半导体工艺实验讲义指导书- 修改本
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西南科技大***
半导体工艺实验指导书
半导体工艺实验室
目 录
绪 论 I
实验一 硼扩散 4
实验二 磷扩散（N型半导体制备） 9
实验三 光 刻 11
实验四 真空镀膜（阻蒸蒸发） 13
实验五 真空镀膜（电子束蒸发） 15
实验六 直流磁控溅射法制备氧化铟薄膜材料 17
实验七 射频磁控溅射法制备铜薄膜材料 24
附录 1 太阳能电池伏安特性曲线测试 30
附录 2 比接触电阻的测量设计原理 33
附录 3 几种半导体器件的性能参数 35
绪 论
半导体工艺技术是固态微型电子电路加工制造技术的简称，它包括以半导体集成电路为主的微型电子电路整个科技和工业。半导体技术迅速发展促进着信息化技术的发展，信息化技术促进人类社会与科学技术多种领域发生革命化的变革。
为满足社会的人才需求，许多大学都开设微电子学专业的相关理论课程，以培养这个方面的专业人才。半导体工艺技术是一门实用性很强的专业课，特别强调理论与实践相结合。所以，针对半导体工艺技术，除了进行理论学习，还必须进行大量的实验与实践活动，否则，学习效果会受到很大的影响。
一、本实验课程的教学目的
半导体工艺技术是一门实践性很强的课程，涉及的知识面也相当广。《半导体物理学》、《半导体器件与集成电路》、《半导体工艺》都是半导体技术的理论基础。通过半导体工艺实验可以巩固加深理解这些理论知识，掌握半导体工艺的一些基本工艺（氧化、光刻、扩散、真空镀膜、磁控溅射等）技术和操作方法，可以增强实践动手能力、发现和解决问题能力，最终达到提高综合能力的目的。
二、实验课程的基本要求
１、培养学生将半导体理论知识与实际应用相结合能力；
２、训练正确使用工艺设备和独立操作能力；
３、提高理论知识的综合应用与创新能力；
４、培养仔细观察实验现象与对实验结果分析思考的能力。
三、实验室主要设备简介
1、光刻机
本设备主要用于紫外接近接触式光刻，制造小规模集成电路，半导体器件、红外器件、微机电系统MEMS等，操作方便、稳定、可靠 。
URE-2000/35型深度光刻机的主要特点是：灯源采用350W交流高压汞灯，曝光光源的波长为365 nm，曝光面积100 mm 。对准采用双目双视场对准显微镜，对准显微镜有三对目镜和三对物镜可以互换，组合后最大倍数为400倍。对准物镜轴距可在20 mm-65 mm之间变化。在目镜中可单独观察到一个视场的像，也可同时观测到两个视场的像。双视场的观察与对准是大直径硅圆片光刻精度和图形合格率达到工艺规范的重要技术措施。光刻机共有三种掩膜架：分别是3英寸、4英寸和5英寸。
性能参数：
光源：350W球形汞灯；
谱线：I线；
均匀性：4％（4寸）；
分辨率：3 um。
2、真空镀膜机
ZZS500-4/G型真空镀膜机的主要功能是对半导体材料、金属材料或者其它材料进行薄膜生长。阻蒸蒸发镀膜主要就是通过大功率的电流产生高温融化材料，进而使蒸发材料气化或者升华沉积到基片表面。电子束蒸发镀膜是先将膜料放入水冷坩埚中，电子束自电子枪发出并被加速，用磁场线圈使电子束聚焦和偏转，对膜料进行轰击并加热，膜料获得高温后气化最终沉积到基片表面。
主要性能指标：
极限真空：3×10-4Pa；
