。图2.2.4二氧化硅做隔离介质5、mos场效应晶体管的绝缘栅材料sio2well二氧化硅的厚度和质量直接决定着mos场效应晶体管的多个电参数，因此在栅氧化的工艺控制中，要求特别严格。2图2.2.5二氧化硅做绝缘栅材料1960年二氧化硅就已被用作晶体管选择扩散的掩蔽膜，从而导致了硅平面工艺的诞生，开创了半导体制造技术的新阶段。同时二氧化硅也可在注入工艺中，作为选择注入的掩蔽膜。作为掩蔽膜时，一定要保证足够厚的厚度，杂质在二氧化硅中的扩散或穿透深度必须要小于二氧化硅的厚度，并有一定的余量，以防止可能出现的工艺波动影响掩蔽效果。图2.2.6sio2在一个pmosfet结构中的应用(剖面示意图)2、ic中常见的二氧化硅生长方法下面介绍二氧化法制备二氧化硅sio2的方法有很多，比如而分解淀积法、溅射法、真空蒸馏法、阳极氧化法、化学气相淀积法、热氧化法等。每一种方法各有特点，但是热氧化生长法制备的sio2是质量最好的，是集成电路的重要工艺之一。（1）、干氧氧化干氧氧化是指在高温下，氧气与硅生成sio2干氧氧化化学反应式：si+o2sio2氧分子以扩散的方式通过氧化层到达二氧化硅硅表面，与硅发生反应，生成一定厚度的二氧化硅层。干氧氧化制作的sio2结构致密，均匀性、重复性好，掩蔽能力强，对光刻胶的粘附性较好，但生长速率较慢；一般用于高质量的氧化，如栅氧等；厚层氧化时用作起始和终止氧化；薄层缓冲氧化也使用此法。温度为9001200℃。干氧氧化的特点是：氧化速率慢，sio2膜结构致密、干燥(与光刻胶粘附性好)，掩蔽能力强。（2）、水汽氧化水汽氧化是指在高温下，硅与高纯水产生的水蒸气反应生成sio2反应式为2h2o+sisio2+2h2水汽氧化的特点：水汽氧化生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，有较多缺陷。（3）湿氧氧化湿氧氧化是指氧化剂通过高纯水的氧气，高纯水一般要加热到95℃，sio2的生长速度和sio2的质量是介于湿氧氧化和干氧氧化之间。湿氧氧化反应气体中包括o2和h2o，实际上是两种氧化的结合使用。湿氧氧化化学反应式：h2+o2h2oh2o+sisio2+2h2si+o2sio2通常，在世界生产中，根据要求，采取干氧—湿氧—干氧的方法，这样的工艺方法使得表面的sio2质量得到了保证。湿氧氧化的氧化层对杂质掩蔽能力以及均匀性均能满足工艺要求，并且氧化速率比干氧氧化有明显提高，因此在厚层氧化中得到了较为广泛的应用，如场氧化等。3、热氧化过程中的硅片表面位置的变化如果热生长的二氧化硅厚度是0（um），所消耗的硅厚度为1，则：a=1/0=0.46即生长1um的sio2，要消耗掉0.46um的si。但不同热氧化生长的sio2的密度不同，a值会略有差异。4、影响氧化速率的因素1、热氧化模型简介硅片的热氧化过程是氧化剂穿透二氧化硅层向二氧化硅和硅界面运动并与硅进行反应。dealgrove方程具体描述了这种热氧化过程。dealgrove膜厚方程式：2+a=b（t+?）式中：a=2d0（1/ks+1/h）b=2d0n/n?=（i2+ai）/bd0：氧化剂在二氧化硅中的有效扩散系数；h：气相输运常数ks：界面反应速率常数；n：氧化剂在氧化层中的平衡浓度i：初始氧化层厚度；n：形成单位体积二氧化硅所需的氧分子数极限情况1：短时间氧化时=（b/a）tb/a：线性氧化速率常数极限情况2：长时间氧化时2=btb：抛物线速率常数这两个速率常数都与工艺方法、氧化温度、氧化剂的分压、晶向有关系。氧化温度的影响：温度越高，氧化速率越快。硅片晶向的影响：线性速率常数与晶向有较大的关系，各种晶向的园片其氧化速率为：(110)poly()(100)掺杂杂质浓度的影响：当掺杂杂质的浓度相当高时，会产生增强氧化，使氧化速率发生较大变化。氧化剂分压的影响：在前面介绍的湿氧氧化中，如果改变h2或o2的流量，就会使水汽和氧气的分压比降低，使氧化速率变化。下载:75ic工艺实习报告(覃继良201149.doc （三）、扩散工艺扩散技术目的在于控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度和pn结。在集成电路发展初期是半导体器件生产的主要技术之一。但随着离子注入的出现，扩散工艺在制备浅结、低浓度掺杂和控制精度等方面的巨大劣势日益突出，在制造技术中的使用已大大降低。1、扩散机构（1）、替位式扩散机构这种杂质原子或离子大小与si原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。