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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，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为控制核心的控制系统，采

用M odbu 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。