电子束蒸发源：E型电子枪，功率6 KW，加速电压6KV或8KV；
电阻蒸发源：两对水冷式电阻蒸发源，功率4 KW/个。
3、扩散（氧化）炉
SRD系列扩散炉是生产半导体器件、集成电路、太阳能电池、磁性材料的关键设备，是一种高精度、高可靠性的自控炉。该设备主要用于微电子、半导体、光学材料等行业的扩散、氧化、退火、合金等工艺。
系统技术指标：工作温度适用范围：400℃～1200℃；炉体有效口径：直径165mm（适用2″-4″硅片的扩散、氧化、退火工艺）；恒温区长度：≥200mm。
四、实验报告以及成绩评定
必作实验要求每个学生必须独立完成规定的实验内容和规范的实验报告。
每个必作实验成绩＝预习（10％）＋操作（40％）＋实验报告（40％）＋问题回答（10％）
本实验课程的总成绩＝所有必作七个实验的平均成绩
本实验讲义由刘某某、温某某、唐某某、李某某等专业老师一起合作编写，在编写过程中结合我院应用物理学专业的培养方案要求，并参阅了相关教材与资料。由于时间仓促、经验有限，讲义在编写过程中难免存在不足与错误，恳请批评指正。
编于西南科技大***
2021年3月
实验一 硼扩散
【实验目的】
1、掌握用硼陶瓷片固态源进行Ｂ掺杂扩散的原理和扩散系统的基本结构
2、掌握固态硼扩散源形成晶体管集电极－基极结形成的工艺技术
【实验器材】
高温扩散炉、硅晶圆片（XXXXX2，N 型，ρ＝1-10 Ω?cm ）、石英扩散舟、镊子、硼陶瓷扩散源片（固态扩散源）、高某某氮气等。
【实验原理与工艺技术】
一、实验原理
扩散掺杂，对于半导体材料而言，可掺杂n型或p型导电杂质来调变阻值，在不影响其机械物理性质的特点同时，是制备出p-n 结(p-n junction)、二极管(diode)、晶体管(transistor)、半导体光电器件以及集成电路(IC)的基础。而扩散是达成导电杂质掺杂的重要工艺。
硅中固态硼杂质的热扩散需要三个步骤：预淀积、推进氧化（再扩散）和激活。在预淀积的整个过程中，硅片被送到高温扩散炉中，杂质原子从源转移到扩散炉内。炉温通常设为800 ℃到1150 ℃,持续10-30分钟。杂质仅进入硅中很薄的一层，且其表面浓度是恒定的。在淀积过程中，高浓度但很浅的薄层扩散进晶圆表面,杂质的分布规律满足余误差函数分布。
推进氧化过程中杂质在晶圆中向深处的再分布，推进过程中没有杂质源，在此步中，淀积所引入的原子数量恒定不变。推进后晶圆表面的杂质浓度变低，原子形成新的分布。推进后的杂质分布在数学上用高斯分布来描述。分布规律如图1所示。
通常，推进工艺的温度高于预淀积温度，推进氧化还有一个目的就是氧化晶圆表面。炉管中的氛围是氧气或水汽，杂质推进的同时进行氧化。在硅片中，杂质原子的扩散有两种机制：间隙式和替位式。具有高扩散率的杂质，如金、铜、镍，容易利用间隙运动在硅的晶格空隙中移动。移动速度较慢的杂质，如半导体掺杂常用的硼和磷，通常利用替代式填充晶格的空位。
最后是激活，激活的温度稍微高某某，使杂质原子与晶格中的硅原子键合，激活杂质原子改变硅的电导率。
图1 晶圆内部的杂质浓度
二、工艺技术
1.预淀积
这一步骤是在高温硼扩散炉中进行的，预淀积时硅片表面存在过量的扩散杂质。在这种条件下，硅片表面的杂质浓度相当于预淀积温度下杂质的固溶度，这时就有一层均匀的固定数量的杂质进入晶格中。预淀积过程中掺入杂质的分布可以用下式表示：
