JP2013229517A - Horizontal type diffusion furnace, and dopant diffusion method for semiconductor substrate - Google Patents

Horizontal type diffusion furnace, and dopant diffusion method for semiconductor substrate Download PDF

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雅丈 北山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a horizontal type diffusion furnace capable of performing uniform diffusion in a semiconductor substrate surface and in a batch without reduction in productivity, and to provide a method of forming a uniform diffusion layer on a semiconductor substrate by using this diffusion furnace.SOLUTION: A horizontal type diffusion furnace performing thermal diffusion of a dopant for each of a plurality of semiconductor substrates arranged inside a tubular reaction chamber, comprises: a heater heating a dopant gas; a gas supply body provided at the reaction chamber, and having a plurality of gas supply ports for discharging the dopant gas into the reaction chamber toward a first lateral face of the semiconductor substrate; and a gas exhaustion part provided at the reaction chamber, and having a plurality of gas exhaustion ports for exhausting the dopant gas from a second lateral face side different from the first lateral face of the semiconductor substrate to the outside of the reaction chamber.

Description

本発明は、半導体基板にドナー不純物またはアクセプタ不純物(以下、これら不純物を総称して「ドーパント」という)を拡散させるための横型拡散炉に関する。さらに、この横型拡散炉を用いて半導体基板にドーパント拡散領域を形成する半導体基板のドーパント拡散方法に関する。   The present invention relates to a horizontal diffusion furnace for diffusing donor impurities or acceptor impurities (hereinafter collectively referred to as “dopants”) into a semiconductor substrate. Furthermore, the present invention relates to a dopant diffusion method for a semiconductor substrate in which a dopant diffusion region is formed in the semiconductor substrate using this horizontal diffusion furnace.

結晶シリコン型の半導体基板を有する太陽電池素子などの半導体素子を製造する際、半導体基板にドーパントを熱拡散によって導入するための装置として、管状の反応室の管軸方向が水平となっている横型拡散炉がよく用いられる。   Horizontal type in which the tube axis direction of the tubular reaction chamber is horizontal as an apparatus for introducing a dopant into the semiconductor substrate by thermal diffusion when manufacturing a semiconductor element such as a solar cell element having a crystalline silicon type semiconductor substrate A diffusion furnace is often used.

この横型拡散炉では、半導体基板を管状の反応室内に載置した後に、この反応室の周囲に配した抵抗加熱ヒーターまたはランプヒーターなどの加熱手段を用いて半導体基板を加熱しながら、反応室内にドーパントを含むガス(以下、「ドーパントガス」という)を導入して半導体基板表面に拡散領域を形成することができる。   In this horizontal diffusion furnace, after placing a semiconductor substrate in a tubular reaction chamber, the semiconductor substrate is heated in a reaction chamber while heating the semiconductor substrate using a heating means such as a resistance heater or a lamp heater arranged around the reaction chamber. A diffusion region can be formed on the surface of the semiconductor substrate by introducing a gas containing a dopant (hereinafter referred to as “dopant gas”).

このため、一導電型を呈する半導体基板の表面に逆導電型のドーパント拡散領域(拡散層)を形成することで、半導体基板にpn接合を形成できる。例えば、半導体基板としてp型シリコン基板を用いて、この半導体基板にドナー不純物を拡散させてpn接合を形成することができる。この方法として、例えばオキシ塩化リン(POCl3)をドーパント原料として用いたリン拡散法が知られている。   For this reason, a pn junction can be formed in the semiconductor substrate by forming a dopant diffusion region (diffusion layer) of the reverse conductivity type on the surface of the semiconductor substrate exhibiting one conductivity type. For example, a p-type silicon substrate can be used as a semiconductor substrate, and donor impurities can be diffused into the semiconductor substrate to form a pn junction. As this method, for example, a phosphorus diffusion method using phosphorus oxychloride (POCl3) as a dopant raw material is known.

半導体素子の拡散層中のドーパント濃度プロファイルは、半導体素子の特性を決定する重要なパラメータであるので、半導体素子の特性および歩留りの向上のために、半導体基板面内およびバッチ内において、均一な拡散層を形成するための様々な技術がこれまでに提案されている。   Since the dopant concentration profile in the diffusion layer of the semiconductor element is an important parameter that determines the characteristics of the semiconductor element, uniform diffusion in the surface of the semiconductor substrate and in the batch in order to improve the characteristics and yield of the semiconductor element. Various techniques for forming layers have been proposed so far.

