浅析扩散工艺在半导体生产中的应用

彭文忠

浅析扩散工艺在半导体生产中的应用

彭文忠

（中国振华集团永光电子有限公司 贵州贵阳 550000）

最近几年以来，随着我国计算机技术的发展，半导体技术越来越受到大家的重视。而制作半导体的关键技术就是制作其PN结。PN结的制作方法有多种多样，其中最为常见的便是扩散工艺。本文将主要介绍扩散的定义、在半导体产品的生产过程，扩散工艺起作用的机理和其具体的应用范围。同时，本文将从扩散工艺的整个工艺的流程，它在PN结形成过程中起到的作用以及该工艺的发展三个方面，探究扩散工艺在整个半导体生产流程中的应用。

半导体；扩散工艺；PN结

1 扩散工艺的简介

1.1 扩散的含义

所谓的扩散就是指在分子运动或者涡旋运动的过程中，物质从一种恒定的状态逐步向周围扩散和蔓延，同时物质中的微粒就会从高浓度的地方向低浓度地方转移，一直到它在气相、液相、固相三种状态中间达到均匀混合的物理现象。

1.2 在半导体制作中的扩散工艺的作用机理和应用范围

在电子晶体学，普遍把扩散当作物质内部的质点运动最为基本的方式。一般物质所处的环境温度处于绝对零度之上时，其内部的质点就会不断地做热运动。当物质内部的一些物理性质，比如浓度、密度、化学位以及内部的应力等有梯度存在时，由于热运动的作用，各个质点可能会出现定点迁移的现象。此种过程就是半导体中的扩散。

在所有的半导体中，一般的P型的半导体掺杂有受主杂质，N型的半导体掺杂有施主杂质，所谓的PN结就是指P型和N型半导体在二者交界部位中间区域。按照材料的不同来划分，PN结可以分为同质结、异质结。其中的同质结指的是利用相同的半导体材料制造的PN结，所谓的异质结就是利用含有不同禁带宽度的半导体材料制造的PN结。目前，有多种方法可以制造PN结，主要包含有合金法、扩散法以及外延生长法等。这些方法中，扩散工艺是较为常用的加工工艺。

2 扩散工艺在整个半导体生产过程中的应用

2.1 扩散工艺的工艺流程

晶圆的扩散工作是半导体加工过程中一个重要的步骤，它的具体流程包含以下几点：①将足量的氮气或氧气注入到扩散炉中，保证炉内始终处于正压的状态；②依据温度工艺的曲线，利用合适的电加热的方法让炉内温度逐步上升到某一温度值，并设法保持温度不变；③借助推拉装置将需要处理的晶圆送入到炉内；④再次将足量的氮气或氧气注入炉内，保障炉体内部依旧为正压状态；⑤依据温度工艺的曲线，利用合适的电加热的方法让炉内温度逐步上升到某一温度值，同样要设法保持温度不变；⑥保持炉内温度恒定不变，把要掺杂的气体注入炉内；⑦保持炉内的温度恒定不变，扩散进行一定时间后，依据温度工艺曲线对炉内降温。

整个的掺杂过程中，必须要使炉内的温度始终恒定，如此才能保证晶圆能够充分且均匀地扩散。由此可见，对于温度的控制和调节是整个扩散工艺过程中很重要的一个步骤，它直接关系到半导体扩散的质量，进而影响半导体的制造质量。目前，市场上采用PLC作为控制核心来控制温度的变化，借助Modbu协议来完成各个模块的通信，如此就可以实时地检测和控制炉体内部的温度变化和气体流量变化，有利于对复杂工艺的温度控制工作，有效提升了产品质量和生产效率。

2.2 在PN结形成的阶段扩散工艺的应用

在PN结的形成阶段我们需要引用扩散工艺技术。扩散工艺不仅能够用来制造P型或者N型半导体，而且能够用来制造PN结。

借助扩散工艺技术，可以将硼等三价的元素加入到纯净的硅晶体之中，如此它便能够代替晶格之中的硅原子，制成P型的半导体；可以将磷等五价的元素加入到纯净的硅晶体之中，它就能代替晶格中硅原子，制成N型的半导体。一般而言，N型半导体中，其中的空穴的浓度要比自由电子的浓度小；而对于P型半导体，情况则恰恰相反。

同时，借助扩散工艺能够把一块完整的半导体的两侧分别做成P型半导体和N型半导体，在二者结合的区域就会形成PN结。这里，将二者接触面偏向P型一边称作P区，而偏向N型一边称作N区。P型半导体刚刚接触N型半导体时候，P区和N区部位的电荷密度基本为零。二者接触之后，位于N型半导体一边的导带中的电子就会向P区扩散，位于P型半导体一边的价带中的空穴就会向N区扩散。在扩散的过程中，空间电荷就会随之形成，靠近P区的空间电荷一般呈现负电性，靠近N区的空间电荷一般呈现正电性。

同时，因为处在P区和N区边缘部位的离子是不能移动的，那么在半导体的中间就会形成一个新的空间电荷区。在此区域中，含有多个空穴和电子，这些就形成了具有自由载流子的耗尽层。由于空穴和电子的存在，在耗尽层中就产生了一个电场，而且电场是由N区指向P区的。由于电场的存在，空穴和电子的扩散就会受阻，最后其扩散就会达到一种平衡的状态。所谓的PN结就是指的形成的这个空间电荷区。

在空间电荷区形成之后，如果将电压施加到PN结的两端，那么PN结的平衡状态自然会被破坏掉，就会有电流通过PN结。若P区接的是电源的正极，N区接的是负极，由于耗尽层中既不存在电子也不存在空穴，这就会使电压基本在耗尽层耗尽。以前的内电场被抵消之后，空穴就会加速向N区扩散，而电子则会向P区加速扩散。那么，在P区和N区内部，扩散出来的电子和空穴就会被复合掉，得到总的电流就是这两部分电流之和。一般而言，这种电流的数值比较大，被称为负荷电流。若电源的正极反过来接，会使得电子和空穴的扩散程度减弱，相应的电流值就会很小。

2.3 半导体生产过程中扩散工艺的发展

扩散工艺也存在一些不足的地方，比如高温时扩散的时间变长、生产周期也随之变长、所需要的温度变高等。由于这些不足的存在，半导体的成品率往往很低，其质量和产量普遍不高。因此，相关的技术人员正在积极的探索可解决的方案，微波技术和离子注入技术是其中的两个主要的发展方向。

3 结束语

在制造半导体的过程中，扩散工艺经常采用的一种方法。本文从工艺流程、扩散工艺在整个PN结的形成中的应用和其未来的发展方向三个方面进行了研究。在半导体的生制造过程中，尽管扩散工艺依然存在许多不足，但是伴随着我国制造业的发展进步，其不足之处将被逐步克服。扩散工艺必将在半导体制造中发挥出更加重要的作用。

[1]张华荣.基于嵌入式Linux的移动数据终端技术的研究[D].南京航空航天大学，2010.

[2]潘平仲.半导体与 PN 结[J].电子制作，2010（5）.

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