《浅谈扩散工艺在半导体生产中的应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《浅谈扩散工艺在半导体生产中的应用.pdf（2页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、浅谈扩散工艺在半导体生产中的应用摘 要： 扩散工艺是制作 半导体的关键结构 PN 结的一种常用方法。本文在介绍了扩散的定义、扩散工艺在半导体生产过程中的 作用原理和应用范围的基础上 ，从扩散工艺的工艺流程，扩散工艺在 PN 结形成中的作用以及扩散工艺的发展三个方面，探究了 扩散工艺在半导体生产中的应用。关键词：半导体；扩散工艺；PN 结1 扩散工艺与半导体1.1 什么是扩散 扩散是分子运动或涡旋运动所造成的，由一种保守属性或者物质逐渐向四周扩散和蔓延，物质的微粒由高浓度向低浓度的方向转移，直 至物质在气相、液相、固相或者三种状态之间达到均匀的物理现象。1.2 扩散在半导体中的作用原理和应用范围
2、 电子晶体学认为扩散是物质内部质点运动的基本方式，当物质所处环境的温度在绝对零度之上时，所有物质内部的质点都在不断的做 热运动。当物质内的某些物理性质，如浓度、密度、化学位和应力等存在 梯度时，因为热运动的存在，质点将出现定点迁移的现象，这个过程就 是扩散，在宏观上我们看到的就是物质的定向移动。在半导体中，P 型半导体掺有受主杂质，N 型半导体掺有施主杂 质，PN 结即 P 型和 N 型半导体交界面附近的过渡区域。根据材料的不 同，PN 结分为两种，同质结和异质结，其中同质结指由同一种半导体材 料做成的 PN 结，异质结则是由禁带宽度不同的半导体材料做成的 PN 结。制造 PN 结的方法很多，
3、包括合金法、扩散法和外延生长法等，其中 扩散工艺是国内比较通用的工艺。2 扩散工艺在半导体生产中的应用2.1 半导体生产中的扩散工艺流程 在半导体的生产过程中，晶圆的扩散是一道非常重要的工序，一般在扩散炉内完成，具体的工艺流程如下：向扩散炉内注入足量的氮气或氧气，使扩散炉的内部一直处 于正压状态。按照既定的温度工艺曲线，采用电加热的方法使扩散炉内的 温度升高到特定的温度值，此时注意保持炉内处于恒温的状态。在推拉舟的托盘上，有相关操作人员事先放置的需要扩散的 晶圆，通过推拉装置将其送入到扩散炉内。再向扩散炉内注入足够的氮气或氧气，保证扩散炉内部处于 正压状态。按照既定的温度工艺曲线，升高扩散炉内
4、的温度直到特定的 温度值，此时同样要保证扩散炉内部处于恒温的状态。在保持扩散炉内部处于特定恒温状态的前提下，将各种所要 掺杂的气体注入到扩散炉内。保持扩散炉内部温度恒定，扩散一定的时间之后，按照既定 的温度曲线对扩散炉内部进行降温处理。在整个掺杂的过程中，要保证扩散炉炉体内部处于一个特定的恒 温区，才能使晶圆得到充分而均匀的扩散。可见温度控制是扩散工艺中 非常重要的一个环节，温度控制的效果直接决定了半导体扩散的质量。 传统的扩散系统采用基于单片机的仪表仪器实现对扩散炉的控制管 理，但是由于其温度控制精度、自动运行能力以及生产工艺控制能力较 低，导致产品质量不高。目前出现了以 PLC 为控制核心
5、的控制系统，采用 Modbu 协议实现模块间的通信，能够实时检测和控制扩散炉的温度 和气体流量，对复杂工艺的温度控制效果具有很大的提高，提高了产品 的质量和生产效率。由于扩散工艺对半导体的质量影响很大，因此在扩散工艺的工艺流程中，有几个要点需要加以注意： （1）对扩散炉温度工艺曲线的控制。至少分别对扩散炉的 9 个温度检查点执行检查、显示和控制操作，及时矫正控制参数。 （2）对气体流量进行检测和控制。在扩散过程中要在炉管内一直通氮气，保证炉内处于正压状态；要实时检测扩散炉内不同气体的流量和 比例，保证晶圆的扩散质量。2.2 扩散工艺在 PN 结形成中的应用 扩散工艺在半导体生产中的应用主要体现