下記の特許文献1には、3分割したヒーターのそれぞれを独立に温度制御する横型拡散炉が示されている。また、特許文献2には、複数のガス噴出口を有するガス噴出体を備えた拡散炉が示されている。また、特許文献3には、リング状の排出口と排気路とを有する横型拡散炉が示されている。   Patent Document 1 below discloses a horizontal diffusion furnace in which the temperature of each of the three divided heaters is independently controlled. Patent Document 2 discloses a diffusion furnace including a gas ejection body having a plurality of gas ejection ports. Patent Document 3 discloses a horizontal diffusion furnace having a ring-shaped discharge port and an exhaust passage.

このように、拡散層のドーパント濃度プロファイルは、基板表面に供給されるドーパントガスの濃度と基板表面温度に律速されるので、基板面内およびバッチ内で均一な拡散層を形成するためには、半導体基板表面に供給されるドーパントガスの濃度および温度の分布を改善するか、濃度分布と温度分布との組合せを最適化する必要がある。   Thus, since the dopant concentration profile of the diffusion layer is limited by the concentration of the dopant gas supplied to the substrate surface and the substrate surface temperature, in order to form a uniform diffusion layer within the substrate surface and within the batch, It is necessary to improve the concentration and temperature distribution of the dopant gas supplied to the semiconductor substrate surface or to optimize the combination of the concentration distribution and the temperature distribution.

特開平5−47685号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-47685 特表2007−329437号公報Special table 2007-329437 特開2006−278614号公報JP 2006-278614 A

しかし、生産性向上のための基板の大型化や1バッチあたりの基板処理枚数の増加に伴って、基板面内およびバッチ内で拡散層の均一性に起因する、半導体素子の特性や歩留り
への影響が大きくなる。上述した従来の拡散炉においても、基板面内およびバッチ内で基板表面に供給されるドーパントガスの濃度と温度の分布が存在し、拡散層をより均一に形成する技術が望まれている。
However, with the increase in the size of substrates for productivity improvement and the increase in the number of substrates processed per batch, the characteristics and yield of semiconductor elements due to the uniformity of the diffusion layer within the substrate surface and within the batch The impact will increase. Even in the conventional diffusion furnace described above, there is a distribution of the concentration and temperature of the dopant gas supplied to the substrate surface within the substrate surface and in the batch, and a technique for forming the diffusion layer more uniformly is desired.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、生産性を低下させることなく、半導体基板面内およびバッチ内で均一な拡散を行うことができる横型拡散炉、およびこの拡散炉を用いて半導体基板に均一な拡散層を形成できる半導体基板のドーパント拡散方法を提供することを主たる目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a horizontal diffusion furnace capable of performing uniform diffusion in a semiconductor substrate surface and in a batch without reducing productivity, and a semiconductor using this diffusion furnace. The main object is to provide a dopant diffusion method for a semiconductor substrate that can form a uniform diffusion layer on the substrate.

本発明の一形態に係る横型拡散炉は、横向きの管状の反応室に配置された半導体基板にドーパントを熱拡散させる横型拡散炉であって、前記反応室への導入前にドーパントガスを加熱するヒーターと、前記反応室に設けられた、前記ドーパントガスを所定の第1方向へ供給する複数のガス供給口を有しているガス供給体と、前記反応室に設けられた、複数の前記ガス供給口に対応して配置されて前記ドーパントガスを所定の第2方向へ排出する複数のガス排出口を有しているガス排出体とを備えている。   A horizontal diffusion furnace according to an embodiment of the present invention is a horizontal diffusion furnace that thermally diffuses a dopant to a semiconductor substrate disposed in a horizontal tubular reaction chamber, and heats the dopant gas before introduction into the reaction chamber. A heater, a gas supply body having a plurality of gas supply ports for supplying the dopant gas in a predetermined first direction, and a plurality of the gases provided in the reaction chamber; A gas exhaust having a plurality of gas exhaust ports arranged corresponding to the supply ports and exhausting the dopant gas in a predetermined second direction.

