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編輯推薦

適讀人群 ：微電子相關專業教師、研究生、本科生、專科生
《微電子製造技術實驗教程》可作為高等院校微電子及相關專業的實驗教材，也可作為教師和一般微電子製造工程技術人員的參考資料。

內容簡介

《微電子製造技術實驗教程》是麵嚮微電子及相關專業的實驗教程，以微電子器件製造過程為主綫，重點闡述學生在微電子製造技術學習中必須掌握的基礎知識和實驗方法。第1、2章介紹清洗、氧化、擴散、離子注入、光刻、刻蝕、沉積等相關製造工藝的基礎知識和基礎實驗，詳細闡述各項單步工藝的實驗原理、實驗設備、實驗方法和步驟。第3章介紹微電子器件製造過程中的物理性能測試實驗和電學性能測試實驗。第4章介紹二極管、肖特基二極管、三極管、CMOS管、集成電阻器等器件的製造以及集成運算放大器的參數測試、邏輯IC功能和參數的測試兩個綜閤實驗。《微電子製造技術實驗教程》共28個實驗項目，各實驗相互獨立，不同學校可根據實際實驗條件選用。

目錄

第1章基礎知識1
1.1矽片1
1.2清洗2
1.3氧化4
1.4擴散7
1.5離子注入11
1.6光刻13
1.7刻蝕18
1.8化學氣相沉積22
1.8.1APCVD22
1.8.2LPCVD23
1.8.3PECVD25
1.9物理氣相沉積29
1.9.1蒸發29
1.9.2磁控濺射31
第2章基礎工藝實驗33
2.1清洗工藝實驗33
2.1.1實驗目的33
2.1.2實驗原理33
2.1.3實驗內容34
2.1.4實驗設備與器材34
2.1.5實驗步驟34
2.1.6注意事項35
2.1.7思考題35
2.2氧化工藝實驗35
2.2.1實驗目的35
2.2.2實驗原理36
2.2.3實驗內容37
2.2.4實驗設備與器材37
2.2.5實驗步驟37
2.2.6注意事項38
2.2.7思考題38
2.3擴散工藝實驗39
2.3.1實驗目的39
2.3.2實驗原理39
2.3.3實驗內容40
2.3.4實驗設備與器材40
2.3.5實驗步驟40
2.3.6注意事項41
2.3.7思考題41
2.4離子注入實驗41
2.4.1實驗目的41
2.4.2實驗原理41
2.4.3實驗內容43
2.4.4實驗設備與器材43
2.4.5實驗步驟43
2.4.6注意事項43
2.4.7思考題43
2.5光刻實驗44
2.5.1實驗目的44
2.5.2實驗原理44
2.5.3實驗內容44
2.5.4實驗設備與器材45
2.5.5實驗步驟45
2.5.6注意事項45
2.5.7思考題45
2.6濕法刻蝕工藝實驗46
2.6.1矽刻蝕46
2.6.2濕法刻蝕實驗48
2.6.3氮化矽的刻蝕50
2.6.4鋁刻蝕52
2.7乾法刻蝕實驗53
2.7.1實驗目的53
2.7.2實驗原理54
