淺析擴(kuò)散工藝在半導(dǎo)體生產(chǎn)中的應(yīng)用

彭文忠

淺析擴(kuò)散工藝在半導(dǎo)體生產(chǎn)中的應(yīng)用

彭文忠

（中國振華集團(tuán)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(jī)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)越來越受到大家的重視。而制作半導(dǎo)體的關(guān)鍵技術(shù)就是制作其PN結(jié)。PN結(jié)的制作方法有多種多樣，其中最為常見的便是擴(kuò)散工藝。本文將主要介紹擴(kuò)散的定義、在半導(dǎo)體產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，擴(kuò)散工藝起作用的機(jī)理和其具體的應(yīng)用范圍。同時，本文將從擴(kuò)散工藝的整個工藝的流程，它在PN結(jié)形成過程中起到的作用以及該工藝的發(fā)展三個方面，探究擴(kuò)散工藝在整個半導(dǎo)體生產(chǎn)流程中的應(yīng)用。

半導(dǎo)體；擴(kuò)散工藝；PN結(jié)

1 擴(kuò)散工藝的簡介

1.1 擴(kuò)散的含義

所謂的擴(kuò)散就是指在分子運(yùn)動或者渦旋運(yùn)動的過程中，物質(zhì)從一種恒定的狀態(tài)逐步向周圍擴(kuò)散和蔓延，同時物質(zhì)中的微粒就會從高濃度的地方向低濃度地方轉(zhuǎn)移，一直到它在氣相、液相、固相三種狀態(tài)中間達(dá)到均勻混合的物理現(xiàn)象。

1.2 在半導(dǎo)體制作中的擴(kuò)散工藝的作用機(jī)理和應(yīng)用范圍

在電子晶體學(xué)，普遍把擴(kuò)散當(dāng)作物質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動最為基本的方式。一般物質(zhì)所處的環(huán)境溫度處于絕對零度之上時，其內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)就會不斷地做熱運(yùn)動。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的一些物理性質(zhì)，比如濃度、密度、化學(xué)位以及內(nèi)部的應(yīng)力等有梯度存在時，由于熱運(yùn)動的作用，各個質(zhì)點(diǎn)可能會出現(xiàn)定點(diǎn)遷移的現(xiàn)象。此種過程就是半導(dǎo)體中的擴(kuò)散。

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

2 擴(kuò)散工藝在整個半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

2.1 擴(kuò)散工藝的工藝流程

晶圓的擴(kuò)散工作是半導(dǎo)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(diǎn)：①將足量的氮?dú)饣蜓鯕庾⑷氲綌U(kuò)散爐中，保證爐內(nèi)始終處于正壓的狀態(tài)；②依據(jù)溫度工藝的曲線，利用合適的電加熱的方法讓爐內(nèi)溫度逐步上升到某一溫度值，并設(shè)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(nèi)；④再次將足量的氮?dú)饣蜓鯕庾⑷霠t內(nèi)，保障爐體內(nèi)部依舊為正壓狀態(tài)；⑤依據(jù)溫度工藝的曲線，利用合適的電加熱的方法讓爐內(nèi)溫度逐步上升到某一溫度值，同樣要設(shè)法保持溫度不變；⑥保持爐內(nèi)溫度恒定不變，把要摻雜的氣體注入爐內(nèi)；⑦保持爐內(nèi)的溫度恒定不變，擴(kuò)散進(jìn)行一定時間后，依據(jù)溫度工藝曲線對爐內(nèi)降溫。

整個的摻雜過程中，必須要使?fàn)t內(nèi)的溫度始終恒定，如此才能保證晶圓能夠充分且均勻地擴(kuò)散。由此可見，對于溫度的控制和調(diào)節(jié)是整個擴(kuò)散工藝過程中很重要的一個步驟，它直接關(guān)系到半導(dǎo)體擴(kuò)散的質(zhì)量，進(jìn)而影響半導(dǎo)體的制造質(zhì)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(xié)議來完成各個模塊的通信，如此就可以實(shí)時地檢測和控制爐體內(nèi)部的溫度變化和氣體流量變化，有利于對復(fù)雜工藝的溫度控制工作，有效提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2.2 在PN結(jié)形成的階段擴(kuò)散工藝的應(yīng)用

在PN結(jié)的形成階段我們需要引用擴(kuò)散工藝技術(shù)。擴(kuò)散工藝不僅能夠用來制造P型或者N型半導(dǎo)體，而且能夠用來制造PN結(jié)。

借助擴(kuò)散工藝技術(shù)，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(dǎo)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(dǎo)體。一般而言，N型半導(dǎo)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(dǎo)體，情況則恰恰相反。

同時，借助擴(kuò)散工藝能夠把一塊完整的半導(dǎo)體的兩側(cè)分別做成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，在二者結(jié)合的區(qū)域就會形成PN結(jié)。這里，將二者接觸面偏向P型一邊稱作P區(qū)，而偏向N型一邊稱作N區(qū)。P型半導(dǎo)體剛剛接觸N型半導(dǎo)體時候，P區(qū)和N區(qū)部位的電荷密度基本為零。二者接觸之后，位于N型半導(dǎo)體一邊的導(dǎo)帶中的電子就會向P區(qū)擴(kuò)散，位于P型半導(dǎo)體一邊的價帶中的空穴就會向N區(qū)擴(kuò)散。在擴(kuò)散的過程中，空間電荷就會隨之形成，靠近P區(qū)的空間電荷一般呈現(xiàn)負(fù)電性，靠近N區(qū)的空間電荷一般呈現(xiàn)正電性。

同時，因?yàn)樘幵赑區(qū)和N區(qū)邊緣部位的離子是不能移動的，那么在半導(dǎo)體的中間就會形成一個新的空間電荷區(qū)。在此區(qū)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(chǎn)生了一個電場，而且電場是由N區(qū)指向P區(qū)的。由于電場的存在，空穴和電子的擴(kuò)散就會受阻，最后其擴(kuò)散就會達(dá)到一種平衡的狀態(tài)。所謂的PN結(jié)就是指的形成的這個空間電荷區(qū)。

在空間電荷區(qū)形成之后，如果將電壓施加到PN結(jié)的兩端，那么PN結(jié)的平衡狀態(tài)自然會被破壞掉，就會有電流通過PN結(jié)。若P區(qū)接的是電源的正極，N區(qū)接的是負(fù)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(nèi)電場被抵消之后，空穴就會加速向N區(qū)擴(kuò)散，而電子則會向P區(qū)加速擴(kuò)散。那么，在P區(qū)和N區(qū)內(nèi)部，擴(kuò)散出來的電子和空穴就會被復(fù)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(shù)值比較大，被稱為負(fù)荷電流。若電源的正極反過來接，會使得電子和空穴的擴(kuò)散程度減弱，相應(yīng)的電流值就會很小。

2.3 半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中擴(kuò)散工藝的發(fā)展

擴(kuò)散工藝也存在一些不足的地方，比如高溫時擴(kuò)散的時間變長、生產(chǎn)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(dǎo)體的成品率往往很低，其質(zhì)量和產(chǎn)量普遍不高。因此，相關(guān)的技術(shù)人員正在積極的探索可解決的方案，微波技術(shù)和離子注入技術(shù)是其中的兩個主要的發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

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

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1004-7344（2016）27-0234-01

2016-9-5