《半導體器件平面工藝實驗》課程教學探討

賀媛 王蕊 牛立剛 李昕 何艷 張彤

摘要：本文先介紹了半導體平面工藝的發展史，及其在重要的現實意義，然后簡單敘述了本實驗教學中心開設的《半導體器件平面工藝實驗》的課程內容設置，對實驗課課堂教學中的理論和實際教學方法進行了探討，提出課前集中講解和實驗后答疑分析講解相結合的實驗教學方法，并引導學生以科技論文形式完成專業實驗課實驗報告的創新教學思路。

關鍵詞：半導體平面工藝;實踐教學;教學方法

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）40-0150-02

一、引言

半導體器件平面工藝技術是60年代發展起來的一種非常重要的半導體技術[1]。半導體器件平面工藝即：在半導體芯片上通過氧化、光刻、擴散、電極蒸發等一系列流程，制作出晶體管和集成電路;制作的器件和電路都是在芯片表面一層附近處，整個芯片基本上保持是平坦的（實際上，表面存在許多臺階）;制作出的晶體管稱為平面晶體管（相對于臺面晶體管而言），故稱相應的制作工藝為平面工藝[2]。迄今為止，平面工藝已經是制造各種半導體器件與集成電路的基本工藝技術。因此，讓相關專業的本科生了解平面工藝的基本制作工藝有著非常重要的現實意義。

二、平面工藝的發展史

同許多重要的工藝進展一樣，平面工藝也是從前幾代工藝中演變、發展來的。下面分別介紹這幾種半導體器件的制造方法及工藝[3]。

1.生長結方法。該方法是在摻有某種雜質的半導體熔液中生長半導體單晶。通過在生長過程中的某一時刻，突然改變熔液的導電類型來達到生長P-N結的目的。舉例說明如下：例如在含有P型雜質的溶液中生長了一段時間后，投入一顆含有施主雜質的小球，結果，單晶的其余部分長成N型。生長完成后，再把晶體切成含有P-N結的小條。在結型晶體管發明之后的頭幾年，這個方法是極其重要的，但從大批量生產的角度來看，生長結方法不如合金結方法更有效。

2.合金結方法。為了更好理解，我們將舉例說明。在一個N型的半導體片子上放入一個含有受主型雜質的小球，并將它們一起加熱到足夠高的溫度，使得小球以融解或合金的形式摻入到半導體片子中，晶體冷卻之后，小球下面會形成一個受主型雜質飽和的再分布結晶區，這樣就得到了一個P-N結。

這種方法不僅在發明之初是，而且現在仍然是二極管和晶體管（主要是鍺器件）大批量生產中廣為使用的一種方法。但是，隨著科技的發展，對半導體器件性能的要求越來越高，而合金結方法的局限性就暴露出來了，比如，其結的位置總是難以控制。

3.平面工藝。為了探索一種能夠精確控制P-N結位置的方法，擴散結方法就應運而生了。擴散結的形成方式與合金過程有相似之處，即片子的表面是暴露于高濃度雜質源之中的。但擴散結，在這種情況下不發生相變，雜質依靠固態擴散的方式進入半導體晶體內部，而固態擴散則是能夠非常精確地加以控制的。此外，由于二氧化硅薄層能夠有效地掩蔽大多數最重要的受主和施主雜質的擴散，因而半導體幾何圖形的控制精度也大大提高了;另外，二氧化硅薄層還具有能鈍化半導體器件表面的作用，因此，器件受周圍環境影響的弱點可以得到極大的克服，從而提高器件的重復性和穩定性得到了較大的提高。

綜上所述，平面工藝就是利用掩蔽膜，通過光刻技術控制幾何圖形，進行選擇擴散形成P-N結，制造半導體器件的工藝。其具有用固態擴散方法形成結和利用二氧化硅掩膜精確控制器件幾何圖形的優點。

三、課程教學探討

1.課程內容設置。本實驗教學中心開設的半導體器件平面工藝實驗的主要目的是應用平面工藝技術制作半導體二極管，通過對最基本的半導體單元器件的制作來達到讓學生熟悉平面工藝流程，深刻理解平面工藝原理并掌握簡單平面工藝操作技能的目的。

