JP2008028014A

JP2008028014A - 縦型拡散炉

Info

Publication number: JP2008028014A
Application number: JP2006196747A
Authority: JP
Inventors: Ayumi Suzuki; 歩鈴木
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】各半導体基板に対するプロセスガスの供給量を均一にする。
【解決手段】プロセスチューブ１１内にボート１３に収容した半導体基板１４が装填される。プロセスチューブ１１内には、インジェクタ１８が配され、このインジェクタ１８を通してプロセスチューブ１１内にプロセスガスが導入される。インジェクタ１８は、プロセスガスの供給量が不足する半導体基板１４側の一端がそれに近づくようにその垂直に伸びた部分が垂直方向に対して傾けられた姿勢で配される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体の製造に用いられる縦型拡散炉に関するものである。

半導体装置の製造時における熱拡散工程では、例えば縦型拡散炉が用いられる。この縦型拡散炉では、ボートに収納した多数の半導体基板（シリコンウエハ）を、縦型管状のプロセスチューブに装填しプロセスチューブの外側に配したヒータで加熱しながら、プロセスチューブ内に、キャリアガスで希釈された拡散源となる不純物ガスを導入することにより行う。このような縦型拡散炉では、プロセスチューブ内には、その内部への不純物ガス等からなるプロセスガスを導入するためにインジェクタが設けられており、インジェクタは、縦方向に長くされた管状で半導体基板に向けてガスが噴出されるように複数のガス吹出し口が設けられている。

半導体基板に供給される不純物ガスの量が不均一であると、半導体基板ごとあるいは半導体基板内での不純物濃度の均一にならなくなる。このため半導体装置の特性にバラツキが生じ、歩留まりが悪くなるといった問題が生じる。

上記のような問題を解消するために、複数のインジェクタを設けたり、インジェクタの管径やガス吹出し口の径に変化をつけたりすることによって各半導体基板に供給される不純物ガスの量を均一にし、半導体基板での不純物濃度を一定にしようとする技術が特許文献１〜４によって知られている。
特開平１１−１２１３８９号公報特開平６−５３１５４号公報特開平９−９７７６８号公報特開平１０−３３５２５３号公報

しかしながら、特許文献１〜４のような手法では、既存の装置に対しては、インジェクタを追加するための改造が必要であり、あるいは新たに設計・作成したインジェクタを用意する必要があり、容易に実施できないという問題があった。また、例えば１度に処理できる半分程度の半導体基板を不純物ガスの量がほぼ均一となる位置にだけ装填することも考えられるが、工程能力の低下を招くという問題がある。

本発明は上記問題を解消するためになされたもので、容易に各半導体基板、同一半導体基板の各部に供給される不純物ガスの量を均一にすることができる縦型拡散炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の縦型拡散炉では、縦型管状のプロセスチューブと、前記プロセスチューブ内に挿入され、所定の間隔で多数の半導体基板を前記プロセスチューブの軸心に沿って並べて保持するボートと、前記プロセスチューブ内に配され、ガス供給口から供給されるガスを前記半導体基板に向けて噴出する複数のガス吹出し口を有する縦方向に伸びた管状のインジェクタとを備えた縦型拡散炉において、インジェクタを、一方の端部を前記半導体基板に近づけるように垂直方向に対して傾斜させて配したものである。

請求項２記載の縦型拡散炉では、インジェクタからプロセスチューブ内に導入されたガスを外部に排出するためのガス排出口を有し、インジェクタを、ガス排出口が設けた側の端部を半導体基板に近づけるように垂直方向に対して傾斜させたものである。

請求項３記載の縦型拡散炉では、プロセスチューブの下部に、インジェクタからプロセスチューブ内に導入されたガスを外部に排出するためのガス排出口を有し、インジェクタを、供給されるガスを下から上に向けて通し、この下から上に向けてガスが通る経路に各ガス吹出し口を設けるとともに、下端部を半導体基板に近づけるように垂直方向に対して傾斜させて配したものでる。

請求項４記載の縦型拡散炉では、ガス排出口を、インジェクタがガスを噴出する位置に対して、ガス排出口との位置とがプロセスチューブの軸心を中心にして８０°ずらした回転位置となるように設けものである。また、請求項５記載の縦型拡散炉では、ボートとともに半導体基板を垂直方向の軸を中心に回転させる回転手段を備えたものである。

