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编辑推荐

适读人群 ：微电子相关专业教师、研究生、本科生、专科生
《微电子制造技术实验教程》可作为高等院校微电子及相关专业的实验教材，也可作为教师和一般微电子制造工程技术人员的参考资料。

内容简介

《微电子制造技术实验教程》是面向微电子及相关专业的实验教程，以微电子器件制造过程为主线，重点阐述学生在微电子制造技术学习中必须掌握的基础知识和实验方法。第1、2章介绍清洗、氧化、扩散、离子注入、光刻、刻蚀、沉积等相关制造工艺的基础知识和基础实验，详细阐述各项单步工艺的实验原理、实验设备、实验方法和步骤。第3章介绍微电子器件制造过程中的物理性能测试实验和电学性能测试实验。第4章介绍二极管、肖特基二极管、三极管、CMOS管、集成电阻器等器件的制造以及集成运算放大器的参数测试、逻辑IC功能和参数的测试两个综合实验。《微电子制造技术实验教程》共28个实验项目，各实验相互独立，不同学校可根据实际实验条件选用。

目录

第1章基础知识1
1.1硅片1
1.2清洗2
1.3氧化4
1.4扩散7
1.5离子注入11
1.6光刻13
1.7刻蚀18
1.8化学气相沉积22
1.8.1APCVD22
1.8.2LPCVD23
1.8.3PECVD25
1.9物理气相沉积29
1.9.1蒸发29
1.9.2磁控溅射31
第2章基础工艺实验33
2.1清洗工艺实验33
2.1.1实验目的33
2.1.2实验原理33
2.1.3实验内容34
2.1.4实验设备与器材34
2.1.5实验步骤34
2.1.6注意事项35
2.1.7思考题35
2.2氧化工艺实验35
2.2.1实验目的35
2.2.2实验原理36
2.2.3实验内容37
2.2.4实验设备与器材37
2.2.5实验步骤37
2.2.6注意事项38
2.2.7思考题38
2.3扩散工艺实验39
2.3.1实验目的39
2.3.2实验原理39
2.3.3实验内容40
2.3.4实验设备与器材40
2.3.5实验步骤40
2.3.6注意事项41
2.3.7思考题41
2.4离子注入实验41
2.4.1实验目的41
2.4.2实验原理41
2.4.3实验内容43
2.4.4实验设备与器材43
2.4.5实验步骤43
2.4.6注意事项43
2.4.7思考题43
2.5光刻实验44
2.5.1实验目的44
2.5.2实验原理44
2.5.3实验内容44
2.5.4实验设备与器材45
2.5.5实验步骤45
2.5.6注意事项45
2.5.7思考题45
2.6湿法刻蚀工艺实验46
2.6.1硅刻蚀46
2.6.2湿法刻蚀实验48
2.6.3氮化硅的刻蚀50
2.6.4铝刻蚀52
2.7干法刻蚀实验53
2.7.1实验目的53
2.7.2实验原理54
2.7.3实验内容56
2.7.4实验设备与器材56
2.7.5实验步骤56
2.7.6注意事项58
2.7.7思考题58
2.8化学气相沉积实验58
2.8.1LPCVD制备Si3N4、SiO2薄膜及非晶硅薄膜58
2.8.2PECVD制备Si3N4、SiO2薄膜及非晶硅薄膜60
2.9金属薄膜制备实验63
2.9.1电子束蒸发工艺实验63
2.9.2磁控溅射工艺实验65
2.10金属剥离工艺实验68
2.10.1实验目的68
2.10.2实验原理68
2.10.3实验内容69
2.10.4实验设备与器材69
2.10.5实验步骤70
2.10.6注意事项70
2.10.7思考题70
第3章基础测试实验71
3.1物理性能测试实验71
3.1.1SiO2厚度测试实验71
3.1.2方块电阻的测量实验74
3.1.3结深的测量实验78
3.2电学性能测试80
3.2.1晶圆级二极管性能测试实验84
3.2.2晶圆级双极型晶体管性能测试实验86
3.2.3晶圆级MOS管性能测试实验89
第4章微电子制造综合实验93
4.1二极管制造实验93
4.1.1实验目的93
4.1.2实验原理93
4.1.3实验内容97
4.1.4实验设备与器材97
4.1.6实验注意事项99
4.1.7思考题99
4.2肖特基二极管制造试验100
4.2.1实验目的100
4.2.2实验原理100
4.2.3实验内容102
4.2.4实验设备与器材103
4.2.5实验步骤103
4.2.6实验注意事项104
4.2.7思考题104
4.3三极管制造实验104
4.3.1实验目的104
4.3.2实验原理105
4.3.3实验内容109
4.3.4实验设备与器材109
4.3.5实验步骤109
4.3.6实验注意事项111
4.3.7思考题111
4.4CMOS管制造实验111
4.4.1实验目的111
4.4.2实验原理111
4.4.3实验内容116
4.4.4实验设备与器材116
4.4.5实验步骤117
4.4.6实验注意事项118
4.4.7思考题119
4.5集成电阻器制造实验119
4.5.1实验目的119
4.5.2实验原理120
4.5.3实验内容124
4.5.4实验设备与器材124
4.5.5实验步骤124
4.5.6实验注意事项126
4.5.7思考题126
4.6集成运算放大器参数测试实验126
4.6.1实验目的126
4.6.2实验原理127
4.6.3实验内容128
4.6.4实验设备与器材128
4.6.5实验步骤129
4.6.6思考题134
4.7逻辑IC功能和参数测试实验134
4.7.1实验目的134
4.7.2实验原理134
4.7.3实验内容146
4.7.4实验设备与器材147
4.7.5实验步骤148
4.7.6思考题152
主要参考文献153