（1）
式中－预淀积温度下杂质在硅中的固溶度。
X －距硅片表面的距离（um）；
－硅片内深度为x的杂质浓度（原子/）；
－预淀积温度下杂质的扩散系数；
－硅片在预淀积炉内的时间（h）；
erfc-扩散参数对最后杂质分布有关的数学函数。
用式（1）可以确定预淀积后确切的杂质分布和结深。在许多工艺结果中，最重要的参数是Q，即掺入衬底的杂质数目（原子/）。
（一）在预淀积过程中掺入的杂质
在预淀积过程中掺入的杂质总量Q可用下式表示
原子/ （2）
式中
（二）预淀积结深
在＝处，预淀积杂质分布区和导电类型相反的衬底间形成了结。结深可用下面的方法求得：
（1）计算
（2）用图2－3，求出相应的值，并计算。
2.再扩散
预淀积是将一定数量的杂质掺入晶格中，但是这时的结深和分布往往是不理想的半导体所要求的。最终结深和杂质分布由再扩散来实现，即预淀积后硅片表面上的多余杂质被腐蚀掉之后，在高温扩散炉中进行再扩散。
如果预淀积所产生的杂质分布近似一个窄长的长方形，则再扩散产生的杂质分布可用下式表示：
（3）
这种近似法对大部分预淀积都适用。整理（3）式可得
式中－距硅片表面为x处的杂质浓度（原子/）。
Q－预淀积过程中掺入衬底的杂质数目，从式（2）可以求得。
－再扩散后的表面杂质浓度（原子/）。
-再扩散温度下杂质的扩散系数，从图2－2可查到（）。
－再扩散时间（h）。
e－常数＝2.71828。
x－扩散深度（）。
【实验内容】
采用N型、ρ＝1-10 Ω?cm硅衬底片，硼固态扩散源，制作P—N结扩散掺杂，要求表面最高浓度5×～1×/、=0.5um。
硼扩散实验准备工作
硼陶瓷片清洗，并烘干；
固态硼扩散源制备；
（1）硼扩散炉升温到T=1000℃
（2）通入高某某氮气排除石英管内的残余空气
（3）硼扩散舟装上硼陶瓷片并缓慢将其送到扩散炉的恒温区
（4）恒温反应转换t≥15分钟，在硼表面反应生成的硼扩散源薄层
（5）关断扩散炉电源，降温至T≤100℃,减小流量
硅圆片清洗，用常规1＃液与2＃液清洗，与实验一相同。清洗石英氧化水壶并装入高某某，水量适中；
开启高温氧化炉并升温到T＝1000℃，通入N2冲洗炉管（作推进扩散作用）。
硼扩散实验步骤
开启高温氧化炉并升温到T=1000℃；
通入冲洗炉管，流量大小为2-4 L/min；
将硅圆片与硼陶瓷片等间距竖直夹入石英刻槽舟内；
缓慢将石英舟推入恒温区外侧并停留约5分钟，使舟、源片、硅片预升温；
再将舟推入恒温某某，待炉温回升到设定值时再计时，t=25分钟；
缓慢将石英舟拉出至炉口停留5分钟自然降温；
取出其中一张硅圆片，其余硅片原地不动；
将此圆片放在BHF中（：=1:3）浸泡腐蚀，去除BSG扩散反应相，并用纯水清洗、烘干；
在四探针测试台检测硼预扩散层的薄膜电阻（大约在100～300/）；
若调试片的不合格（偏大），可将（7）中余留圆片重新推入恒温某某再扩散5～10分钟，这样可以反复几次，直到合格为止；
取出合格圆片放入BHF液中漂去BSG并用纯水冲洗、烘干；
将硅片放进氧化炉（已预升温到T＝1050℃）在推进5～10分钟后，再用携带水蒸气（T=100℃）进入石英内，使B杂质元素作推进扩散t=30～60分钟，视大小而选定，同时在硅圆片上生长出层（厚度2500埃～3500埃）；
将石英舟拉到炉口同时用热吹风烘干石英管两端头的水蒸气；