2.7.3實驗內容56
2.7.4實驗設備與器材56
2.7.5實驗步驟56
2.7.6注意事項58
2.7.7思考題58
2.8化學氣相沉積實驗58
2.8.1LPCVD製備Si3N4、SiO2薄膜及非晶矽薄膜58
2.8.2PECVD製備Si3N4、SiO2薄膜及非晶矽薄膜60
2.9金屬薄膜製備實驗63
2.9.1電子束蒸發工藝實驗63
2.9.2磁控濺射工藝實驗65
2.10金屬剝離工藝實驗68
2.10.1實驗目的68
2.10.2實驗原理68
2.10.3實驗內容69
2.10.4實驗設備與器材69
2.10.5實驗步驟70
2.10.6注意事項70
2.10.7思考題70
第3章基礎測試實驗71
3.1物理性能測試實驗71
3.1.1SiO2厚度測試實驗71
3.1.2方塊電阻的測量實驗74
3.1.3結深的測量實驗78
3.2電學性能測試80
3.2.1晶圓級二極管性能測試實驗84
3.2.2晶圓級雙極型晶體管性能測試實驗86
3.2.3晶圓級MOS管性能測試實驗89
第4章微電子製造綜閤實驗93
4.1二極管製造實驗93
4.1.1實驗目的93
4.1.2實驗原理93
4.1.3實驗內容97
4.1.4實驗設備與器材97
4.1.6實驗注意事項99
4.1.7思考題99
4.2肖特基二極管製造試驗100
4.2.1實驗目的100
4.2.2實驗原理100
4.2.3實驗內容102
4.2.4實驗設備與器材103
4.2.5實驗步驟103
4.2.6實驗注意事項104
4.2.7思考題104
4.3三極管製造實驗104
4.3.1實驗目的104
4.3.2實驗原理105
4.3.3實驗內容109
4.3.4實驗設備與器材109
4.3.5實驗步驟109
4.3.6實驗注意事項111
4.3.7思考題111
4.4CMOS管製造實驗111
4.4.1實驗目的111
4.4.2實驗原理111
4.4.3實驗內容116
4.4.4實驗設備與器材116
4.4.5實驗步驟117
4.4.6實驗注意事項118
4.4.7思考題119
4.5集成電阻器製造實驗119
4.5.1實驗目的119
4.5.2實驗原理120
4.5.3實驗內容124
4.5.4實驗設備與器材124
4.5.5實驗步驟124
4.5.6實驗注意事項126
4.5.7思考題126
4.6集成運算放大器參數測試實驗126
4.6.1實驗目的126
4.6.2實驗原理127
4.6.3實驗內容128
4.6.4實驗設備與器材128
4.6.5實驗步驟129
4.6.6思考題134
4.7邏輯IC功能和參數測試實驗134
4.7.1實驗目的134
4.7.2實驗原理134
4.7.3實驗內容146
4.7.4實驗設備與器材147
4.7.5實驗步驟148
4.7.6思考題152
主要參考文獻153

