微电子实验报告

泸州职业技术学院实验报告

学生姓名周民斌班级

名称

2011级微电1班专业微电子技术

课程名称集成电路设计指导教师吕老师实验时间2013年 06 月 20 日 17 周星期

实验名称：实验一，氧化工艺实验，实验二，光刻工艺实验，实验三，硼扩散工艺实验，实验四，磷扩散工艺实验。

实验目的，实验原理，实验步骤

实验一氧化工艺实验

一、实验目的

1.学习硅片清洗

2.氧化工艺操作

二、实验原理

1.硅片清洗

硅片清洗液是指能够除去硅片表面沾污物的化学试剂或几种化学试剂配制的混合液。常用硅片清洗液有：

名称配方使用条件作用备注

I号洗液NH4OH：

H2O2：

H2O=1：1：

5~1：2：7 80±5℃

10min

去油脂

去光刻胶残膜

去金属离子

去金属原子

II号洗液HCL：H2O2：

H2O=1：1：

6~1：2：8 80±5℃

10min

去金属离子

去金属原子

III号洗液H2SO4：

H2O=3：1 120±10℃

10~15min

去油

去腊

去金属离子

去金属原子

2.氧化原理

二氧化硅能够紧紧地依附在硅衬底表面，具有极稳定的化学性和电绝缘性，因此，二氧化硅可以用来作为器件的保护层和钝化层，以及电性能的隔离、绝缘材料和电容器的介质膜。

二氧化硅的另一个重要性质，对某些杂质（如硼、磷、砷等）起到掩蔽作用。从而可以实行选择扩散；正是利用这一性质，并结合光刻和扩散工艺，才发展起来平面工艺和超大规模集成电路。

制备二氧化硅的方法很多，但热氧化制备的二氧化硅掩蔽能力最强。是集成电路工艺最重要的工艺之一，本实验为热氧化二氧化硅制备工艺。

根据迪尔就格罗夫模型，热氧化过程须经历如下过程：

1.氧化剂从其他内部以扩散形式穿过滞留层运动到SiO2-气体界面，其流密度用F1表示。流密度定义为单位时间通过单位面积的粒子数。

2.氧化剂以扩散方式穿过SiO2层（忽略漂移的影响），到达SiO2-Si界面，其流密度用F2表示。

3. 氧化剂在Si表面与Si反应声称SiO2，流密度用F3表示。

4.反应的副产物离开界面

氧化的致密性和氧化层厚度与氧化气氛（氧气、水气）、温度和气压有密切关系。应用于集成电路掩蔽的热氧化工艺一般采用氧——湿氧——干氧工艺制备。

三、实验步骤

1.开氧化炉，并将温暖设定到750~850℃，开氧气流量2升/分钟。

2.打开净化台，将清洗好的硅片装入石英舟，然后，将石英舟推到恒温区。并开始升温。

3.达到氧化温度后，调整气流量3升/分钟，并开始计时，干氧时间30分钟。

4.在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到95~98℃。干氧完成后，开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。湿氧时间3小时。

5.湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟并开始计时，干氧时间30分钟。

6.干氧完成后，开氮气流量计，调整氮气流量3升/分钟，并开始降温，降温时间30分钟。

7.将石英舟拉出，并在净化台内将硅片取出，同时，检测氧化层表面状况和厚度。

关闭氧化炉，关气体。实验结束。

实验二光刻工艺实验

一、实验目的

1.了解集成电路器件的结构。

2.了解光刻工艺过程

二、实验原理

光刻工艺是加工制造集成电路微图形结构的关键工艺技术，起源于印刷技术中的照相制版。是在一个平面（硅片）上，加工形成微图形。光刻工艺包括涂胶、曝光、显影、腐蚀等工序。集成电路对光刻的基本要求有如下几个方面：