取出硅片并送到光刻室涂覆光刻胶（制作发射结掺杂窗口）。
【实验结果检测与分析】
用四探针台检测B扩散片的；
检测B扩散的结深或由B扩散的工艺参数计算出，计算出平均电阻率、电导率；
由扩散剖面分布曲线（高斯剖面型）查找出硼扩散的表面浓度；
【思考题】
1、在B的主推进扩散中为何使用两步扩散进行？
2、B扩散制备PN结中，使用氧化炉氧化推进，它们对B扩散的结深与表面浓度有何影响？ 实验二 磷扩散（N型半导体制备）
【实验目的】
掌握磷扩散的原理和常用的n型杂质磷的高温热扩散的特性
掌握固态磷扩散源形成PN结的工艺技术
【实验器材】
高温磷扩散炉（室温－1200℃）以及高某某石英扩散炉管、硅晶圆片（XXXXX2，P，＝1-10 Ω?CM）、石英磷扩散舟、磷陶瓷扩散源片、高某某及镊子
【实验原理】
磷在半导体制造中是不可或缺的元素之一。在集成电路或者半导体器件中，多用磷制作二极管N区，pnp晶体管的基区等。一般磷扩散以空位机制来描述，具体原理与硼的扩散十分相似。
【实验内容】
（一）采用P型硅圆片由磷高温扩散掺杂形成pn结太阳能电池的高效光吸收层
（二）磷高温扩散工艺流程
开启高温磷扩散炉并升温到900－1000℃；
通入3-4L/min的清洗炉管并将残余空气排除干净；
将硅圆片与磷瓷片“等间距”放入石英刻槽舟内；
缓慢将石英舟推入恒温区外侧，停留约5分钟（主要是为硅片、磷圆片预升温）；
将舟推入恒温某某，待炉温回升到设定值时再计时，时间t＝25分钟。（温度、时间由扩散所需要结深及表面最高掺杂浓度事先设计计算获得）；
缓慢拉出石英舟至炉管的出气端，停留5分钟；
取出检测样片，并放入BHF(HF：=1：5)中去除磷扩散反应相“PSG层”，漂洗烘干；
在四探针测试台上检测磷扩散的薄层电阻（常规值约为50/）；
作太阳能电池P掺杂光敏层实验的，将正式片取出。送氧化炉内在1000℃进行湿氧氧化，时间45分钟，先干氧氧化5分钟，再湿氧氧化30分钟，最后再干氧10分钟，获得2000～4000埃厚的磷硅氧化物层。有效去除高浓度P扩散在表面形成的影响光电转换的“死层”，将磷扩散表面浓度控制在5×/以下。
在BHF中除去2000～4000埃厚的氧化层，漂洗、烘干
【实验结果检测】
作太阳能电池PN结实验的，在四探针测试台上检测磷扩散的薄层电阻（常规值约为50-80/）；
【思考题】
1．晶圆片在P 扩散过程中，
（1）P的预扩散时容易形成太阳能电池的“死层”，对于太阳能电池来说为什么叫死层？
（2）含高浓度的磷硅玻璃氧化物具有显著“吸湿性”，从而影响晶体管的可靠性，但高浓度的磷硅玻璃具有显著“吸杂性”，对可动离子、有很好的固定作用。你设想采用何种技术措施来取利避害？
实验三 光 刻
【实验目的】
掌握紫外曝光与湿化学刻蚀的基础技术
掌握光刻的工艺流程和曝光机操作步骤
了解光刻的种类和特性
【实验原理】
紫外光刻技术是指以光束经过掩膜版，对半导体圆片上的光刻胶照射，使光刻胶产生极性变化，使高分子的主链断链（正光刻胶）或主链交连（负光刻胶）等光化学作用。经过显影之后将掩膜版特定图形转移到半导体圆片上。该特定图案可供后续微电子工艺：高温扩散掺杂、离子注入形成pn结；金属蒸发形成晶体管金属电极与集成电路的金属互连线；等离子刻蚀等等工艺之用。光刻技术是半导体技术，微电子技术的最核心的技术，它对半导体器件与电路的性能和成品率有决定性的影响。
