三重扩散工艺的改进
Improvement of Triple Diffusion Process
Liu Bo； Li Ce； Hou Haifeng
（Shenzhen SI Semiconductors Co.，Ltd.，Shenzhen 518029，China）
摘要： 扩散技术在工业制作的各个方面有重大的作用，在电子技术上的应用以晶体管最为显著。本文就简要介绍如何应用三重扩散工艺生产大功率晶体管，并对目前生产工艺中的一些不足之处进行改进，以更好的提高大功率晶体管的质量。
Abstract: The diffusion technology plays a major role in various aspects of industrial production. Its application in electronic technology, the most significant is the production of transistor. In this paper, how to produce high power transistor applying the triple diffusion process was briefly introduced, and some of the shortcomings in current production process for were improved in order to better improve the quality of high power transistor.
关键词： 三重扩散工艺 晶体管 高温扩散 杂质浓度
Key words: triple diffusion process；transistor；high temperature diffusion；impurities concentration
中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）２7-0042-01
0引言
扩散是分子运动（又称分子扩散）或涡旋运动（即涡动或湍流扩散）所造成的某一保守属性或所含物质向四周的扩展和蔓延，直至微粒子（也包括原子和分子）在气相、液相、固相或三者之间，由高浓度向低浓度方向迁移，直到混合均匀的物理运动现象。
1扩散工艺在电子产品中的作用原理、应用范围
在电子晶体学中，扩散是指物质内质点运动的基本方式，当所处温度高于绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度、密度等）存在时，由于热运动而导致质点定向迁移的现象就是所谓的扩散。因此，扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。
在一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料（如GaAl/GaAs、InGaAsP/InP等）制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等，三重扩散工艺生产大功率晶体管,已是国内较通用的工艺。
2大功率晶体管的应用范围和制作流程及其不足之处
大功率晶体管一般被称为功率器件，其实质就是有效地控制功率电子器件合理工作，通过功率电子器件为负载提供大功率的输出。功率器件通常工作于高电压、大电流的条件下，普遍具备耐压高、工作电流大、自身耗散功率大等特点。大功率晶体管开关速度快，具有自动关断能力，不需要强迫换流电路等优点，在目前，它主要应用在电子设备的扫描电路中。由于它工作发热量大所以常安装在金属散热器上，且金属散热器的面积要足够大，若无法满足此条件，大功率晶体管会达不到技术文档规定的技术性能，影响它所作用的电子设备的正常运行、作用。
三重扩散工艺是在轻掺杂的硅片衬底经过较长时间的高温扩散，在硅片的两边扩散很深的重掺杂层（一般几十微米到100多微米），然后进行单面减薄和抛光，会形成N+-N-或N+-P-的衬底。它是一种制备高压功率器件常用的衬底制备工艺，具有工艺简单，制备容易等诸多优点，采用三重扩散工艺制作的大功率晶体管有抗烧毁能力强，二次击穿耐量高，温度稳定性好，抗热疲劳能力强等特点。
晶体管PN结中，在硅集成电路制作工艺，主要是掺化学元素中的Ⅲ族和Ⅴ族杂质。掺入Ⅲ族元素形成P区；掺入Ⅴ族元素形成N区。其中集成电路的衬底通常都是硅片。常温下杂质在硅内扩散速度很慢，尽管多数集成电路要求的杂质扩散只有零点几到1微米或2微米的深度，但对多数所需掺入杂质（如硅中的Ⅲ族、Ⅴ族元素）来说，扩散温度仍然要求在1000摄氏度上下或者更高，这样掺杂过程才能在较短时间内完成。
扩散的大致基本步骤都是：清洗（cleaning)——扩散（diffusing），其中，对于N型杂质的扩散一般选用常规液态源磷扩散，使用POCl3作为扩散源。对于P型杂质的扩散则有液态源扩散、固态扩散、SiO2乳胶源扩散以及纸源扩散等多种方法。其中的固态扩散又有两种常用方法：一是把杂质源和硅片一起封入一个抽出空气、形成一定真空的石英管中加热，使杂质元素扩散到硅中去：另一种是把所需杂质源淀积在硅片上，然后把这种硅片置于高温下进行扩散。
但是，这样扩散中背衬的制作，需经近百小时持续的高温扩散，由于生产周期相对较长、所需温度较高，因此会引起高阻层的缺陷增加，少子寿命降低，形成的结为缓变结，同时，材科的成品率较低，而且长时间热扩散所引起的二次缺陷，还会对大电流特性等带来不利影响，以上这些都不利于大功率晶体管的制备。
3三重扩散工艺的注意事项及改进方法
扩散的速度和均匀度与杂质密度、温度和扩散时间有密切的关系，因此需高度注意对这三点的控制。其中，对于固体杂质，扩散浓度一方面决定于源的情况，当源足量时则由温度决定，因为杂质的固溶度决定了杂质在半导体表面的浓度。扩散深度■（若制成PN结表示为结深xj），则是取决于扩散系数D和扩散时间t。因为D=D0e-E/kT，又由于一定杂质在特定固体中激活能E和D0是一定的，所以D与T是指数的上升关系。因此，为了精确控制扩散深度,精确的控制温度（＜±0.5℃）十分重要，同时还须严格控制扩散用的时间。一个圆片内的扩散均匀性，在很大程度上取决于表面的严格处理程度；而片与片以及批与批间的均一性，除去恒温度区稳定，气流形式合适和源稳定外，还要求保持扩散环境的洁净。
对大功率晶体管而言，B主扩和P主扩的结身相对较浅，掺杂浓度较低，因此相对较容易，但是重掺杂的衬底扩散的效果则会较差，通常都是表面浓度上不去，影响其性能。并且在高温扩散中稍厚的深度会造成杂质分布的均匀性差，PN结结面不平整，影响了晶体管的伏安特性；同时高浓度的杂质扩散，也增加了管身体内的缺陷（主要是位错和杂质沉淀），破坏了器件的击穿特性。而离子注入法具有所需温度低、不受杂质固溶态限制、易于精确控制等优点，与扩散所需的高温、难控制温度等缺点相互补，因此可以尝试将其与三重扩散技术相联合使用。离子注入的方法是在真空中、低温下，把杂质离子加速（对Si，电压≥105V），使获得很大动能的杂质离子可以直接的进入到半导体中，但与此同时它也会在半导体中产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温进行退火或激光退火来消除这些缺陷。离子注入的杂质浓度最高处不是在表面，它的浓度分布一般会呈现为高斯分布，最高浓度是在表面以内的一定深度处。它与三重扩散的耗时间、高温条件控制难等互补，若能将这两种生产工艺完美结合，定能大大增加产品的质量与生产速度。
三重扩散工艺使用多年了，已经大范围的推广和普及，但是它的高温、长时的一些严格限制生产效率的问题还没能完好解决，因此，我们需在实际生产中总结经验，并关注相关科技的最新动态，把科技与生产结合，找出更好的改进方法。
参考文献：
[1]赵保经.《大功率晶体管的设计与制造》，科学出版社，1978.
[2]《高频晶体管》，上海市科技编译馆，1965.