本発明の縦型拡散炉によれば、インジェクタの一端側がプロセスチューブ内に装填される半導体基板に近づくように、インジェクタを垂直方向に対して傾斜させることにより、極めて容易に各半導体基板に対するプロセスガスの供給量が均一とすることができ、歩留まりの向上を図ることができる。

本発明を実施した縦型拡散炉の構成を図１に示す。縦型拡散炉１０のプロセスチューブ１１は、一端が閉じた縦長の管状（円筒形状）としてある。このプロセスチューブ１１の外周には、ヒータ１２を配置してあり、このヒータで１２によってプロセスチューブ１１内が加熱される。プロセスチューブ１１内の温度管理のために温度センサや温度制御回路（図示省略）を設けてあり、これらによってプロセスチューブ１１内の温度が制御される。

石英ボート１３は、処理対象となる多数、例えば１５０枚の半導体基板（シリコンウエハ）１４を、その面を水平にした状態で、互いに適当な間隔をあけた状態で縦方向に配列して収容・保持する。

昇降台１６に回転機構１７を組み付けてあり、上記ボート１３は昇降台１６の上面側で回転装置１７に連結してある。昇降台１６は、拡散処理を行うために、図示されるボート１３をプロセスチューブ１１内に装填し、プロセスチューブ１１の下端を昇降台１６の上面で塞いだ上昇位置と、処理済みの半導体基板１４を取り出しまた新たな半導体基板１４をボート１３に収容するために、上昇位置から下方に移動し、ボート１３をプロセスチューブ１１から引き抜いた下降位置との間で移動自在としてある。

回転装置１７は、モータ１７ａやこのモータ１７ａの回転がベルト１７ｂで伝えられるプーリー１７ｃ、このプーリー１７ｃの回転をボート１３に伝達する伝達機構１７ｄ等から構成してあり、プロセスチューブ１１の軸心を回転中心にしてボート１３とともに、半導体基板１４を回転させる。

プロセスチューブ１１内には、ボート１３に収容されている各半導体基板１４に向けて、拡散源となる例えばオキシ塩化リン等の不純物ガスと不純物ガスを希釈するキャリアガスとからなるプロセスガスを吹き出す小孔１８ａを設けたインジェクタ１８を配してある。このインジェクタ１８は、上下方向に伸びた垂直管部１８ｖと、この垂直管部１８ｖの上端から水平方向に伸びた水平管部１８ｈとからなり、垂直管部１８ｖの下端には、ガス供給管１９を一体に形成してある。このガス供給管１９は、プロセスチューブ１１を貫通して外側に伸びており、図示しないガス供給装置に接続される。これにより、インジェクタ１８は、下端からプロセスガスが供給されて上方に向かってガスが流れるようになっている。

垂直管部１８ｖは、プロセスチューブ１１の内面と適当な間隔をあけて配してあり、少なくともボート１３に対向する管面部分に多数の小孔１８ａが上下方向に一定のピッチでライン状に並べて設けてある。また、水平管部１８ｈは、垂直管部１８ｖの上端からプロセスチューブ１１の中心方向に向かうようにＬ字状に折り曲げられている。この水平管部１８ｈの下側の管面部分に水平方向に一定のピッチでライン状に並ぶように小孔１８ａを設けてある。なお、水平管部１８ｈを省略してもよい。

図示しない外部のガス排出装置が接続されたガス排出管２１を設けてあり、その一端がプロセスチューブ１１の下部内側にガス排出口２１ａとして露呈しているインジェクタ１８によってプロセスチューブ１１に内に導入されたプロセスガスは、このガス排出口２１ａを通して外部に排出される。

各半導体基板１４の相互間での不純物の拡散濃度を均一にし、また半導体基板１４のそれぞれにおける不純物の拡散濃度を均一とするために、インジェクタ１８に傾斜を与えてある。すなわち、インジェクタ１８の垂直管部１８ｖの一方の端部がボート１３に近づくように、垂直方向に対して傾きを持つようにインジェクタ１８を組み付けることにより、プロセスガスの流れを調整し、不純物の拡散濃度にバラツキが生じないようにしている。

なお、垂直管部１８ｖを垂直（角度α＝０°）としたときに、ボート１３に収容された半導体基板１４のうち不純物の拡散濃度が不足しバラツキが大きい傾向にある側を垂直管部１８ｖのボートに近づけるようにすればよく、その傾向が大きいほど角度αを大きくするようにすればよい。