また、本発明の一形態に係る半導体基板へのドーパント拡散方法は、上記横型拡散炉を用いて、前記反応室に配置された前記半導体基板にドーパント拡散領域を形成する半導体基板へのドーパント拡散方法であって、前記反応室に加熱された状態で配置された前記半導体基板の第1主面に対して平行な前記第1方向へ、前記ヒーターで加熱されたドーパントガスを前記ガス供給口から供給するとともに、前記半導体基板の前記第1主面に対して平行な前記第2方向へ、前記ドーパントガスを前記ガス排出口から排出するようにして、前記半導体基板に前記ドーパントを熱拡散して前記ドーパント拡散領域を形成する。   A method for diffusing a dopant into a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention includes: forming a dopant diffusion region in the semiconductor substrate disposed in the reaction chamber using the horizontal diffusion furnace. The dopant gas heated by the heater is supplied from the gas supply port in the first direction parallel to the first main surface of the semiconductor substrate disposed in a heated state in the reaction chamber. In addition, the dopant gas is discharged from the gas discharge port in the second direction parallel to the first main surface of the semiconductor substrate to thermally diffuse the dopant in the semiconductor substrate, and A dopant diffusion region is formed.

上記の横型拡散炉および半導体基板ドーパント拡散方法によれば、半導体素子を製造する際に、生産性を低下させることなく、半導体基板内およびバッチ内で均一にドーパントの拡散を行うことができる。   According to the horizontal diffusion furnace and the semiconductor substrate dopant diffusion method described above, the dopant can be uniformly diffused in the semiconductor substrate and in the batch without reducing the productivity when the semiconductor element is manufactured.

図1は、本発明の一形態に係る横型拡散炉の断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a horizontal diffusion furnace according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一形態に係る横型拡散炉を構成するガス供給体の一部分の一例を模式的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of a part of a gas supply body constituting a horizontal diffusion furnace according to an embodiment of the present invention. 図3は、本発明の一形態に係る横型拡散炉を構成するガス排出体の一部分の一例を模式的に示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view schematically showing an example of a part of a gas discharger constituting a horizontal diffusion furnace according to an embodiment of the present invention. 図4は、本発明の一形態に係る横型拡散炉の断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a horizontal diffusion furnace according to an embodiment of the present invention. 図5は、半導体基板を配置するボートへの配置方法の一例を示す模式図であり、図5(a)は平面図、図5(b)は側面図である。FIGS. 5A and 5B are schematic views showing an example of a method for arranging a semiconductor substrate on a boat, in which FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a side view. 図6は、半導体基板を配置するボートへの配置方法の一例を示す模式図であり、図6(a)は平面図、図6(b)は側面図である。6A and 6B are schematic views showing an example of a method for arranging a semiconductor substrate on a boat. FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a side view. 図7は、半導体基板を配置するボートへの配置方法の一例を示す模式図であり、図7(a)は平面図、図7(b)は側面図である。7A and 7B are schematic views showing an example of a method for arranging a semiconductor substrate on a boat, in which FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a side view. 図8は、本発明の一形態に係る半導体基板ドーパント拡散方法における設定温度とガス導入時期に関するプロファイルを示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a profile relating to the set temperature and gas introduction timing in the semiconductor substrate dopant diffusion method according to one embodiment of the present invention. 図9は、半導体基板におけるシート抵抗(ρs)の測定位置を模式的に示す平面図である。FIG. 9 is a plan view schematically showing the measurement position of the sheet resistance (ρs) in the semiconductor substrate. 図10は、従来の横型拡散炉の断面模式図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a conventional horizontal diffusion furnace.

以下に、本発明に係る横型拡散炉および半導体基板のドーパント拡散方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面は模式的に示したものであり、各構成のサイズおよび位置関係等は正確に示したものではない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments of a horizontal diffusion furnace and a semiconductor substrate dopant diffusion method according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, drawing is shown typically and the size of each structure, positional relationship, etc. are not shown correctly.

<横型拡散炉の基本構成>
図1に示すように、横型拡散炉Fは、横向きの管状の反応室3に配置された半導体基板1にドーパントを熱拡散させるものであって、反応室3への導入前にドーパントガスを加熱するヒーター6が反応室3の周囲に配置されている。
<Basic configuration of horizontal diffusion furnace>
As shown in FIG. 1, the horizontal diffusion furnace F thermally diffuses a dopant in a semiconductor substrate 1 disposed in a horizontal tubular reaction chamber 3 and heats the dopant gas before introduction into the reaction chamber 3. A heater 6 is disposed around the reaction chamber 3.

また、横型拡散炉Fの反応室3内には、ドーパントガスを所定の第1方向へ供給する複数のガス供給口を有しているガス供給体4と、複数の前記ガス供給口に対応して配置されてドーパントガスを所定の第2方向へ排出する複数のガス排出口を有しているガス排出体5とを備えている。   The reaction chamber 3 of the horizontal diffusion furnace F corresponds to the gas supply body 4 having a plurality of gas supply ports for supplying the dopant gas in a predetermined first direction, and the plurality of gas supply ports. And a gas discharger 5 having a plurality of gas discharge ports for discharging the dopant gas in a predetermined second direction.