本實驗教學中心開設的半導體器件平面工藝的具體實驗流程如圖2所示。

（1）首先在Si外延片的表面利用熱氧化的方法生長一層SiO2的氧化層，這層SiO2既起到對雜質的屏蔽作用，又能起到絕緣等保護作用。生長氧化層的時候采用干濕氧交替的方法來達到既保證氧化層厚度又保證氧化層致密性的目的。

（2）通過濕法刻蝕的方法在SiO2層表面刻蝕出擴散窗口，或者稱為P區窗口。

（3）以BN為源，向擴散窗口中進行B擴散。這里一般有兩個過程：一是B預沉積，即，在表面雜質濃度恒定的條件下，將雜質B沉積在Si表面的一無限薄層內，通過擴散時間的控制可以決定雜質總量的多少。這一過程之后，我們通過測量樣片方塊電阻的方法，以確定雜質總量是否合適。二是B再分布，即在雜質總量恒定的條件下，向Si深層進行B擴散，通過擴散時間的控制可以決定雜質擴散的深度。這一過程之后，進行擴散深度的測量，又叫結深測量。

（4）B擴散之后，含有B雜質的區域就成為P型Si，稱為P區。由于B再分布過程是在通氧氣的環境下進行的，因此會在P區表面形成一薄層SiO2，必須通過二次光刻，刻蝕出電極引線孔。

（5）二次光刻后，利用真空蒸發工藝，在器件表面沉積一層金屬Al作為電極。

（6）再進行三次光刻，去掉多余部分的Al，最終形成Al電極。這樣一個簡單的二極管就制作完成了。

（7）最后進行二極管正反向偏置條件下結特性的測量，以確定二極管的性能。

2.課堂教學方法探討。本實驗課的教學方法采用實驗前集中講解和實驗后答疑分析講解相結合的方法。

實驗前的集中講解：講解本實驗的實驗原理、實驗目的、實驗步驟，并提出一些實驗中要涉及到的相關知識，讓學生提早預習。答疑和分析講解：實驗完成后，每個小組要針對自己的實驗過程和結果進行小結，由老師解答學生還存在的疑問，并對實驗結果進行分析。由于本實驗是一個綜合性，研究型的實驗，所以我們在實驗報告的寫作上也進行了一些改革，要求學生以科技論文的方式來完成本課程實驗的實驗報告。這樣的教學方法和形式，能達到教與學的互動和融洽，使師生在教與學的過程中真正溝通，教師能動態地了解學生的實驗情況和要求，也讓教師動態地了解自己的教學效果。

本實驗課的目的是通過氧化、擴散、光刻這三個最基本的半導體平面工序制造出一個完整的半導體二極管，是一個典型的綜合性、研究型實驗。本實驗的功能主要鞏固相關專業的本科生所學的專業基礎知識，了解和掌握半導體器件制備工藝的主要過程，具有一定分析、解決實際工藝問題的能力，激發學生對微電子行業的興趣。因此，在完成本學院本科生必修實驗課程的基礎上，可以部分面向全校學生開放，為跨專業的學生提供與此技術相關的課外選修實驗項目，大學生創新創業項目和開放創新實驗項目等。學生可以根據自己的興趣愛好選修實驗中心提供的實驗項目，也可以根據自己的一些想法，提出完整的實驗方案，實驗中心可以為具有可行性的實驗方案提供場地與儀器設備。畢業班的學生則可以根據自己就業的需要，進行一些實用性的實驗項目或參與科研工作，在實驗教師的指導下，完成科研項目中的一些子項目或功能模塊。使得參與實驗項目學生的動手實踐能力得到較好的鍛煉，培養學生的創新意識，強化學生的動手能力，全面提高學生的綜合素質，為他們今后走向社會，迎接信息時代的挑戰作好充分準備。

四、結論

半導體器件平面工藝實驗課程的開設可以讓學生更加直觀的了解這個行業，加深對前面幾門課程的理解。該實踐課程主要是應用平面工藝技術制作半導體中最基本的器件二極管。學生通過氧化、光刻、擴散、蒸發、結特性測量等一系列實驗，掌握半導體器件的工藝流程。培養學生實際動手能力、獨立處理問題和解決問題的能力，提高學生就業競爭力。

參考文獻：

[1]阮剛.集成電路工藝和器件的計算機模擬——IC TCAD技術概論[M].上海：復旦大學出版社.

[2]戴猷元.集成電路工藝中的化學品[M].北京：化學工業出版社.

[3]黃步光.平面工藝制造集成電路的研究[J].黑龍江科技信息，2012，（29）.