1.高分辨率：一个有10万元件组成的集成电路，其图形最小条宽为3um，而由

500万元件组成的集成电路，其图形最小条宽为1.5~2um，百万以上元件组成

的集成电路，其图形最小条宽 1um，因此，集成度提高则要求条宽越细，也

就要求光刻技术的图形分辨率越高。条宽是光刻水平的标志，代表集成电路发

展的水平。

2.高灵敏度：灵敏度是指光刻机的感光速度，集成电路要求产量要大，因此，曝

光时间应短，这就要求光刻胶的灵敏度要高。

3.低缺陷：如果一个集成电路芯片上出现一个缺陷，则整个芯片将失效，集成电

路制造过程包含几十道工序，其中光刻工序就有10多次，因此，要求光刻工

艺缺陷尽量少，否则，就无法制造集成电路。

4.精密的套刻对准：集成电路的图形结果需要多次光刻完成，每次曝光都需要相

互套准，因此集成电路对光刻套准要求非常高，其误差允许为最小条宽的10%

左右。

集成电路所用的光刻胶有正胶和负胶两种：正性光刻胶通常由碱溶性酚醛树脂、光敏阻溶剂组成，光敏剂可使光刻胶在显影液中溶解度减小，但曝光将使光敏阻溶剂分解，使光刻胶溶解度大大增加而被显掉，未曝光部分由于溶解度小而留下。负性光刻胶和正性光刻胶相反，负性光刻胶在曝光前能溶于显影液，曝光后，由于光化反应交链成难溶大分子而留下，未曝光部分溶于显影液而显掉。由此完成图形复制。本实验采用负性光刻胶。

三、实验步骤

1.实验准备：

（1）开前烘，坚膜烘箱，前烘温度设定95~110℃，坚膜温度为135~145℃。

（2）涂胶前15分钟开启涂胶净化台，调整转速，以满足实验要求。

（3）光刻前30分钟，开启光刻机汞灯。

（4）开启腐蚀恒温槽，温度设定40℃。

（5）清洗胶瓶和吸管，并倒好光刻胶。

（6）清洗掩膜版，并在净化台下吹干。

2.涂胶

光刻工艺实验采用旋转涂胶法，涂胶前设定好均匀转速和时间，甩干制式和时间。将氧化完成或扩散完成的硅片放在涂胶头上，滴上光刻胶进行涂胶，要求胶面均匀、无缺陷、无未涂区域。

3.前烘

将涂好光刻胶的硅片放如前烘烘箱，并计时，前烘完成后将硅片取出。

4.对准

将掩膜版上在光刻机上，并进行图形套准。

5.曝光

将套准后的硅片顶紧，检查套准误差、检查曝光时间，决人无误后，进行曝光。

6.显影

本实验采用浸泡显影，分别在1#显影液，2#显影液显3~5分钟，然后在定影液定影3~5分钟，之后在甩干机中甩干，在显微镜下检查是否合格，否则，返工。

7.坚膜

在显影检查合格后，将硅片放入坚膜烘箱进行坚膜，设定坚膜时间。

8.腐蚀

将坚膜好的硅片准备腐蚀，首先确认氧化层厚度，计算腐蚀时间。然后进行腐蚀，腐蚀后冲水10分钟，甩干后在显微镜下检查是否腐蚀干净，若未腐蚀干净继续腐蚀

9.去胶

硅片腐蚀完成后，在3#液中将光刻胶去掉，并冲洗干净，实验结束。

实验三硼扩散工艺实验

一、实验目的

1.了解基区扩散

2.了解硼扩散工艺

二、实验原理

扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动，各种分离器件和集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散，硼扩散工艺是将一定数量的硼杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片

原来的电学性质

硼扩散是属于替位式扩散，采用预扩散和再扩散两步扩散法，

第一步，预扩散硼杂质浓度分布方程为：

121(,){2)}s N x t N erfc x DT =

表示恒定表面浓度（杂质在预扩散温度的固溶度），D1为预扩散温度的扩散系数，x 表示由表面算起的垂直距离（cm ），t 为扩散时间。此分布为余误差分布。

第二步，主扩散

硼再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度分布方程为：

224122(,)()x D t

Qe N x t D T π-=

其中Q 为扩散入硅片杂质总量：

0(,)Q N x t dt ∞

=? D2为主扩散（再分布）温度的扩散系数。杂质分布为高斯分布。

三、实验步骤

1. 实验准备

（1）开扩散炉，并将温度设定到750~850℃，开氮气流量3升/分钟。

（2）清洗源瓶，并到好硼源。

（3）开涂源净化台，并调整好涂源转速。

2. 硅片清洗：（见氧化实验硅片清洗）将清洗好的硅片甩干。

3. 将清洗干净、甩干的硅片涂上硼源。

4. 从石英管中取出石英舟，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。

5. 调节温控器，使温度达到预扩散温度，并开始计时。

6. 预扩散完成后，拉出石英舟，取出硅片，漂去硼硅玻璃，冲洗干净后，检测R 值。

7. 将预扩散硅片用2#液清洗，冲洗干净甩干。

8. 取出再扩散石英舟，将甩干的硅片装入石英舟，并将石英舟推到恒温区。

9. 调节稳控器，使温度达到再扩散温暖，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，根据工艺条件进行干氧。