（2）、填隙式扩散机构这种杂质原子大小与si原子大小差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍、铁等重金属元素等是此种方式。2、扩散方程?n/?t=d2n/?2n=n（，t）杂质的浓度分布函数，单位是cm3d：扩散系数，单位是cm2/s加入边界条件和初始条件，对上述方程进行求解，结果如下面两小节所诉。（1）、恒定表面浓度扩散整个扩散过程中，硅片表面浓度ns保持不变n（，t）=nserfc（/（2（dt）1/2））式中erfc称作余误差函数，因此恒定表面浓度扩散分布符合余误差分布。（2）、限定源扩散杂质源限定在硅片表面薄的一层，杂质总量q是常数。n（，t）=（q/（?dt）1/2）ep（2/4dt）ep（2/4dt）是高斯函数，因此限定源扩散时的杂质分布是高斯函数分布。由以上的求解公式，可以看出扩散系数d以及表面浓度对恒定表面扩散的影响相当大（3）、扩散系数扩散系数是描述杂质在硅中扩散快慢的一个参数，用字母d表示。d大，扩散速率快。d与扩散温度t、杂质浓度n、衬底浓度nb、扩散气氛、衬底晶向、缺陷等因素有关。d=d0ep（e/kt）t：绝对温度；k：波尔兹曼常数；e：扩散激活能d0：频率因子（4）、杂质在硅中的固溶度杂质扩散进入硅中后，与硅形成固溶体。在一定的温度下，杂质在硅中有一个最大的溶解度，其对应的杂质浓度，称该温度下杂质在硅中的固溶度。固溶度在一定程度上决定了硅片的表面浓度。2、磷扩散原理使用pbr3源，反应式如下：4pbr3+5o22p2o5+6br22p2o5+5si5sio2+4p（1）、磷扩散工艺主要参数（1）、结深（2）、扩散电阻还有现行的主要控制参数（3）、表面浓度以上这三项参数都与掺杂时间、掺杂温度、磷源流量等有密切的关系（2）、影响磷扩散的因素炉管温度和源温炉管温度会影响杂质在硅中的固溶度，从而影响掺杂电阻；pbr3是挥发性较强的物质，温度的大小会影响源气的挥发量，使源气蒸气压发生变化，从而影响掺杂杂质总量,因此必须保证温度稳定。源流量设置磷源流量设置的大小决定了淀积时间的长短，使推结的时间变化，从而影响了表面浓度和电阻。时间一般不易偏差，取决于时钟的精确度排风排风不畅，会使掺杂气体不能及时排出，集中在炉管之内，使掺杂电阻难于控制。（四）、离子注入把掺杂剂的原子引入固体中的一种材料改性方法。简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。半导体工艺中应用的离子注入是将高能量的杂质离子导入到半导体晶体，以改变半导体，尤其是表面层的电学性质.离子注入的优点1、注入杂质不受材料溶解度，扩散系数，化学结合力的限制，原则上对各种材料都可掺2、可精确控制能量和剂量，从而精确控制掺杂量和深度3、较小的恒向扩散4、掺杂均匀性好，电阻率均匀性可达1%5、纯度高，不受所用化学品纯度影响6、可在较低温度下掺杂离子注入的缺点：1、入射离子对衬底有损伤；2、很浅和很深的结难于制得；3、高剂量注入产率受限制；4、设备昂贵。1、lss理论在离子注入时，主要有两种阻止机构是注入的离子运动形态改变：核阻止和电子阻止。这就是著名的lss理论；即s=sn+se核碰撞（核阻止）注入离子和晶格原子的原子核发生碰撞，并发生明显的散射，而且造成大量晶格损伤电子碰撞（电子阻止）注入离子和晶格原子的电子发生碰撞，并且注入离子的路径基本不发生变化，所以能量转移很小以及造成的晶格损伤很小图2.3.1离子注入的阻止机构能量损失示意图2、注入损伤各种形式的损伤（1）、级联碰撞不同能量的注入离子与靶原子发生碰撞的情况：eed，不会产生移位原子，表现形式为宏观热能；ede2ed，产生一个移位原子和一个空位；e2ed，被撞原子本身移位之后，还有足够高的能量于其他原子发生碰撞使其移位，这种不断碰撞的现象称为“级联碰撞”.（2）、产生孤立的点缺陷或缺陷群（e=ed)下载:75ic工艺实习报告(覃继良201149.doc 图5.1.1第一次光刻结果图5.1.2第一次光刻出现的缺陷（1）图5.1.2第一次光刻出现的缺陷（2）图5.2.1第二次光刻在硅片上的图形图5.2.2第二次光刻出现的的缺陷第三次光刻结果：图5.3.1第三次光刻在硅片上的图形图5.3.2第三次光刻出现的缺陷成品的结果图5.4.1最终成品在硅片上的图形图5.4.2成品的iv特性曲线总结本次实习收获很大，不是说我们收获了成品，而是说这个过程中，我们学到了很多我们学不到的东西，比如说操作、经验公式和经验数据等。亲自动手让我们最本专业产生更浓厚的兴趣，从而也巩固了我们所学的知识。在这一个领域中，很多东西都是实验的结果，在理论层面上还是无法解释一些现象，所以我们应该更好好学习这门课程，打好我们专业的基础。参考资料