平面工艺简介

平面工艺简介关于平面工艺以及用这种工艺制造的半导体器件的介绍始于1960年，从此，平面工艺就成为制造半导体器件合集成电路的主要方法，它对半导体器件迅速取代一些较老的电子学元件，并深入到电子学应用的崭新领域做出了重要贡献。象大多数重要的工艺进展一样，平面工艺也是从前几代工艺中脱胎出来的。因此，叙述平面工艺的发展过程及其基本原理的最好方法是将它和两种最重要的早期半导体器件制造方法－－生长结方法和合金方法作一个比较。1．生长结方法半导体单晶是由掺有某种杂质的半导体熔液生长出来的（例如P型）。在生长过程中的某一时刻，突然改变熔液的导电类型。（例如，投入一颗含有施主杂质的小球，结果，单晶的其余部分长成N型的。）生长完成以后，把晶体切成含有P－－N结的小条。结型晶体管发明之后的头几年，这个方法是极其重要的，但从大批量生产的角度来看，生长结方法还不如早期半导体器件工艺中提出的另一种方法－－合金结方法。图1生长结方法示意图2．合金结方法将一个含有受主型杂质（以此为例）的小球放在一个n型半导体片子上。然后将它们一起加热到足够高的温度，使小球以融解或合金的形式掺入半导体片子，晶体冷却之后，小球下面形成一个受主型杂质饱和的再分布结晶区，这样就得到了一个P－－N结。这种方法过去是，而且现在仍然是二极管和晶体管（主要是锗器件）的大批量生产中使用的一种成功的方法。然而，随着半导体器件的应用范围愈来愈广泛，对其性能的要求也大大提高了。在这些日益提高的要求面前，合金方法很快就暴露了其固有的局限性。例如，结的位置总是难以控制的。图2合金结方法示意图3．平面工艺为了探索一种能够精确控制P－N结位置的方法，导致了扩散结的发展。扩散结的形成方式与合金过程有其相似之处，即片子的表面是暴露于包括在例如气体中的相反类型的高浓度杂质源之中。不过，在这种情况下不发生相变；杂质靠固态扩散进入半导体晶体内部，而固态扩散能够非常精确地加以控制。此外，还因为发现二氧化硅薄层能够有效地掩蔽大多数最重要的受主和施主杂质的扩散，因而半导体几何图形的控制精度也提高了；另外，二氧化硅薄层能钝化半导体器件表面，受周围环境影响的弱点得到了极大的克服，从而提高了器件特性的重复性和稳定性。平面工艺则兼有用固态扩散方法形成结和利用二氧化硅掩膜精确控制器件几何图形这两方面的优点。概括起来，平面工艺就是利用掩蔽膜，通过光刻出窗口控制几何图形，进行选择扩散形成P－－N结等，制造半导体器件的工艺。例：硅外延平面晶体管3DK4工艺流程图3晶体管平面工艺示意图4．本实验的工艺流程本实验的主要目的就是应用平面工艺制作二极管。具体工艺流程如下：衬底制备外延一次氧化基区光刻硼预沉积硼再分布刻发射区磷预沉积磷再分布刻引线孔蒸铝铝反刻合金初测划片烧结键合中测封帽工艺筛选总测打印包装入库衬底制备一次氧化P区光刻硼预沉积硼再分布刻引线孔蒸铝铝反刻初测图4应用平面工艺制作二极管示意图具体的实验过程可以用图4所示的步骤来表示：①首先准备一N型Si外延片，然后在Si外延片的表面氧化一层SiO2，这层SiO2既起到对杂质的屏蔽作用，又能起到绝缘等保护作用，这是实验一的内容。②通过一次光刻，在SiO2层表面刻蚀出扩散窗口，或者称为P区窗口。③以BN为源，向扩散窗口中进行B扩散。这里一般有两个过程：一是B预沉积，即，在表面杂质浓度恒定的条件下，将杂质B沉积在Si表面的一无限薄层内，通过扩散时间的控制可以决定杂质总量的多少。这一过程之后，往往要通过测量样片的方块电阻，以确定杂质总量是否合适。④二是B再分布，即，在杂质总量恒定的条件下，向Si深层进行B扩散，通过扩散时间的控制可以决定杂质扩散的深度。这一过程之后，常常要进行扩散深度的测量，又叫结深测量。⑤B扩散之后，含有B杂质的区域就成为P型Si，称为P区。由于B再分布过程是在通氧气的环境下进行的，因此会在P区表面形成一薄层SiO2，必须通过二次光刻，刻蚀出电极引线孔。⑥二次光刻后，利用真空蒸发工艺，在器件表面沉积一层金属Al作为电极。⑦再进行三次光刻，去掉多余部分的Al，最终形成Al电极。这样一个简单的二极管就制作完成了。⑧最后一步，进行二极管正反向偏置条件下结特性的测量，以确定二极管的性能。