ここで、半導体基板1は、図示されているように、ドーパントガスが効率よく排出できるように開口部(不図示)を備えたボート2に配置されているとよい。   Here, as shown in the drawing, the semiconductor substrate 1 is preferably disposed in a boat 2 having an opening (not shown) so that the dopant gas can be efficiently discharged.

また、前記第1方向と前記第2方向とが同一方向であるとよい。また、前記ガス供給口は前記ガス排出口に対向しているとよい。また、ガス供給体4が1以上の管状部を有していてもよいし、ガス排出体5が1以上の管状部を有していてもよい。   The first direction and the second direction may be the same direction. The gas supply port may be opposed to the gas discharge port. Moreover, the gas supply body 4 may have one or more tubular parts, and the gas discharger 5 may have one or more tubular parts.

<横型拡散炉の具体例>
次に、横型拡散炉Fのより具体的な構成について説明する。図1に示すように、横型拡散炉Fは、例えば、複数の半導体基板1を垂直に立てた状態で保持するボート2を、管状の反応室3の内部に配置して、これら半導体基板1の表面にドーパントを拡散させて拡散層を形成できるものである。ボート2および反応室3を主に構成する部材の材質は、これらの使用時の条件、半導体素子の用途などにより適宜決定されるが、例えば石英ガラスなどが好適に用いられる。
<Specific example of horizontal diffusion furnace>
Next, a more specific configuration of the horizontal diffusion furnace F will be described. As shown in FIG. 1, the horizontal diffusion furnace F includes, for example, a boat 2 that holds a plurality of semiconductor substrates 1 in a vertically standing state inside a tubular reaction chamber 3. A diffusion layer can be formed by diffusing a dopant on the surface. The materials of members mainly constituting the boat 2 and the reaction chamber 3 are appropriately determined depending on the conditions during use, the use of the semiconductor element, and the like. For example, quartz glass is preferably used.

半導体基板1は、例えば一導電型を呈する結晶シリコンなどからなる。結晶シリコン基板は、工業的にはチョクラルスキー法(CZ法)、フローティングゾーン法(FZ法)または鋳造法(キャスト法)などで生産される。   The semiconductor substrate 1 is made of, for example, crystalline silicon exhibiting one conductivity type. The crystal silicon substrate is industrially produced by the Czochralski method (CZ method), the floating zone method (FZ method) or the casting method (cast method).

半導体基板1にドーパントとなる元素を添加することで半導体の導電型を制御する。例えば、シリコン基板に、ホウ素などの3族元素を添加すればp型半導体となり、リンなどの5族元素を添加すればn型半導体となる。   A semiconductor conductivity type is controlled by adding an element serving as a dopant to the semiconductor substrate 1. For example, if a Group 3 element such as boron is added to a silicon substrate, a p-type semiconductor is formed, and if a Group 5 element such as phosphorus is added, an n-type semiconductor is formed.

ドーパント原料物質は反応室3内に気体(ドーパントガス)として供給される。ドーパント原料が液体または固体の場合は、気化したガスをキャリアガスとともに供給する方法またはキャリアガスとの反応生成ガスを供給する方法を用いる。例えば、常温では液体であるオキシ塩化リン(POCl3)をドーパント原料として、シリコン基板にリンの拡散層を形成する場合、恒温槽などで温度制御したドーパントガス供給装置8のオキシ塩化リンに、マスフローコントローラなどで流量制御した窒素ガスなどをガスボンベなどから構成されるキャリアガス供給装置7より供給して、ドーパントガスであるオキシ塩化リン蒸気をキャリアガスとともに反応室3に供給する。通常、不活性ガスであるキャリアガスと同時に酸素ガスなどの酸化性ガスが供給されて、オキシ塩化リンと酸素とシリコン基板とが反応してリン珪酸ガラス(PSG:phosphoric sodium silicate glass)を形成して、PSGからのリンを固相拡散によって拡散層を形成する。   The dopant raw material is supplied into the reaction chamber 3 as a gas (dopant gas). When the dopant raw material is liquid or solid, a method of supplying the vaporized gas together with the carrier gas or a method of supplying a reaction product gas with the carrier gas is used. For example, when forming a phosphorus diffusion layer on a silicon substrate using phosphorus oxychloride (POCl3), which is liquid at room temperature, as a dopant material, a mass flow controller is used for the phosphorus oxychloride of the dopant gas supply device 8 whose temperature is controlled by a thermostat or the like. Nitrogen gas and the like whose flow rate is controlled by a gas cylinder or the like is supplied from a carrier gas supply device 7, and phosphorus oxychloride vapor as a dopant gas is supplied to the reaction chamber 3 together with the carrier gas. Usually, an oxidizing gas such as oxygen gas is supplied simultaneously with a carrier gas that is an inert gas, and phosphorus oxychloride reacts with oxygen and a silicon substrate to form phosphosilicate glass (PSG). Then, a diffusion layer is formed by solid phase diffusion of phosphorus from PSG.

