解析半導(dǎo)體生產(chǎn)中擴(kuò)散工藝技術(shù)應(yīng)用

袁強(qiáng)

（中國(guó)振華集團(tuán)永光電子有限公司貴州貴陽(yáng)550000）

解析半導(dǎo)體生產(chǎn)中擴(kuò)散工藝技術(shù)應(yīng)用

袁強(qiáng)

（中國(guó)振華集團(tuán)永光電子有限公司貴州貴陽(yáng)550000）

在半導(dǎo)體生產(chǎn)中，擴(kuò)散工藝技術(shù)是經(jīng)常用到的一種制作方法。本文就將從半導(dǎo)體技術(shù)的特點(diǎn)、擴(kuò)散工藝的特點(diǎn)入手，介紹半導(dǎo)體生產(chǎn)中擴(kuò)散工藝技術(shù)的主要應(yīng)用。

半導(dǎo)體生產(chǎn)；擴(kuò)散工藝技術(shù)；半導(dǎo)體技術(shù)

1 半導(dǎo)體技術(shù)的簡(jiǎn)介

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

2 擴(kuò)散工藝技術(shù)的簡(jiǎn)介

2.1 擴(kuò)散的含義

擴(kuò)散就是指在分子運(yùn)動(dòng)或者渦旋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，物質(zhì)從一種恒定的狀態(tài)逐步向周?chē)鷶U(kuò)散。由于密度的不同，微粒就會(huì)從濃度高的地方轉(zhuǎn)移到濃度底的地方，直至其達(dá)到基本均勻混合的物理現(xiàn)象。

2.2 作用機(jī)理和應(yīng)用范圍

一般把擴(kuò)散當(dāng)成物質(zhì)內(nèi)部的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本方式。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到了絕對(duì)零度以上時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)就要不斷地進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，它的某些物理性質(zhì)，比如濃度、密度、化學(xué)位、內(nèi)部的應(yīng)力等就會(huì)出現(xiàn)一定的梯度。在熱運(yùn)動(dòng)的作用下，物質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)有可能會(huì)發(fā)生定點(diǎn)遷移。這個(gè)過(guò)程就是常說(shuō)的半導(dǎo)體之中的擴(kuò)散現(xiàn)象。

對(duì)于普通的半導(dǎo)體，P型的半導(dǎo)體一般摻雜了受主雜質(zhì)，N型的半導(dǎo)體一般摻雜了施主雜質(zhì)。位于二者交界部位的中間區(qū)域就是常說(shuō)的PN結(jié)。PN結(jié)又能夠分為兩類(lèi)，即同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)。前者通常指相同的半導(dǎo)體材料制作的PN結(jié)，后者指的是含有不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料制作的PN結(jié)。對(duì)于PN結(jié)的制造，擴(kuò)散工藝是較為常用的加工方法。

3 在半導(dǎo)體生產(chǎn)中擴(kuò)散工藝技術(shù)的應(yīng)用

3.1 擴(kuò)散工藝技術(shù)基本的工藝流程

在半導(dǎo)體加工過(guò)程中，晶圓的擴(kuò)散工作是一個(gè)重要的步驟。它的具體流程包含以下幾點(diǎn)：①把氮?dú)饣蜓鯕庾⑷氲綌U(kuò)散爐中，直至注明滿(mǎn)，以確保爐體內(nèi)保持正壓的狀態(tài)；②依據(jù)設(shè)定的溫度工藝曲線(xiàn)，借助適當(dāng)?shù)碾娂訜岬姆椒▽t體內(nèi)的溫度調(diào)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(nèi)；④再一次利用氮?dú)饣蜓鯕獍褷t體充滿(mǎn)，保證爐體內(nèi)部始終是正壓狀態(tài)；⑤按照設(shè)定的溫度工藝曲線(xiàn)，借助適當(dāng)?shù)碾娂訜岬姆椒▽t體內(nèi)的溫度調(diào)整到某一特定值，并保持不變；⑥使?fàn)t體內(nèi)的溫度保持不變，將需要摻雜的氣體注入爐體內(nèi)部；⑦使?fàn)t體內(nèi)的溫度保持不變，進(jìn)行擴(kuò)散，一段時(shí)間之后，按照設(shè)定的溫度工藝曲線(xiàn)，對(duì)爐體內(nèi)部適當(dāng)降溫。整個(gè)摻雜階段中，爐內(nèi)的溫度應(yīng)當(dāng)始終處于恒定狀態(tài)，以保證晶圓能夠充分而且均勻地?cái)U(kuò)散開(kāi)來(lái)。

3.2 擴(kuò)散工藝技術(shù)對(duì)于PN結(jié)形成的作用

在PN結(jié)的形成的過(guò)程中，我們依然要利用到擴(kuò)散工藝技術(shù)。利用擴(kuò)散工藝技術(shù)，技術(shù)人員不但可以制造P型或者N型的半導(dǎo)體，而且可以制造PN結(jié)。