精彩书摘

第1章基础知识
1.1硅片
硅是一种半导体材料，位于元素周期表的Ⅳ族，有无定形体和晶体两种类型。硅作为一种常见元素，通常不以纯硅的形式存在，而是以氧化物和硅酸盐的形式存在于自然界中，例如，沙砾、石英的主要成分是硅的氧化物，岩石的主要成分就是硅酸盐。
在微电子制造中使用的硅是单晶结构，首先是将石英砂还原后制成半导体级高纯度多晶硅，然后再由多晶硅经过晶体生长而形成的。在拉制单晶时，不掺入杂质就得到本征硅锭(纯单晶硅)，掺入硼杂质可得到p型单晶硅锭，掺入磷、砷等杂质可得到n型单晶硅锭。
硅片制备要经过多道工序，将圆柱形的硅锭切割成硅片，其步骤包括机械加工、抛光、质量检查等。硅片制备流程如图1.1所示。
图1.1硅片制备过程
硅片根据晶向不同分为(111)型和(100)型。在半导体界通过在硅锭上做定位边来标明硅片的类型，主定位边标明晶体结构的晶向，次定位边标明晶向和导电类型。6in以下的硅片用定位边标志，如图1.2所示。8in以上的硅片用定位槽和硅片背面边缘区域的激光刻印标志，如图1.3所示。
硅片尺寸是按照硅片直径划分的，主要有2in、3in、4in、6in、8in、12in等，如图1.4所示。
硅片的主要技术指标有物理尺寸(直径、厚度)、晶向、电阻率、平整度、缺陷密度等。
图1.2定位边标识图1.3硅片的定位槽
图1.4硅片尺寸示意图
1.2清洗
在微电子器件制造过程中，每道工序都会有一定的杂质沾污，清洗工艺是非常重要的。硅片表面沾污的颗粒、金属杂质、有机物杂质、自然氧化层等污染物对器件的性能、稳定性、可靠性和电路的成品率有极大的影响。
硅片沾污以颗粒、薄层等形式存在，包括分子化合物、离子物质和原子物质。分子化合物污染主要包括树脂、油脂、光刻胶、有机试剂残留和金属氧化物等，通常以物理吸附的方式黏附在硅片表面。离子型沾污包括阴离子物质和阳离子物质，多数是无机化合物，以化学键的方式吸附在硅片表面，如K、Na、Al、Mg、Fe、Cr、Ti、Cl、S等，这类杂质来源广泛，可能来自于空气、去离子水、化学试剂和生产设备、用具等。原子物质主要是Au、Ag、Cu、Fe等金属杂质，它们通过化学吸附方式吸附在硅片表面。自然氧化层也是一种沾污，它是硅片暴露于空气或者含氧去离子水中，在室温条件下自然氧化的氧化层，厚度随着暴露时间的增长而增厚。
硅片沾污对微电子器件的性能、成品率的影响非常复杂。分子沾污膜层掩蔽硅片表面，影响清洗效果，对沉积膜的粘连也造成了影响。例如，在光刻工艺中，沾污影响光刻胶的附着性和光刻图形，光刻质量也会受到影响。离子沾污在氧化、扩散、退火等高温工艺中由硅片表面扩散进硅片内部或在表面发生扩散，从而造成器件的电性能缺陷和成品率损失。金属沾污在高温工艺中易扩散进硅片内，在禁带中产生缺陷或者形成复合中心，降低表面少子寿命，增加表面复合率，从而造成漏电流增大，影响器件的性能。
硅片沾污来源是多方面的，可能来源于硅片加工过程中的设备、气体管道、各种化学材料、纯水、人员等，是人为不可控制的，因此在每步制造工艺前要进行清洗，去除杂质沾污。
硅片清洗常用的方法有物理清洗和化学清洗。物理清洗主要是指刷洗、去离子水冲洗和超声波清洗，去除硅片表面吸附的杂质和颗粒。化学清洗是以酸性、碱性溶液和硅片表面沾污的杂质(如有机物、离子、金属等)发生氧化或者络合反应，产生溶于去离子水的物质，再用去离子水冲洗去掉杂质。
分子型杂质阻碍化学溶液、去离子水对沾污下面硅片表面的清洗，因此硅片清洗时首先要去掉它们，然后再进行离子型杂质和原子型杂质的清洗。去除分子型杂质使用浓硫酸/过氧化氢7∶3的混合液(3＃液)来完成，二者为体积比，在125℃温度下浸泡10～20min，使有机物碳化脱附、金属氧化，然后再用大量去离子水冲洗；也可以用氢氧化铵/过氧化氢/去离子水1∶1∶5的混合溶液(1＃液)去除分子型杂质，过氧化氢的氧化作用也可以使有机物碳化脱附，还可以和Au、Ag、Cu、Ni、Gr等金属离子发生络合反应，产生不溶于水的金属氢氧化物。