10.在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到95~98℃。干氧完成后，开湿氧流量计，立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。根据工艺条件进行湿氧。

11.湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并根据工艺条件确定干氧时间。

12.干氧完成后，开氮气流量计，调整氮气流量3升/分钟，并根据工艺条件确定氮气时间。

13.氮气完成后，主扩散结束，调整温控器降温，氮气流量不变，时间30分钟。

14.降温完成后，拉出石英舟，取出硅片，检测氧化层厚度、均匀性，漂去氧化层，冲洗干净后，检测R 值、结深。

15.将扩散后的硅片交光刻工艺，光刻完成后，检测击穿电压。硼扩散工艺实验结束。

实验四 磷扩散工艺实验

一、实验目的

1.了解发射区扩散

2.了解磷扩散工艺及β调试

二、实验原理

扩散是微观粒子的一种极为普遍的热运动，各种分离器件和集成电路制造中的固态扩散工艺简称扩散，磷扩散工艺是将一定数量的磷杂质掺入到硅片晶体中，以改变硅片原来的电学性质。

磷扩散是属于替位式扩散，采用预扩散和再扩散两步扩散法，

第一步，预扩散磷杂质浓度分布方程为：

121(,){2)}s N x t N erfc x DT =

表示恒定表面浓度（杂质在预扩散温度的固溶度），D1为预扩散温度的扩散系数，x 表示由表面算起的垂直距离（cm ），t 为扩散时间。此分布为余误差分布。

第二步，主扩散

磷再扩散为有限表面源扩散，杂质浓度分布方程为：

224122(,)()x D t

Qe N x t D T π-=

其中Q 为扩散入硅片杂质总量：

0(,)Q N x t dt ∞

=? D2为主扩散（再分布）温度的扩散系数。杂质分布为高斯分布。

磷杂质在硅中扩散系数较大，且固溶度高，因此，磷杂质一般作为双极型集成电路的发生区扩散。

三、实验步骤

1.实验准备

开扩散炉，并将温度设定到750~850℃，开氮气流量3升/分钟。本实验采用液态源扩散，源温用低温恒温槽保持在5℃以内。

2. 硅片清洗：（见氧化实验硅片清洗）将清洗好的硅片甩干。

3. 从石英管中取出石英舟，将硅片装在石英舟上，并将石英舟推到恒温区。

4. 调节温控器，使温度达到预扩散温度，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，根据工艺条件进行干氧。

5. 干氧完成后，开氮气流量计，按工艺条件调节氮气氧气比例，然后，开通源阀，使通源流量达到工艺要求，并开始计时。

6. 通源完成后，关闭通源流量计，保持氮气、氧气流量进行吹气，吹气完成后，调整氮气流量3升/分钟，关闭氧气流量计，同时调整扩散炉稳控器，进行降温30分钟。之后，拉出石英舟，取出硅片，漂去磷硅玻璃，冲洗干净后，检测R 值。

7. 将预扩散硅片用2#液清洗，冲洗干净甩干。

8. 取出再扩散石英舟，将甩干的硅片装入石英舟，并将石英舟推到恒温区。

9. 调节温控器，使温度达到再扩散温度，调整氧气流量3升/分钟，并开始计时，根据工艺条件进行干氧。

10. 在开始干氧的同时，将湿氧水壶加热到95~98℃。干氧完成后，开湿氧流量计，

立即进入湿氧化。同时关闭干氧流量计。根据工艺条件进行湿氧。

11.湿氧完成，开干氧流量计，调整氧气流量3升/分钟，并根据工艺条件确定干氧

时间。

12.干氧完成后，开氮气流量计，调整氮气流量3升/分钟，并根据工艺条件确定氮

气时间。

13.氮气完成后，主扩散结束，调整温控器降温，氮气流量不变，时间30分钟。

14.降温完成后，拉出石英舟，取出硅片，检测氧化层厚度、均匀性，漂去氧化层，

冲洗干净后，检测R

值、结深、β值。

15.将扩散后的硅片交光刻工艺，光刻完成后，检测击穿电压、β值。

16.根据实测β值，与工艺要求进行比较，如果不满足工艺条件，重新计算再扩散时

间，并制定再扩散工艺条件，直到达到设计要求。磷扩散工艺实验结束。