6、在对 PN 结形成的作用。一方面采用扩散工艺可以制作 P 型半导体和 N 型半导体，另一方 面通过扩散工艺也可以将 P 型半导体和 N 型半导体制作成 PN 结。通过扩散工艺，在纯净的硅晶体中掺杂入硼等三价元素，它会取代晶格中硅原子的位置，形成 P 型半导体；在纯净的硅晶体中掺杂入磷 等五价元素，它也会取代晶格中硅原子的位置，形成 N 型半导体。在 P 型半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度，在 N 型半导体中则正 好相反。通过扩散工艺可以将一块半导体的一边制作成为 P 型半导体，另 一边制作成为 N 型半导体，在 P 型半导体和 N 型半导体相接触的区域 则形成了 PN 结。本文将 P 型
7、半导体和 N 型半导体接触面的偏 P 型一 侧称为 P 区，偏 N 型一侧称为 N 区。当 P 型半导体和 N 型半导体刚刚 接触时，P 区和 N 区的电荷密度为零。P 型半导体和 N 型半导体接触 后，在 N 型半导体一侧，导带中的电子向 P 区扩散，在 P 型半导体一 侧，价带中的空穴向 N 区扩撒，在这个彼此扩散的过程中形成了空间 电荷，位于 P 区边缘的空间电荷为负电性，位于 N 区边缘的空间电荷 为正电性。由于位于 P 区和 N 区边缘的离子不能移动，于是在中间就形成了 一个空间电荷区。在这个空间电荷区，空穴和电子复合，形成具有自由 载流子的耗尽层。在耗尽层中，形成了一个电场，电场的
8、方向由 N 指向 P 区，这个电场阻止空穴和电子继续扩散，最终达到一种平衡状态。PN 结就是这个空间电荷区。形成空间电荷区之后，在 PN 结两端加电压，PN 结的平衡状态就 会被破坏，PN 结中会有电流通过。所加电压如果给 P 区接正极，给 N 区结负极，因为耗尽层中既没有电子也没有空穴，将使电压主要降低在 耗尽区里，将原来的内电场抵消，使得空穴向 N 区扩散增加，电子向 P 区扩散增加。在 P 区和 N 区，扩散的电子和空穴分别被复合掉，总电流 是两部分电流的和，这种电流的值比较大，通常称为负荷电流。如果电 压的正极加在 N 极，负极加在 P 极，将使电子和空穴的扩散减少，产生 的电流值则很
9、小。2.3 半导体生产中扩散工艺的发展 当然，扩散工艺也存在一些缺陷，如高温扩散时间长、生产周期长、所需温度高等，而且在这些缺陷的影响下，导致半导体的成品率低，质 量和产量都不高。因此，相关人员也在积极的探究可行的解决方案，其 中微波和离子注入其中的两个发展方向。2.3.1 微波加快扩散速度 微波高温加热技术是一种较新的热能技术，对某些物理化学反应具有加速作用。与传统的加热方法相比，在相同的温度上可以缩短反应 所需时间，当加热方法相同时能降低完成反应所需的温度。目前应用微 波加快扩散速度的技术在陶瓷半导体的生产方面有所应用。2.3.2 离子注入法的引入 离子注入法所需温度低，易于精确控制，不受
10、杂质固溶态的限制，可以与扩散工艺所需温度高、难控制温度的缺陷互补，而且离子注入后 杂质浓度在半导体中成高斯分布，浓度最高的地方在表面以内的一定 深度的位置，弥补了扩散所需时间长的缺陷。通过将扩散工艺和离子注 入结合，可有效提高产品的质量和生产效率。3 结论 扩散工艺是生产半导体的一种常用方法，本文主要探讨了扩散工艺的工艺流程、扩散工艺在 PN 结形成中的应用和扩散工艺的发展方 向。半导体的导电特性使其在电视机、收音机等很多领域占据着重要的 应用地位，在未来的很长时间内还会发挥不可替代的作用，在半导体的 生产过程中，虽然扩散工艺存在着一些问题和不足，但是随着制造工艺 的发展，扩散工艺的缺陷将逐渐被克服，在不断的完善过程中继续发挥 重要的作用。