离子沾污因为化学吸附性较强，很难去除，一般用盐酸/过氧化氢/去离子水1∶1∶6的混合溶液(2＃液)，在75～85℃的温度下浸泡10～20min，去除硅片表面的金属离子、不溶于水的氢氧化物(Al(OH)3、Fe(OH)3、Zn(OH)2)和没有完全脱附的金属杂质。
硅片的自然氧化层用氢氟酸/去离子水1∶50的混合液去除，将硅片浸入氢氟酸溶液中，硅片表面由亲水性变成疏水性，表明硅片表面的二氧化硅完全去除了。扩散工艺中产生的硼硅玻璃、磷硅玻璃也可以用这个方法去除。
常用的化学清洗液有以下几种：
(1)1液：氢氧化铵/过氧化氢/去离子水(1∶1∶5)。
使用方法：75～85℃，浸泡10～20min。
作用：去除硅片表面的颗粒和有机物杂质。
(2)2液：盐酸/过氧化氢/去离子水(1∶1∶6)。
使用方法：75～85℃，浸泡10～20min。
作用：去除硅片表面的金属杂质。
(3)3液：硫酸/过氧化氢(7∶3)。
使用方法：125℃，10～20min。
作用：去除硅片表面的有机物和金属杂质。
(4)SiO4漂洗液：氢氟酸/去离子水(1∶50)。
使用方法：25℃，浸泡20～60s。
作用：去除硅片表面的自然氧化。
硅片的清洗顺序：
(1)3＃液清洗：去除有机物和金属→超纯水清洗。
(2)1＃液清洗：去除颗粒→超纯水清洗。
(3)2＃液清洗：去除金属→超纯水清洗。
(4)SiO2漂洗液清洗：去除自然氧化层→超纯水清洗。
1.3氧化
生长SiO2的常见方法有高温氧化(热氧化)、化学气相沉积(CVD)、电化学阳极氧化、溅射等。在硅基集成电路的生产中，主要采用高温氧化和化学气相沉积的方法生长SiO2薄膜，其中用得最多的是高温氧化法。氧化即氧分子或水分子在高温下与硅发生化学反应，并在硅片表面生长SiO2的过程。
生长SiO2薄膜需要消耗表面的硅，如图1.5所示，每生长1个单位长度的SiO2需要消耗0.46个单位长度的硅层。不难理解，当一定厚度的Si转变为SiO2后，其厚度将增大到原来的2.17倍。用于不同作用的氧化层所需的厚度不一样，栅氧的氧化层很薄(几纳米至几十纳米)，场氧的氧化层较厚(几百纳米)。氧化的温度范围为700～1200℃，氧化层的厚度取决于氧化温度、氧化时间和氧化的方式。
图1.5在Si表面生长氧化层
氧化的方式分为干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化。实践表明，干氧氧化速率最慢，所得到的SiO2层质量最好，很致密，均匀性和重复性好，且由于SiO2表面与光刻胶接触良好，光刻时不易“浮胶”。而水汽氧化正好相反，其氧化速率最快，使所生长的SiO2层很疏松，所以很少单独采用水汽氧化。湿氧氧化，即在氧气中携带一定量的水汽，能在一定程度上解决氧化速度和氧气质量之间的矛盾，因此适于在生长较厚的氧化层时使用。但最终湿氧氧化生成的SiO2层的质量不如干氧氧化得好，且易引起硅表面内杂质的再分布。所以，当需要生长较厚的氧化层时，往往采用干氧�彩�氧�哺裳醯难趸�方式，这既可以节约氧化时间又能保证工艺对氧化层质量的要求。表1.1给出了三种热氧化方式所得热氧化层的质量对比。
表1.1三种热氧化层质量对比
下面讨论高温热氧化的机理。
1)干氧热氧化
在高温下，O4与Si接触时是通过以下化学反应在硅表面形成SiO2的：
Si(固体)+O2(气体)SiO2(固体)