オキシ塩化リンの供給方式としては、上記方法のほかには、流量制御した液体オキシ塩
化リンを気化装置内でキャリアガスと混合して反応室3に供給してもよい。シリコン基板上に形成されたPSGは、拡散工程後、希フッ酸などで除去される。
As a method for supplying phosphorus oxychloride, in addition to the above method, liquid phosphorus oxychloride having a controlled flow rate may be mixed with a carrier gas in a vaporizer and supplied to the reaction chamber 3. The PSG formed on the silicon substrate is removed with dilute hydrofluoric acid after the diffusion process.

反応室3には、その内部に配置された半導体基板1の例えば第1の側面方向、または、半導体基板1の第1主面と平行な一方向へ向けて、ドーパントガスを反応室3内に導入するための複数のガス供給口9を有するガス供給体4が配置されている。   In the reaction chamber 3, a dopant gas is introduced into the reaction chamber 3 in the direction of, for example, the first side surface of the semiconductor substrate 1 disposed in the reaction chamber 3 or in one direction parallel to the first main surface of the semiconductor substrate 1. A gas supply body 4 having a plurality of gas supply ports 9 for introduction is arranged.

さらに、反応室3には、半導体基板1の前記第1の側面方向、または半導体基板1の第1主面と平行な一方向とは異なる側に配置され、ドーパントガスを反応室3外に排出するための複数のガス排出口10を有するガス排出体5とを備えている。   Further, the reaction chamber 3 is arranged on a side different from the first side surface direction of the semiconductor substrate 1 or one direction parallel to the first main surface of the semiconductor substrate 1, and the dopant gas is discharged out of the reaction chamber 3. And a gas discharger 5 having a plurality of gas discharge ports 10.

反応室3の周囲には抵抗加熱式カーボンヒーターなどのヒーター6が配されており、半導体基板1はヒーター6で加熱される。   A heater 6 such as a resistance heating type carbon heater is disposed around the reaction chamber 3, and the semiconductor substrate 1 is heated by the heater 6.

ガス供給口9とガス排出口10とは、配置された半導体基板1の端部を挟んで対向するように、管軸方向に略平行に配置されている。上記構造によって、反応室3内のドーパントガスの濃度分布を均一にすることができるとともに、反応室3に供給されるドーパントガスを加熱することができ、反応室3内のガス温度分布を均一にすることができる。   The gas supply port 9 and the gas discharge port 10 are disposed substantially parallel to the tube axis direction so as to face each other with the end portion of the semiconductor substrate 1 disposed therebetween. With the above structure, the concentration distribution of the dopant gas in the reaction chamber 3 can be made uniform, the dopant gas supplied to the reaction chamber 3 can be heated, and the gas temperature distribution in the reaction chamber 3 can be made uniform. can do.

特に、ガス供給口9が、反応室3内に設置された管状体であるガス供給体4に形成されている構造であれば、反応室3内に放出される前に、ドーパントガスをガス供給体4内で加熱することができるので好適である。   In particular, if the gas supply port 9 has a structure formed in a gas supply body 4 which is a tubular body installed in the reaction chamber 3, the dopant gas is supplied to the gas before being released into the reaction chamber 3. Since it can heat in the body 4, it is suitable.