精彩書摘

第1章基礎知識
1.1矽片
矽是一種半導體材料，位於元素周期錶的Ⅳ族，有無定形體和晶體兩種類型。矽作為一種常見元素，通常不以純矽的形式存在，而是以氧化物和矽酸鹽的形式存在於自然界中，例如，沙礫、石英的主要成分是矽的氧化物，岩石的主要成分就是矽酸鹽。
在微電子製造中使用的矽是單晶結構，首先是將石英砂還原後製成半導體級高純度多晶矽，然後再由多晶矽經過晶體生長而形成的。在拉製單晶時，不摻入雜質就得到本徵矽錠(純單晶矽)，摻入硼雜質可得到p型單晶矽錠，摻入磷、砷等雜質可得到n型單晶矽錠。
矽片製備要經過多道工序，將圓柱形的矽錠切割成矽片，其步驟包括機械加工、拋光、質量檢查等。矽片製備流程如圖1.1所示。
圖1.1矽片製備過程
矽片根據晶嚮不同分為(111)型和(100)型。在半導體界通過在矽錠上做定位邊來標明矽片的類型，主定位邊標明晶體結構的晶嚮，次定位邊標明晶嚮和導電類型。6in以下的矽片用定位邊標誌，如圖1.2所示。8in以上的矽片用定位槽和矽片背麵邊緣區域的激光刻印標誌，如圖1.3所示。
矽片尺寸是按照矽片直徑劃分的，主要有2in、3in、4in、6in、8in、12in等，如圖1.4所示。
矽片的主要技術指標有物理尺寸(直徑、厚度)、晶嚮、電阻率、平整度、缺陷密度等。
圖1.2定位邊標識圖1.3矽片的定位槽
圖1.4矽片尺寸示意圖
1.2清洗
在微電子器件製造過程中，每道工序都會有一定的雜質沾汙，清洗工藝是非常重要的。矽片錶麵沾汙的顆粒、金屬雜質、有機物雜質、自然氧化層等汙染物對器件的性能、穩定性、可靠性和電路的成品率有極大的影響。
矽片沾汙以顆粒、薄層等形式存在，包括分子化閤物、離子物質和原子物質。分子化閤物汙染主要包括樹脂、油脂、光刻膠、有機試劑殘留和金屬氧化物等，通常以物理吸附的方式黏附在矽片錶麵。離子型沾汙包括陰離子物質和陽離子物質，多數是無機化閤物，以化學鍵的方式吸附在矽片錶麵，如K、Na、Al、Mg、Fe、Cr、Ti、Cl、S等，這類雜質來源廣泛，可能來自於空氣、去離子水、化學試劑和生産設備、用具等。原子物質主要是Au、Ag、Cu、Fe等金屬雜質，它們通過化學吸附方式吸附在矽片錶麵。自然氧化層也是一種沾汙，它是矽片暴露於空氣或者含氧去離子水中，在室溫條件下自然氧化的氧化層，厚度隨著暴露時間的增長而增厚。
矽片沾汙對微電子器件的性能、成品率的影響非常復雜。分子沾汙膜層掩蔽矽片錶麵，影響清洗效果，對沉積膜的粘連也造成瞭影響。例如，在光刻工藝中，沾汙影響光刻膠的附著性和光刻圖形，光刻質量也會受到影響。離子沾汙在氧化、擴散、退火等高溫工藝中由矽片錶麵擴散進矽片內部或在錶麵發生擴散，從而造成器件的電性能缺陷和成品率損失。金屬沾汙在高溫工藝中易擴散進矽片內，在禁帶中産生缺陷或者形成復閤中心，降低錶麵少子壽命，增加錶麵復閤率，從而造成漏電流增大，影響器件的性能。
矽片沾汙來源是多方麵的，可能來源於矽片加工過程中的設備、氣體管道、各種化學材料、純水、人員等，是人為不可控製的，因此在每步製造工藝前要進行清洗，去除雜質沾汙。
矽片清洗常用的方法有物理清洗和化學清洗。物理清洗主要是指刷洗、去離子水衝洗和超聲波清洗，去除矽片錶麵吸附的雜質和顆粒。化學清洗是以酸性、堿性溶液和矽片錶麵沾汙的雜質(如有機物、離子、金屬等)發生氧化或者絡閤反應，産生溶於去離子水的物質，再用去離子水衝洗去掉雜質。
分子型雜質阻礙化學溶液、去離子水對沾汙下麵矽片錶麵的清洗，因此矽片清洗時首先要去掉它們，然後再進行離子型雜質和原子型雜質的清洗。去除分子型雜質使用濃硫酸/過氧化氫7∶3的混閤液(3＃液)來完成，二者為體積比，在125℃溫度下浸泡10～20min，使有機物碳化脫附、金屬氧化，然後再用大量去離子水衝洗；也可以用氫氧化銨/過氧化氫/去離子水1∶1∶5的混閤溶液(1＃液)去除分子型雜質，過氧化氫的氧化作用也可以使有機物碳化脫附，還可以和Au、Ag、Cu、Ni、Gr等金屬離子發生絡閤反應，産生不溶於水的金屬氫氧化物。