可见一个氧分子就可以生成一个SiO2分子。最开始，硅片表面无SiO2薄膜时，通过上面反应方程式在硅片表面生长SiO2薄层。随着SiO2层的生成，在O2和Si表面之间隔着一层SiO2，此SiO2层阻挡了氧气和Si的直接接触，O2必须穿过已生长的SiO2层到达SiO2�睸i的界面，才能和Si发生反应，如图1.6所示。在氧化初期，表面反应是限制生长速率的主要因素，此时氧化层厚度与时间成正比，为线性氧化。当生长的氧化层厚度大于150�@时，氧化速率受限于扩散速度，氧化生长的厚度与氧化时间的平方根成正比，氧化厚度随时间的变化为抛物线关系。随着氧化的进行，SiO2层将不断增厚，氧化速率也就越来越慢。
(a)氧化反应初始状态；(b)氧化反应过程
图1.6Si的氧化过程示意图
假设初始氧化层厚度为t0，热氧化生长的氧化层厚度为tox，氧化时间为t，则硅氧化的一般关系式为
t2ox+Atox=B(t+τ)
式中，A和B为常数，由氧化的工艺条件决定，如表1.2所示。
在线性区，氧化层厚度与氧化时间的关系为
tox≈BA(t+τ)
当氧化层厚度较厚时，在抛物线区，氧化层厚度和氧化时间的关系为
t2ox≈B(t+τ)
式中，BA为线性氧化速率常数；B为抛物线型氧化速率常数；τ的物理意义为初始氧化层t0引起的时间坐标平移。在计算氧化层生长厚度时，需要通过初始厚度t0确定τ，再将τ与t相加获得有效氧化时间，即可认为氧化从-τ时间开始进行。
表1.2硅的氧化系数
2)水汽氧化
水汽氧化的化学反应是
Si(固体)+2H2O(气体)SiO2(固体)+2H2(气体)
可见需要两个水分子才能使一个硅原子形成一个SiO2分子，而且反应产物中出现氢气。同干氧氧化的过程类似，水汽氧化也是水分子通过扩散穿过生成的SiO2层到达SiO2�睸i界面与Si发生化学反应，如图1.6所示。不同的是水汽氧化产生的氢分子也需要通过SiO2层逸出。由此氢在SiO2中的扩散速度比在H2O中大得多，所以在水汽氧化过程中，H2的扩散逸出过程可以忽略。由于水汽氧化过程中SiO2网络不断遭受削弱，致使水分子在SiO2中扩散也较快(在1200℃以下，水分子的扩散速度要比氧离子快10倍)。因此，水汽氧化的速度要比干氧氧化快很多。
影响SiO2生长的因素有以下几个：
(1)温度。高温将加快硅和氧的化学反应，并且能够提高氧在氧化层中的扩散速度，因此提高温度能增大氧化速率。
(2)水汽。湿氧或者水汽氧化的氧化速率均高于干氧氧化的速率。
(3)压力效应。氧化层的生长速率依赖于氧化剂从气相运动到硅界面的速度，增大压强可以使氧原子更快地穿越已生长的氧化硅层。
(4)晶向。(111)面的硅原子密度比(100)面原子密度大。在线性阶段，(111)面硅的氧化速率比(100)面的氧化速率要大，但在抛物线阶段抛物线速率系数B不依赖于硅衬底的晶向。
(5)掺杂效应。重掺杂的硅比轻掺杂的硅氧化速度快。在线性阶段，硼掺杂和磷掺杂的速率系数相差不大，而在抛物线阶段，硼掺杂比磷掺杂氧化得快。
(6)氯化物的作用。在氧化过程中加入氯可从以下方面显著改善SiO2的特性：钝化可移动离子，减少可动离子电荷；增加氧化层下面硅中少数载流子的寿命；减少SiO2的缺陷，增强氧化硅的抗击穿能力；降低界面态密度和表面固定电荷密度；减少氧化层下面硅中由于氧化导致的堆积层错；氧化速率可提高10%～15%。
最后需要说明的是，在硅片表面长一层SiO2薄膜后，由于光的干涉作用，通过肉眼可明显看出颜色变化，氧化层表面的颜色随SiO2层厚度变化，如表1.3所示。但是氧化层颜色随SiO2层厚度的增加呈周期性变化。对应同一种颜色，可能有几个不同的厚度，还需要结合具体的工艺条件判断出具体的厚度。此方法只适用于氧化膜厚度在1μm以下的情况。注意，表1.3中所列的颜色是照明光源与眼睛均垂直于硅片表面时所观测的颜色。

前言/序言

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