转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅片层面的构成。图形可能是硅片上的半导体器件、隔离槽、接触孔、金属互连线以及互连金属层的通孔。这些图形被转移到光敏光刻胶材料上，为进行刻蚀或离子注入的衬底做好准备。形成光刻胶的图形是三维的，因为光刻胶中的图形具有长、宽、高。
光刻技术要应用光敏光刻胶，他们作为一种聚合可溶解物被涂在衬底表面，然后光刻胶被烘焙除去溶剂，下一步将受控的光线曝光。光透过确定了所需图形的投影掩膜版。
投影掩膜版是一个石英版，它包含了要在硅片上重复生成的图形。就像投影用的电影胶片一样。
【光刻实验器材】
正性/负性光刻胶、光刻图形掩膜版（明胶版，氧化珞版）、曝光机、显影液、漂洗液、湿法刻蚀液、显微镜、带二氧化硅或金属薄膜的硅圆片等。
【实验步骤】
硅片清洗：（先后利用丙酮、乙醇和去离子水超声震荡各5～10分钟，最后用去离子水冲洗，在100℃下干燥30分钟）；
光刻胶涂覆：在超净台内硅片放置于涂胶机转盘上；吸管吸取正胶或负胶（以正胶为例）；滴到硅片中心部位；真空吸附硅片；开启转盘电机，转速控制在3000～5000转/分，时间为30～40秒钟；开始的低转速设为1000转/分，时间6秒钟，高某某为4000转/分，时间25秒。关闭真空泵，从转盘上取出硅片，放硅片于不锈钢盒内；
光刻胶预烘干（恒温烘箱内，温度100℃，时间25分钟左右）；
曝光（紫外曝光机上安装掩膜版；硅片放到承片台上；利用硅圆片上定位线进行预对准；开启真空泵牢固的吸附硅圆片）；手动旋转承片台上顶装置或气浮装置将硅片上顶到掩膜版接近位置（保留适当间隙）；利用微动手柄与旋转装置，将硅圆片的对准标记与掩膜版标记进行精确对准（对准精度约为特征线宽尺寸的10％）；启动曝光灯计时器进行紫光曝光时间为20～60秒钟；将已曝光的Si圆片放入显影液内，显影出清晰图形（时间为2分钟左右）；再将硅圆片放入漂洗液内漂洗；显微镜下100％的圆片进行镜析，去除不合格的曝光片；
正性光刻片需放入去离子水中漂洗5～10分钟后对圆片烘焙坚膜，温度控制在120℃，时30分钟；
抗蚀剂去除（用丙酮、乙醇先后浸泡去胶）；
圆片送交下步工序。
【光刻质量检查】
1、特征尺寸线宽检测：微米级图形常用高倍显微镜加测微目镜，深亚米图形用台阶仪或扫描电镜。图形精度为±10％。
【实验结果分析与讨论】
1、分析影响对准精度的工艺因素有哪些？
2、分析影响光刻效果的工艺因素有哪些？ 实验四 真空镀膜（阻蒸蒸发）
【实验目的】
1、了解半导体器件与集成电路中金属薄膜主要用于欧姆接触、肖特基接触、低欧姆电极、器件间互联
2、掌握金属化电极的制作的关键工艺步骤
3、通过实验，可了解与掌握各类金属膜制作技术及品质评估。金属膜制作技术包括：热电阻真空镀膜，电子束真空镀膜，直流与磁控射淀积，MOCVD汽相淀积
【实验内容】
热电阻与电子束真空镀膜两类；重点探讨高某某金属膜的淀积（以铜为例）
【实验原理】
热电阻真空镀膜与电子束真空镀膜均属于物理性淀积生长方法：在高真空中金属物质由“液态”转化“汽态”的汽化点温度会显著下降，“汽化”所需热能，前者采难熔金属丝（如W、Mo）通大电流提供。金属蒸汽在衬底材料（金属、陶瓷、半导体原片等）上冷却凝积，形成不同功能的金属膜，经光刻加工制作形成各种金属电极。阻蒸电流、衬底材料与衬底温度、蒸发源与衬底间距、公转盘的转速、真空度的高低等因素对薄膜的特性有显著影响。