離子沾汙因為化學吸附性較強，很難去除，一般用鹽酸/過氧化氫/去離子水1∶1∶6的混閤溶液(2＃液)，在75～85℃的溫度下浸泡10～20min，去除矽片錶麵的金屬離子、不溶於水的氫氧化物(Al(OH)3、Fe(OH)3、Zn(OH)2)和沒有完全脫附的金屬雜質。
矽片的自然氧化層用氫氟酸/去離子水1∶50的混閤液去除，將矽片浸入氫氟酸溶液中，矽片錶麵由親水性變成疏水性，錶明矽片錶麵的二氧化矽完全去除瞭。擴散工藝中産生的硼矽玻璃、磷矽玻璃也可以用這個方法去除。
常用的化學清洗液有以下幾種：
(1)1液：氫氧化銨/過氧化氫/去離子水(1∶1∶5)。
使用方法：75～85℃，浸泡10～20min。
作用：去除矽片錶麵的顆粒和有機物雜質。
(2)2液：鹽酸/過氧化氫/去離子水(1∶1∶6)。
使用方法：75～85℃，浸泡10～20min。
作用：去除矽片錶麵的金屬雜質。
(3)3液：硫酸/過氧化氫(7∶3)。
使用方法：125℃，10～20min。
作用：去除矽片錶麵的有機物和金屬雜質。
(4)SiO4漂洗液：氫氟酸/去離子水(1∶50)。
使用方法：25℃，浸泡20～60s。
作用：去除矽片錶麵的自然氧化。
矽片的清洗順序：
(1)3＃液清洗：去除有機物和金屬→超純水清洗。
(2)1＃液清洗：去除顆粒→超純水清洗。
(3)2＃液清洗：去除金屬→超純水清洗。
(4)SiO2漂洗液清洗：去除自然氧化層→超純水清洗。
1.3氧化
生長SiO2的常見方法有高溫氧化(熱氧化)、化學氣相沉積(CVD)、電化學陽極氧化、濺射等。在矽基集成電路的生産中，主要采用高溫氧化和化學氣相沉積的方法生長SiO2薄膜，其中用得最多的是高溫氧化法。氧化即氧分子或水分子在高溫下與矽發生化學反應，並在矽片錶麵生長SiO2的過程。
生長SiO2薄膜需要消耗錶麵的矽，如圖1.5所示，每生長1個單位長度的SiO2需要消耗0.46個單位長度的矽層。不難理解，當一定厚度的Si轉變為SiO2後，其厚度將增大到原來的2.17倍。用於不同作用的氧化層所需的厚度不一樣，柵氧的氧化層很薄(幾納米至幾十納米)，場氧的氧化層較厚(幾百納米)。氧化的溫度範圍為700～1200℃，氧化層的厚度取決於氧化溫度、氧化時間和氧化的方式。
圖1.5在Si錶麵生長氧化層
氧化的方式分為乾氧氧化、濕氧氧化和水汽氧化。實踐錶明，乾氧氧化速率最慢，所得到的SiO2層質量最好，很緻密，均勻性和重復性好，且由於SiO2錶麵與光刻膠接觸良好，光刻時不易“浮膠”。而水汽氧化正好相反，其氧化速率最快，使所生長的SiO2層很疏鬆，所以很少單獨采用水汽氧化。濕氧氧化，即在氧氣中攜帶一定量的水汽，能在一定程度上解決氧化速度和氧氣質量之間的矛盾，因此適於在生長較厚的氧化層時使用。但最終濕氧氧化生成的SiO2層的質量不如乾氧氧化得好，且易引起矽錶麵內雜質的再分布。所以，當需要生長較厚的氧化層時，往往采用乾氧�彩�氧�哺裳醯難躉�方式，這既可以節約氧化時間又能保證工藝對氧化層質量的要求。錶1.1給齣瞭三種熱氧化方式所得熱氧化層的質量對比。
錶1.1三種熱氧化層質量對比
下麵討論高溫熱氧化的機理。
1)乾氧熱氧化
在高溫下，O4與Si接觸時是通過以下化學反應在矽錶麵形成SiO2的：
Si(固體)+O2(氣體)SiO2(固體)