この例では、図２に模式的に示すように、垂直管部１８ｖの下端側をボートに近づけ、垂直方向に対して角度αで傾斜させてある。このような傾斜は、インジェクタ１８の取り付け姿勢の変更だけで与えることができるので容易に実現できる。具体的には、インジェクタ１８は、プロセスチューブ１１の内面に設けた石英製のフック２２（図１参照）に上部が掛けられているので、プロセスチューブ１１を貫通するガス供給管１９のプロセスチューブ１１内への押し込み量を増減することによって所望とする角度αを得ている。

なお、ガス排出口２１ａの位置によって、インジェクタ１８から吹き出されたプロセスガスの流れが変化し、ガス排出管２１を設けた側（上方、あるいは下方）の半導体基板１４に十分にまた均一にプロセスガスが供給されない傾向にあるので、垂直管部１８ｖのガス排出管２１を設けた側の端部をボート１３に近づけるようにインジェクタ１８を傾斜させ方向を決めることもできる。

上記の縦型拡散炉１０によれば、ヒータ１２によりプロスセチューブ１１内が高温に加熱され、そのプロスセチューブ１１内に多数の半導体基板１４を収容したボート１３が昇降台１６の上昇で装填される。この後、回転装置１７により、ボート１３の回転が開始されてから、ガス供給管１９にプロセスガスの供給が開始される。

供給されたプロセスガスは、インジェクタ１８の各小孔１8ａからボート１３に収容されている各半導体基板１４に向けて吹き出され、半導体基板１４の表面への例えば不純物の拡散処理が行われる。

垂直管部１８ｖの下端側をボート１３に近づけるようにしてプロセスガスの供給量が各半導体基板１４に対して均一となるようにインジェクタ１８を垂直方向に対して傾斜させてあるので、各半導体基板１４の相互間に対し、また半導体基板１４ごとに不純物の拡散濃度を均一にすることができる。

上記のように構成される縦型拡散炉１０において、半導体基板１４への不純物の拡散が均一になっていることを確認した実施例について説明する。この実施例では、半導体基板１４に対してリン（Ｐ）を拡散させ、半導体基板１４のシート抵抗（表面抵抗率）を測定した結果によって不純物の拡散濃度の均一性を評価した。

実施例に用いた縦型拡散炉１０は、プロセスチューブ１１の外径２７１ｍｍ、高さ１９０ｃｍであった。また、図３に示すように、プロセスチューブ１１の軸心（半導体基板１４の回転中心）を中心として、半導体基板１４の回転方向におけるガス排出口２１ａからインジェクタ１８の垂直管部１８ｖへの角度βが「８０°」であった。

インジェクタ１８は、垂直管部１８ｖを垂直とする姿勢よりもガス供給管１９を約１０ｍｍプロセスチューブ１１内に押し込んだ位置で固定することにより、角度αを０．５°とした。このときに、インジェクタ１８の最下端に設けられ最下層の半導体基板１４に対応する小孔１8ａがボート１３に対して約８ｍｍ近づいた状態となった。

拡散処理では、プロセスチューブ１１内には、１ロットが２５枚からなるＡ〜Ｆロットの計１５０枚の収容可能枚数の最大枚数の半導体基板１４を収容したボート１３を装填した状態で処理を行った。

この実施例におけるＡ〜Ｆロットの半導体基板１４のシート抵抗（Ω／sq）を各半導体基板１４に対して複数点のシート抵抗を測定した結果を図４（ａ）に示す。また、実施例と同じ構成において実際の半導体製品の製造時に連続して実施した処理における第１回目と第２回目のＡ〜Ｆロットのシート抵抗（Ω／sq）の測定結果を図４（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示す。さらに、比較例として、垂直管部１８ｖを垂直とした他は同一の条件で処理を行った場合のＡ〜Ｆロットのシート抵抗（Ω／sq）の測定結果を図４（ｄ）に示す。また、実施例と比較例における均一性、すなわち平均値に対する最大・最小値の振れ幅を表１に示す。

なお、図４，表１では、ボート１３に収容される半導体基板１４のロットを下側から順番にＡロット、Ｂロット・・・Ｆロットとし、ロットごとには下側の半導体基板１４から順番に１，２，３・・・２５の番号を付与して、各半導体基板１４の位置を示してある。例えば、「Ａ１」はボート１３の最下層に収容されている半導体基板１４であり、「Ｆ２５」はボート１３の最上層に収容されている半導体基板１４を示す。

