解析半导体生产中扩散工艺技术应用

袁强

（中国振华集团永光电子有限公司贵州贵阳550000）

解析半导体生产中扩散工艺技术应用

袁强

（中国振华集团永光电子有限公司贵州贵阳550000）

在半导体生产中，扩散工艺技术是经常用到的一种制作方法。本文就将从半导体技术的特点、扩散工艺的特点入手，介绍半导体生产中扩散工艺技术的主要应用。

半导体生产；扩散工艺技术；半导体技术

1 半导体技术的简介

所谓的半导体技术指的是由常见的半导体材料构成相关组件和集成电路的技术。普通的半导体是由某一单一元素制作而成，最常见的半导体就是硅材料制成的半导体。此外，半导体也通过两种不同的元素构成，比如砷化镓（GaAs）。

2 扩散工艺技术的简介

2.1 扩散的含义

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。由于密度的不同，微粒就会从浓度高的地方转移到浓度底的地方，直至其达到基本均匀混合的物理现象。

2.2 作用机理和应用范围

一般把扩散当成物质内部的各个质点运动的基本方式。当环境温度达到了绝对零度以上时，物质内部的各个质点就要不断地进行热运动。此时，它的某些物理性质，比如浓度、密度、化学位、内部的应力等就会出现一定的梯度。在热运动的作用下，物质内部的质点有可能会发生定点迁移。这个过程就是常说的半导体之中的扩散现象。

对于普通的半导体，P型的半导体一般掺杂了受主杂质，N型的半导体一般掺杂了施主杂质。位于二者交界部位的中间区域就是常说的PN结。PN结又能够分为两类，即同质结和异质结。前者通常指相同的半导体材料制作的PN结，后者指的是含有不同禁带宽度的半导体材料制作的PN结。对于PN结的制造，扩散工艺是较为常用的加工方法。

3 在半导体生产中扩散工艺技术的应用

3.1 扩散工艺技术基本的工艺流程

在半导体加工过程中，晶圆的扩散工作是一个重要的步骤。它的具体流程包含以下几点：①把氮气或氧气注入到扩散炉中，直至注明满，以确保炉体内保持正压的状态；②依据设定的温度工艺曲线，借助适当的电加热的方法将炉体内的温度调整到某一特定值，并保持不变；③采用合适的推拉装置把待处理的晶圆依次送到炉体内；④再一次利用氮气或氧气把炉体充满，保证炉体内部始终是正压状态；⑤按照设定的温度工艺曲线，借助适当的电加热的方法将炉体内的温度调整到某一特定值，并保持不变；⑥使炉体内的温度保持不变，将需要掺杂的气体注入炉体内部；⑦使炉体内的温度保持不变，进行扩散，一段时间之后，按照设定的温度工艺曲线，对炉体内部适当降温。整个掺杂阶段中，炉内的温度应当始终处于恒定状态，以保证晶圆能够充分而且均匀地扩散开来。

3.2 扩散工艺技术对于PN结形成的作用

在PN结的形成的过程中，我们依然要利用到扩散工艺技术。利用扩散工艺技术，技术人员不但可以制造P型或者N型的半导体，而且可以制造PN结。

一般而言，利用扩散工艺技术，就能够把硼等三价元素，添加到加纯净的硅晶体之中，用于制成P型的半导体；同样，也可以将磷等五价元素添加到纯净的硅晶体之中，用于制成N型的半导体。对于N型半导体，它的空穴的浓度一定比自由电子的浓度要小；对于P型半导体而言，情况则是完全相反的。

对于一块完整的半导体，采用扩散工艺就可以把半导体的两侧做成P型半导体和N型半导体，在两个结合的部位就会形成PN结。把二者接触面偏向P型的一侧称为P区，另一侧称作N区。当P型半导体和N型半导体刚刚开始接触的时候，P区和N区的电荷密度都基本上是零。当二者充分地接触后，P型半导体区域内的价带中的空穴向N区移动，N型半导体区域内的导带中的电子向P区移动。在移动的过程中，就会形成了空间电荷。一般而言，P区附近的空间电荷呈现的是负电性，N区附近的空间电荷呈现的是正电性。

由相关的电学知识可以知道，位于P区和N区的边缘区域的离子是无法自由地移动的，因此在整个半导体中间部位，就会逐渐形成一个新的空间电荷区。在这个电荷区内，通常会有多个空穴以及电子，这就是具有自由载流子的耗尽层。空穴和电子的出现使得在耗尽层中出现了一个电场，并且电场的方向是从N区指向P区。受到电场的阻碍作用，空穴和电子的扩散逐渐变得缓慢，直至最终达到一种平衡的状态。通常意义上的PN结指的就是这个空间电荷区。

3.3 在半导体生产中扩散工艺技术的发展

目前，扩散工艺技术正日益成熟，但也存在一些不足的地方，比如低温的时候扩散时间就会变长、半导体的生产周期随之变长、反应需要的环境温度就会变高等。这些缺陷使得半导体生产过程中，成品率较低。即便是合格的产品，它的质量和产量也不尽如人意。目前，相关产业的技术人员正着力改善扩散工艺在半导体制造中的应用，主要的发展方向有微波技术、离子注入技术。①微波技术。微波高温加热技术指的是一种比较新的应用热能的技术，对于许多物理、化学反应能起到加速的作用，能降低反应所需要的时间。目前，微波技术主要应用于陶瓷半导体的生产领域。②离子注入技术。在应用离子注入技术的时候，反应的环境温度较低，精确容易控制控制，而且反应不易受到杂质的固、溶态的制约。因此，它能够和传统的扩散工艺的温度高、温度难控制的不足加以互补。除此之外，当离子注入后，杂质的浓度在半导体内部会形成高斯分布。因此，粒子浓度最高的位置一般位于表面以内具有一定深度的地方，这就能缩短扩散所需时间长，从而提高产品生产效率。

此外，还出现了更加先进的纸源扩散和铂扩散。纸源扩散由于工艺简单，周期短，成品率高，节约工艺费用的优点，在大功率硅整流元件的生产中获得了广泛地应用。铂扩散由于其特殊性能广泛应用于快回复二极管的制造中。

4 结束语

本文主要介绍了扩散工艺技术在半导体制造过程中的应用。半导体特殊的导电性能，使它在电视机、计算机、收音机等诸多领域起到了巨大的作用。在以后的生产生活中，半导体还将发挥很总要的作用。尽管在半导体的生产过程中扩散工艺技术依然存在着一些不足，但是随着我国制造工艺的飞速发展，扩散工艺的一些缺陷必将被逐步克服。

[1]赵彪.电力电子技术的研究与应用[J].中国科技博览，2015（22）：222.

[2]周金廷.浅谈扩散工艺在半导体生产中的应用[J].科技创新与应用，2012（26）：35.

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2016-9-19