热电阻真空镀膜采用钼（钨）舟对源金属铜加热，使金属铜料挥发成气态，金属铜从钼舟中中蒸发进真空室并淀积到放在容器顶部被夹子固定的衬底晶片上形成铜膜。一般用热电阻真空镀膜的源材料熔点较低。
【实验器材】
电子束真空镀膜机，薄膜厚度测试仪，高某某金属铜（纯度为4个9的丝或颗粒）。
【实验步骤】
衬底材料清洗（硅圆片，采用1#、2#液清洗），真空室放入大气，开放蒸发台真空室舱门，,热电阻蒸发舟擦洗并烘干，将铜颗粒放入钨蒸发舟内；
硅原片装载于公转盘上；
关闭真空舱门；
开启机械泵抽真空至P≤6帕斯卡；
开启分子泵抽高真空至P≤5·10-3帕斯卡；
开启W阻蒸电源，缓慢提高加热电源；
开启硅片公转盘旋转电机电源保持转速；
逐渐加大加热电源，直至铜颗粒融化成液体小球（吸附在钨舟上）待铜融化物表面玷污物除尽后，推开蒸发舟上的挡板，再次提高加热电流（提高蒸发速率）；
薄膜厚度监控仪、动态测试淀积膜厚度与蒸发速率；
10、关闭挡板；
11、关闭阻蒸电源（有膜需要在真空中热处理者除外）；
12、电源降温冷却Si原片；
13、待Si温度降到室温时，关闭分子泵启动按钮，将高真空阀关闭，改用机械泵对真空室排气；
14、关闭预真空阀门；
15、开启放气阀门向真空内缓慢放入空气；
16、开启真空室舱门；
17、取出样片,系统抽真空保养；
【实验结果检测】
四探针测试仪检测铜的薄膜电阻（欧姆/方）
铜薄膜厚度均匀性检测，多测试点位，看测试电阻值的大小
【实验结果的分析讨论】
针对薄膜厚度与均匀性在检测结果基础上分析讨论。
试分析衬底温度对铜薄膜生长速率和成膜质量的影响。 实验五 真空镀膜（电子束蒸 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 。
作用:把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。
2.三极管的分类:
a.按材质分: 硅管、锗管
b.按结构分: NPN 、 PNP
c.按功能分: 开关管、功率管、达林某某、光敏管等。
3.三极管的主要参数
a. 特征频率fT:当f=fT时,三极管完全失去电流放大功能。如果工作频率大于fT,电路将不正常工作。
b. 工作电压/电流:用这个参数可以指定该管的电压电流使用范围。
c. hFE:电流放大倍数。
d. VCEO:集电极发射极反向击穿电压,表示临界饱和时的饱和电压。
e. PCM:最大允许耗散功率。
三、太阳能电池性能参数
1、光生电流
2、太阳能电池等效电路
3、短路电流Isc定义为光照情况下，当太阳电池的两端短路时的电流。
4、开路电压Voc定义为光照情况下，太阳电池两端开路时的电压。开路电压Voc、饱和电流Io和光生电流IL之间的关系为：
5、填充因子
最大功率Pmp是Vmp和Imp的乘积。这里的Vmp和Imp分别是最大功率点的电压和电流。填充因数定义为：
6、转化效率
硅太阳电池的效率是最大功率点的输出功率Pmp与入射功率Pin之比：
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