可見一個氧分子就可以生成一個SiO2分子。最開始，矽片錶麵無SiO2薄膜時，通過上麵反應方程式在矽片錶麵生長SiO2薄層。隨著SiO2層的生成，在O2和Si錶麵之間隔著一層SiO2，此SiO2層阻擋瞭氧氣和Si的直接接觸，O2必須穿過已生長的SiO2層到達SiO2�睸i的界麵，纔能和Si發生反應，如圖1.6所示。在氧化初期，錶麵反應是限製生長速率的主要因素，此時氧化層厚度與時間成正比，為綫性氧化。當生長的氧化層厚度大於150�@時，氧化速率受限於擴散速度，氧化生長的厚度與氧化時間的平方根成正比，氧化厚度隨時間的變化為拋物綫關係。隨著氧化的進行，SiO2層將不斷增厚，氧化速率也就越來越慢。
(a)氧化反應初始狀態；(b)氧化反應過程
圖1.6Si的氧化過程示意圖
假設初始氧化層厚度為t0，熱氧化生長的氧化層厚度為tox，氧化時間為t，則矽氧化的一般關係式為
t2ox+Atox=B(t+τ)
式中，A和B為常數，由氧化的工藝條件決定，如錶1.2所示。
在綫性區，氧化層厚度與氧化時間的關係為
tox≈BA(t+τ)
當氧化層厚度較厚時，在拋物綫區，氧化層厚度和氧化時間的關係為
t2ox≈B(t+τ)
式中，BA為綫性氧化速率常數；B為拋物綫型氧化速率常數；τ的物理意義為初始氧化層t0引起的時間坐標平移。在計算氧化層生長厚度時，需要通過初始厚度t0確定τ，再將τ與t相加獲得有效氧化時間，即可認為氧化從-τ時間開始進行。
錶1.2矽的氧化係數
2)水汽氧化
水汽氧化的化學反應是
Si(固體)+2H2O(氣體)SiO2(固體)+2H2(氣體)
可見需要兩個水分子纔能使一個矽原子形成一個SiO2分子，而且反應産物中齣現氫氣。同乾氧氧化的過程類似，水汽氧化也是水分子通過擴散穿過生成的SiO2層到達SiO2�睸i界麵與Si發生化學反應，如圖1.6所示。不同的是水汽氧化産生的氫分子也需要通過SiO2層逸齣。由此氫在SiO2中的擴散速度比在H2O中大得多，所以在水汽氧化過程中，H2的擴散逸齣過程可以忽略。由於水汽氧化過程中SiO2網絡不斷遭受削弱，緻使水分子在SiO2中擴散也較快(在1200℃以下，水分子的擴散速度要比氧離子快10倍)。因此，水汽氧化的速度要比乾氧氧化快很多。
影響SiO2生長的因素有以下幾個：
(1)溫度。高溫將加快矽和氧的化學反應，並且能夠提高氧在氧化層中的擴散速度，因此提高溫度能增大氧化速率。
(2)水汽。濕氧或者水汽氧化的氧化速率均高於乾氧氧化的速率。
(3)壓力效應。氧化層的生長速率依賴於氧化劑從氣相運動到矽界麵的速度，增大壓強可以使氧原子更快地穿越已生長的氧化矽層。
(4)晶嚮。(111)麵的矽原子密度比(100)麵原子密度大。在綫性階段，(111)麵矽的氧化速率比(100)麵的氧化速率要大，但在拋物綫階段拋物綫速率係數B不依賴於矽襯底的晶嚮。
(5)摻雜效應。重摻雜的矽比輕摻雜的矽氧化速度快。在綫性階段，硼摻雜和磷摻雜的速率係數相差不大，而在拋物綫階段，硼摻雜比磷摻雜氧化得快。
(6)氯化物的作用。在氧化過程中加入氯可從以下方麵顯著改善SiO2的特性：鈍化可移動離子，減少可動離子電荷；增加氧化層下麵矽中少數載流子的壽命；減少SiO2的缺陷，增強氧化矽的抗擊穿能力；降低界麵態密度和錶麵固定電荷密度；減少氧化層下麵矽中由於氧化導緻的堆積層錯；氧化速率可提高10%～15%。
最後需要說明的是，在矽片錶麵長一層SiO2薄膜後，由於光的乾涉作用，通過肉眼可明顯看齣顔色變化，氧化層錶麵的顔色隨SiO2層厚度變化，如錶1.3所示。但是氧化層顔色隨SiO2層厚度的增加呈周期性變化。對應同一種顔色，可能有幾個不同的厚度，還需要結閤具體的工藝條件判斷齣具體的厚度。此方法隻適用於氧化膜厚度在1μm以下的情況。注意，錶1.3中所列的顔色是照明光源與眼睛均垂直於矽片錶麵時所觀測的顔色。

前言/序言

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