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

對(duì)于一塊完整的半導(dǎo)體，采用擴(kuò)散工藝就可以把半導(dǎo)體的兩側(cè)做成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，在兩個(gè)結(jié)合的部位就會(huì)形成PN結(jié)。把二者接觸面偏向P型的一側(cè)稱(chēng)為P區(qū)，另一側(cè)稱(chēng)作N區(qū)。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體剛剛開(kāi)始接觸的時(shí)候，P區(qū)和N區(qū)的電荷密度都基本上是零。當(dāng)二者充分地接觸后，P型半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)的價(jià)帶中的空穴向N區(qū)移動(dòng)，N型半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)帶中的電子向P區(qū)移動(dòng)。在移動(dòng)的過(guò)程中，就會(huì)形成了空間電荷。一般而言，P區(qū)附近的空間電荷呈現(xiàn)的是負(fù)電性，N區(qū)附近的空間電荷呈現(xiàn)的是正電性。

由相關(guān)的電學(xué)知識(shí)可以知道，位于P區(qū)和N區(qū)的邊緣區(qū)域的離子是無(wú)法自由地移動(dòng)的，因此在整個(gè)半導(dǎo)體中間部位，就會(huì)逐漸形成一個(gè)新的空間電荷區(qū)。在這個(gè)電荷區(qū)內(nèi)，通常會(huì)有多個(gè)空穴以及電子，這就是具有自由載流子的耗盡層?？昭ê碗娮拥某霈F(xiàn)使得在耗盡層中出現(xiàn)了一個(gè)電場(chǎng)，并且電場(chǎng)的方向是從N區(qū)指向P區(qū)。受到電場(chǎng)的阻礙作用，空穴和電子的擴(kuò)散逐漸變得緩慢，直至最終達(dá)到一種平衡的狀態(tài)。通常意義上的PN結(jié)指的就是這個(gè)空間電荷區(qū)。

3.3 在半導(dǎo)體生產(chǎn)中擴(kuò)散工藝技術(shù)的發(fā)展

目前，擴(kuò)散工藝技術(shù)正日益成熟，但也存在一些不足的地方，比如低溫的時(shí)候擴(kuò)散時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)、半導(dǎo)體的生產(chǎn)周期隨之變長(zhǎng)、反應(yīng)需要的環(huán)境溫度就會(huì)變高等。這些缺陷使得半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中，成品率較低。即便是合格的產(chǎn)品，它的質(zhì)量和產(chǎn)量也不盡如人意。目前，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)人員正著力改善擴(kuò)散工藝在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用，主要的發(fā)展方向有微波技術(shù)、離子注入技術(shù)。①微波技術(shù)。微波高溫加熱技術(shù)指的是一種比較新的應(yīng)用熱能的技術(shù)，對(duì)于許多物理、化學(xué)反應(yīng)能起到加速的作用，能降低反應(yīng)所需要的時(shí)間。目前，微波技術(shù)主要應(yīng)用于陶瓷半導(dǎo)體的生產(chǎn)領(lǐng)域。②離子注入技術(shù)。在應(yīng)用離子注入技術(shù)的時(shí)候，反應(yīng)的環(huán)境溫度較低，精確容易控制控制，而且反應(yīng)不易受到雜質(zhì)的固、溶態(tài)的制約。因此，它能夠和傳統(tǒng)的擴(kuò)散工藝的溫度高、溫度難控制的不足加以互補(bǔ)。除此之外，當(dāng)離子注入后，雜質(zhì)的濃度在半導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)形成高斯分布。因此，粒子濃度最高的位置一般位于表面以?xún)?nèi)具有一定深度的地方，這就能縮短擴(kuò)散所需時(shí)間長(zhǎng)，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

此外，還出現(xiàn)了更加先進(jìn)的紙?jiān)磾U(kuò)散和鉑擴(kuò)散。紙?jiān)磾U(kuò)散由于工藝簡(jiǎn)單，周期短，成品率高，節(jié)約工藝費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，在大功率硅整流元件的生產(chǎn)中獲得了廣泛地應(yīng)用。鉑擴(kuò)散由于其特殊性能廣泛應(yīng)用于快回復(fù)二極管的制造中。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了擴(kuò)散工藝技術(shù)在半導(dǎo)體制造過(guò)程中的應(yīng)用。半導(dǎo)體特殊的導(dǎo)電性能，使它在電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、收音機(jī)等諸多領(lǐng)域起到了巨大的作用。在以后的生產(chǎn)生活中，半導(dǎo)體還將發(fā)揮很總要的作用。盡管在半導(dǎo)體的生產(chǎn)過(guò)程中擴(kuò)散工藝技術(shù)依然存在著一些不足，但是隨著我國(guó)制造工藝的飛速發(fā)展，擴(kuò)散工藝的一些缺陷必將被逐步克服。

[1]趙彪.電力電子技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽，2015（22）：222.

[2]周金廷.淺談擴(kuò)散工藝在半導(dǎo)體生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（26）：35.

TN305

A

1004-7344（2016）28-0288-01

2016-9-19