淺析擴散工藝在半導體生產中的應用

彭文忠

淺析擴散工藝在半導體生產中的應用

彭文忠

（中國振華集團永光電子有限公司 貴州貴陽 550000）

最近幾年以來，隨著我國計算機技術的發展，半導體技術越來越受到大家的重視。而制作半導體的關鍵技術就是制作其PN結。PN結的制作方法有多種多樣，其中最為常見的便是擴散工藝。本文將主要介紹擴散的定義、在半導體產品的生產過程，擴散工藝起作用的機理和其具體的應用范圍。同時，本文將從擴散工藝的整個工藝的流程，它在PN結形成過程中起到的作用以及該工藝的發展三個方面，探究擴散工藝在整個半導體生產流程中的應用。

半導體；擴散工藝；PN結

1 擴散工藝的簡介

1.1 擴散的含義

所謂的擴散就是指在分子運動或者渦旋運動的過程中，物質從一種恒定的狀態逐步向周圍擴散和蔓延，同時物質中的微粒就會從高濃度的地方向低濃度地方轉移，一直到它在氣相、液相、固相三種狀態中間達到均勻混合的物理現象。

1.2 在半導體制作中的擴散工藝的作用機理和應用范圍

在電子晶體學，普遍把擴散當作物質內部的質點運動最為基本的方式。一般物質所處的環境溫度處于絕對零度之上時，其內部的質點就會不斷地做熱運動。當物質內部的一些物理性質，比如濃度、密度、化學位以及內部的應力等有梯度存在時，由于熱運動的作用，各個質點可能會出現定點遷移的現象。此種過程就是半導體中的擴散。

在所有的半導體中，一般的P型的半導體摻雜有受主雜質，N型的半導體摻雜有施主雜質，所謂的PN結就是指P型和N型半導體在二者交界部位中間區域。按照材料的不同來劃分，PN結可以分為同質結、異質結。其中的同質結指的是利用相同的半導體材料制造的PN結，所謂的異質結就是利用含有不同禁帶寬度的半導體材料制造的PN結。目前，有多種方法可以制造PN結，主要包含有合金法、擴散法以及外延生長法等。這些方法中，擴散工藝是較為常用的加工工藝。

2 擴散工藝在整個半導體生產過程中的應用

2.1 擴散工藝的工藝流程

晶圓的擴散工作是半導體加工過程中一個重要的步驟，它的具體流程包含以下幾點：①將足量的氮氣或氧氣注入到擴散爐中，保證爐內始終處于正壓的狀態；②依據溫度工藝的曲線，利用合適的電加熱的方法讓爐內溫度逐步上升到某一溫度值，并設法保持溫度不變；③借助推拉裝置將需要處理的晶圓送入到爐內；④再次將足量的氮氣或氧氣注入爐內，保障爐體內部依舊為正壓狀態；⑤依據溫度工藝的曲線，利用合適的電加熱的方法讓爐內溫度逐步上升到某一溫度值，同樣要設法保持溫度不變；⑥保持爐內溫度恒定不變，把要摻雜的氣體注入爐內；⑦保持爐內的溫度恒定不變，擴散進行一定時間后，依據溫度工藝曲線對爐內降溫。

整個的摻雜過程中，必須要使爐內的溫度始終恒定，如此才能保證晶圓能夠充分且均勻地擴散。由此可見，對于溫度的控制和調節是整個擴散工藝過程中很重要的一個步驟，它直接關系到半導體擴散的質量，進而影響半導體的制造質量。目前，市場上采用PLC作為控制核心來控制溫度的變化，借助Modbu協議來完成各個模塊的通信，如此就可以實時地檢測和控制爐體內部的溫度變化和氣體流量變化，有利于對復雜工藝的溫度控制工作，有效提升了產品質量和生產效率。

2.2 在PN結形成的階段擴散工藝的應用

在PN結的形成階段我們需要引用擴散工藝技術。擴散工藝不僅能夠用來制造P型或者N型半導體，而且能夠用來制造PN結。

借助擴散工藝技術，可以將硼等三價的元素加入到純凈的硅晶體之中，如此它便能夠代替晶格之中的硅原子，制成P型的半導體；可以將磷等五價的元素加入到純凈的硅晶體之中，它就能代替晶格中硅原子，制成N型的半導體。一般而言，N型半導體中，其中的空穴的濃度要比自由電子的濃度小；而對于P型半導體，情況則恰恰相反。

同時，借助擴散工藝能夠把一塊完整的半導體的兩側分別做成P型半導體和N型半導體，在二者結合的區域就會形成PN結。這里，將二者接觸面偏向P型一邊稱作P區，而偏向N型一邊稱作N區。P型半導體剛剛接觸N型半導體時候，P區和N區部位的電荷密度基本為零。二者接觸之后，位于N型半導體一邊的導帶中的電子就會向P區擴散，位于P型半導體一邊的價帶中的空穴就會向N區擴散。在擴散的過程中，空間電荷就會隨之形成，靠近P區的空間電荷一般呈現負電性，靠近N區的空間電荷一般呈現正電性。

同時，因為處在P區和N區邊緣部位的離子是不能移動的，那么在半導體的中間就會形成一個新的空間電荷區。在此區域中，含有多個空穴和電子，這些就形成了具有自由載流子的耗盡層。由于空穴和電子的存在，在耗盡層中就產生了一個電場，而且電場是由N區指向P區的。由于電場的存在，空穴和電子的擴散就會受阻，最后其擴散就會達到一種平衡的狀態。所謂的PN結就是指的形成的這個空間電荷區。

在空間電荷區形成之后，如果將電壓施加到PN結的兩端，那么PN結的平衡狀態自然會被破壞掉，就會有電流通過PN結。若P區接的是電源的正極，N區接的是負極，由于耗盡層中既不存在電子也不存在空穴，這就會使電壓基本在耗盡層耗盡。以前的內電場被抵消之后，空穴就會加速向N區擴散，而電子則會向P區加速擴散。那么，在P區和N區內部，擴散出來的電子和空穴就會被復合掉，得到總的電流就是這兩部分電流之和。一般而言，這種電流的數值比較大，被稱為負荷電流。若電源的正極反過來接，會使得電子和空穴的擴散程度減弱，相應的電流值就會很小。

2.3 半導體生產過程中擴散工藝的發展

擴散工藝也存在一些不足的地方，比如高溫時擴散的時間變長、生產周期也隨之變長、所需要的溫度變高等。由于這些不足的存在，半導體的成品率往往很低，其質量和產量普遍不高。因此，相關的技術人員正在積極的探索可解決的方案，微波技術和離子注入技術是其中的兩個主要的發展方向。

3 結束語

在制造半導體的過程中，擴散工藝經常采用的一種方法。本文從工藝流程、擴散工藝在整個PN結的形成中的應用和其未來的發展方向三個方面進行了研究。在半導體的生制造過程中，盡管擴散工藝依然存在許多不足，但是伴隨著我國制造業的發展進步，其不足之處將被逐步克服。擴散工藝必將在半導體制造中發揮出更加重要的作用。

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2016-9-5