解析半導體生產中擴散工藝技術應用

袁強

（中國振華集團永光電子有限公司貴州貴陽550000）

解析半導體生產中擴散工藝技術應用

袁強

（中國振華集團永光電子有限公司貴州貴陽550000）

在半導體生產中，擴散工藝技術是經常用到的一種制作方法。本文就將從半導體技術的特點、擴散工藝的特點入手，介紹半導體生產中擴散工藝技術的主要應用。

半導體生產；擴散工藝技術；半導體技術

1 半導體技術的簡介

所謂的半導體技術指的是由常見的半導體材料構成相關組件和集成電路的技術。普通的半導體是由某一單一元素制作而成，最常見的半導體就是硅材料制成的半導體。此外，半導體也通過兩種不同的元素構成，比如砷化鎵（GaAs）。

2 擴散工藝技術的簡介

2.1 擴散的含義

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。由于密度的不同，微粒就會從濃度高的地方轉移到濃度底的地方，直至其達到基本均勻混合的物理現象。

2.2 作用機理和應用范圍

一般把擴散當成物質內部的各個質點運動的基本方式。當環境溫度達到了絕對零度以上時，物質內部的各個質點就要不斷地進行熱運動。此時，它的某些物理性質，比如濃度、密度、化學位、內部的應力等就會出現一定的梯度。在熱運動的作用下，物質內部的質點有可能會發生定點遷移。這個過程就是常說的半導體之中的擴散現象。

對于普通的半導體，P型的半導體一般摻雜了受主雜質，N型的半導體一般摻雜了施主雜質。位于二者交界部位的中間區域就是常說的PN結。PN結又能夠分為兩類，即同質結和異質結。前者通常指相同的半導體材料制作的PN結，后者指的是含有不同禁帶寬度的半導體材料制作的PN結。對于PN結的制造，擴散工藝是較為常用的加工方法。

3 在半導體生產中擴散工藝技術的應用

3.1 擴散工藝技術基本的工藝流程

在半導體加工過程中，晶圓的擴散工作是一個重要的步驟。它的具體流程包含以下幾點：①把氮氣或氧氣注入到擴散爐中，直至注明滿，以確保爐體內保持正壓的狀態；②依據設定的溫度工藝曲線，借助適當的電加熱的方法將爐體內的溫度調整到某一特定值，并保持不變；③采用合適的推拉裝置把待處理的晶圓依次送到爐體內；④再一次利用氮氣或氧氣把爐體充滿，保證爐體內部始終是正壓狀態；⑤按照設定的溫度工藝曲線，借助適當的電加熱的方法將爐體內的溫度調整到某一特定值，并保持不變；⑥使爐體內的溫度保持不變，將需要摻雜的氣體注入爐體內部；⑦使爐體內的溫度保持不變，進行擴散，一段時間之后，按照設定的溫度工藝曲線，對爐體內部適當降溫。整個摻雜階段中，爐內的溫度應當始終處于恒定狀態，以保證晶圓能夠充分而且均勻地擴散開來。

3.2 擴散工藝技術對于PN結形成的作用

在PN結的形成的過程中，我們依然要利用到擴散工藝技術。利用擴散工藝技術，技術人員不但可以制造P型或者N型的半導體，而且可以制造PN結。

一般而言，利用擴散工藝技術，就能夠把硼等三價元素，添加到加純凈的硅晶體之中，用于制成P型的半導體；同樣，也可以將磷等五價元素添加到純凈的硅晶體之中，用于制成N型的半導體。對于N型半導體，它的空穴的濃度一定比自由電子的濃度要小；對于P型半導體而言，情況則是完全相反的。

對于一塊完整的半導體，采用擴散工藝就可以把半導體的兩側做成P型半導體和N型半導體，在兩個結合的部位就會形成PN結。把二者接觸面偏向P型的一側稱為P區，另一側稱作N區。當P型半導體和N型半導體剛剛開始接觸的時候，P區和N區的電荷密度都基本上是零。當二者充分地接觸后，P型半導體區域內的價帶中的空穴向N區移動，N型半導體區域內的導帶中的電子向P區移動。在移動的過程中，就會形成了空間電荷。一般而言，P區附近的空間電荷呈現的是負電性，N區附近的空間電荷呈現的是正電性。

由相關的電學知識可以知道，位于P區和N區的邊緣區域的離子是無法自由地移動的，因此在整個半導體中間部位，就會逐漸形成一個新的空間電荷區。在這個電荷區內，通常會有多個空穴以及電子，這就是具有自由載流子的耗盡層。空穴和電子的出現使得在耗盡層中出現了一個電場，并且電場的方向是從N區指向P區。受到電場的阻礙作用，空穴和電子的擴散逐漸變得緩慢，直至最終達到一種平衡的狀態。通常意義上的PN結指的就是這個空間電荷區。

3.3 在半導體生產中擴散工藝技術的發展

目前，擴散工藝技術正日益成熟，但也存在一些不足的地方，比如低溫的時候擴散時間就會變長、半導體的生產周期隨之變長、反應需要的環境溫度就會變高等。這些缺陷使得半導體生產過程中，成品率較低。即便是合格的產品，它的質量和產量也不盡如人意。目前，相關產業的技術人員正著力改善擴散工藝在半導體制造中的應用，主要的發展方向有微波技術、離子注入技術。①微波技術。微波高溫加熱技術指的是一種比較新的應用熱能的技術，對于許多物理、化學反應能起到加速的作用，能降低反應所需要的時間。目前，微波技術主要應用于陶瓷半導體的生產領域。②離子注入技術。在應用離子注入技術的時候，反應的環境溫度較低，精確容易控制控制，而且反應不易受到雜質的固、溶態的制約。因此，它能夠和傳統的擴散工藝的溫度高、溫度難控制的不足加以互補。除此之外，當離子注入后，雜質的濃度在半導體內部會形成高斯分布。因此，粒子濃度最高的位置一般位于表面以內具有一定深度的地方，這就能縮短擴散所需時間長，從而提高產品生產效率。

此外，還出現了更加先進的紙源擴散和鉑擴散。紙源擴散由于工藝簡單，周期短，成品率高，節約工藝費用的優點，在大功率硅整流元件的生產中獲得了廣泛地應用。鉑擴散由于其特殊性能廣泛應用于快回復二極管的制造中。

4 結束語

本文主要介紹了擴散工藝技術在半導體制造過程中的應用。半導體特殊的導電性能，使它在電視機、計算機、收音機等諸多領域起到了巨大的作用。在以后的生產生活中，半導體還將發揮很總要的作用。盡管在半導體的生產過程中擴散工藝技術依然存在著一些不足，但是隨著我國制造工藝的飛速發展，擴散工藝的一些缺陷必將被逐步克服。

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2016-9-19