また、表１中のＡ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１，Ｆ２５に対する値は、それぞれの半導体基板１４内における均一性、すなわち面内均一性である。「Ａｌｌ」は、全て（Ａ１，Ａ２，・・・・Ｆ２５）の半導体基板１４のそれぞれについて複数点のシート抵抗を測定した結果を用いて求めた平均値に対する最大・最小値の振れ幅であるチャージ内均一性である。さらに、「ＷｔｏＷ」は、全て（Ａ１，Ａ２，・・・・Ｆ２５）の半導体基板１４についてそれぞれ求めた平均値を１枚ごとの代表値として、それら代表値の平均に対する最大・最小値の振れ幅を示す面間均一性を示している。

さらに、図５に拡散処理を繰り返した場合のシート抵抗の推移を示すトレンドグラフを示す。各１回の処理は、左側からＦ２５，Ｅ１，Ｄ１，Ｃ１，Ｂ１，Ａ１の順番で、平均値と最大値と最小値をプロットしてある。なお、プロット数が６個に満たない処理は、そのプロット数が１回の処理において処理したロット数となっている。１回目〜１４回目まで拡散処理は、比較例と同様にインジェクタ１８を傾けずに行い、１４回目の処理の完了後に、インジェクタ１８の傾きの角度αを０．５°として１５回目以降の処理を行っている。

以上からわかるように、イジェクタ１８に傾斜を与えない場合には、チャージ内、面間，面内の各均一性が悪く、すなわちバラツキが大きく、各半導体基板１４に対して不純物の拡散が均一でないことがわかる。また、下層になるほど、バラツキが大きくなるとともに、シート抵抗が高いことから十分に不純物が拡散されないことがわかる。これに対して、インジェクタ１８を傾斜させた場合には、チャージ内（各ロット間）、面間，面内の各均一性が良く、また、下層の半導体基板１４についてもシート抵抗が下がっており、十分に不純物が拡散されていることがわかる。さらに、拡散処理の回数を重ねても、バラツキが小さい状態を維持で安定した結果が得られることがわかる。

上記では不純物を拡散させた領域を半導体基板に作成する場合について説明したが、本発明は、半導体基板から金属不純物などを除去するゲッタリングにも利用することができる。

本発明の縦型拡散炉の構成を示す断面図である。インジェクタの傾きを示す説明図である。インジェクタとガス排出管の位置関係を示す説明図である。半導体基板のシート抵抗のバラツキを示すグラフである。半導体基板のシート抵抗の推移を示すトレンドグラフである。

符号の説明

１０縦型拡散炉
１１プロセスチューブ
１３ボート
１４半導体基板
１８インジェクタ

Claims

縦型管状のプロセスチューブと、前記プロセスチューブ内に挿入され、所定の間隔で多数の半導体基板を前記プロセスチューブの軸心に沿って並べて保持するボートと、前記プロセスチューブ内に配され、ガス供給口から供給されるガスを前記半導体基板に向けて噴出する複数のガス吹出し口を有する縦方向に伸びた管状のインジェクタとを備えた縦型拡散炉において、
前記インジェクタは、一方の端部を前記半導体基板に近づけるように垂直方向に対して傾斜させて配してあることを特徴とする縦型拡散炉。
前記インジェクタから前記プロセスチューブ内に導入されたガスを外部に排出するためのガス排出口を有し、前記インジェクタは、前記ガス排出口が設けた側の端部を前記半導体基板に近づけるように垂直方向に対して傾斜させたことを特徴とする請求項１記載の縦型拡散炉。
前記プロセスチューブの下部に設けられ、前記インジェクタから前記プロセスチューブ内に導入されたガスを外部に排出するためのガス排出口を有し、前記インジェクタは、供給されるガスを下から上に向けて通し、この下から上に向けてガスが通る経路に各ガス吹出し口が設けられるとともに、下端部を前記半導体基板に近づけるように垂直方向に対して傾斜させて配してあることを特徴する請求項１記載の縦型拡散炉。
前記ガス排出口は、前記インジェクタがガスを噴出する位置に対して、前記ガス排出口との位置とが、前記プロセスチューブの軸心を中心にして８０°ずらした回転位置となるように設けたことを特徴とする請求項３記載の縦型拡散炉。
前記ボートとともに半導体基板を垂直方向の軸を中心に回転させる回転手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の縦型拡散炉。