図2に横型拡散炉Fを構成する管状のガス供給体4の一例を示す。図示されているように、ガス供給体4は、例えば複数の管状体4a、4b、4cおよび4dが接続されたものである。具体的には、例えば、複数のガス供給口9を有している管状体4aおよび4bが、これらの中央部において連通する管状体4cで接続されており、この管状体4cには、キャリアガス供給装置7およびドーパントガス供給装置8に接続された管状体4dが連通している。なお、ガス供給体4は反応室3において、例えば、交換可能なように、壁面に配置してもよく、また、シャワープレートのように板状体で構成してもよい。   FIG. 2 shows an example of a tubular gas supply body 4 constituting the horizontal diffusion furnace F. As shown in the drawing, the gas supply body 4 is formed by connecting a plurality of tubular bodies 4a, 4b, 4c and 4d, for example. Specifically, for example, tubular bodies 4a and 4b having a plurality of gas supply ports 9 are connected by a tubular body 4c communicating with each other at the center thereof, and a carrier gas is connected to the tubular body 4c. The tubular body 4d connected to the supply device 7 and the dopant gas supply device 8 communicates. In addition, the gas supply body 4 may be arrange | positioned in the reaction chamber 3 on a wall surface so that replacement | exchange is possible, for example, and may be comprised with a plate-shaped body like a shower plate.

図3に横型拡散炉Fを構成する管状のガス排出体5の一例を示す。図示されているように、ガス排出体5においても、複数のガス排出口10を有する管状体のガス排出体5を用いて、ガス供給口9がガス排出口10に対向させることによって、反応炉3内のドーパントガスの流れを微細に制御できるので、ドーパントガス濃度分布を均一にすることができる。なお、ガス排出体5は、上述したように、例えば、交換可能なように、壁面に配置してもよく、また板状体で構成してもよい。また、例えば図4に示すように、ガス排出口10a,10bを壁面の複数箇所に設けてもよい。   FIG. 3 shows an example of a tubular gas discharger 5 constituting the horizontal diffusion furnace F. As shown in the figure, in the gas exhaust body 5 as well, the tubular gas exhaust body 5 having a plurality of gas exhaust ports 10 is used so that the gas supply port 9 faces the gas exhaust port 10, thereby allowing the reactor to react. Since the flow of the dopant gas in 3 can be finely controlled, the dopant gas concentration distribution can be made uniform. In addition, as above-mentioned, the gas exhaust body 5 may be arrange | positioned on a wall surface so that replacement | exchange is possible, for example, and may be comprised with a plate-shaped body. For example, as shown in FIG. 4, the gas discharge ports 10a and 10b may be provided at a plurality of locations on the wall surface.

上述したように、ドーパントガスを所定の第1方向へ供給する複数のガス供給口を有しているガス供給体4に対して、ガス排出体5は複数の前記ガス供給口に対応して配置されてドーパントガスを所定の第2方向へ排出する複数のガス排出口を有している。ここで、ドーパントガスが効率よく排出でき、反応室3内のガス圧力を所定圧力に保つために、前記第1方向と前記第2方向とが同一方向であるとよい。また、前記ガス供給口は前記ガス排出口に対向しているとよい。   As described above, with respect to the gas supply body 4 having a plurality of gas supply ports for supplying the dopant gas in a predetermined first direction, the gas discharger 5 is arranged corresponding to the plurality of gas supply ports. And a plurality of gas discharge ports for discharging the dopant gas in a predetermined second direction. Here, in order that the dopant gas can be efficiently discharged and the gas pressure in the reaction chamber 3 is kept at a predetermined pressure, the first direction and the second direction are preferably the same direction. The gas supply port may be opposed to the gas discharge port.

主にドーパントガスを加熱するためのヒーター6は、半導体基板1を加熱するためのヒーターを兼ねることで横型拡散炉Fの構造を簡略にすることができる。一方、ガス供給口9が反応室3の壁面を貫通する構造で形成されている場合など、ヒーター6ではドーパントガスの加熱が充分ではない場合は、ドーパントガスがガス供給口9から反応室3内に供
給される前段に、プレ加熱ヒーター(不図示)を設置することで反応炉3内のドーパントガスの温度分布を均一にすることができる。
The heater 6 for mainly heating the dopant gas can also serve as a heater for heating the semiconductor substrate 1 to simplify the structure of the horizontal diffusion furnace F. On the other hand, when the heater 6 does not sufficiently heat the dopant gas, such as when the gas supply port 9 is formed to penetrate the wall surface of the reaction chamber 3, the dopant gas passes from the gas supply port 9 into the reaction chamber 3. The temperature distribution of the dopant gas in the reaction furnace 3 can be made uniform by installing a preheating heater (not shown) in the previous stage supplied to the reactor.

さらに、例えば、ガス供給体4の全体構造、ガス排出体5の全体構造、ガス供給口9の数、ピッチ、形状、大きさ等、ガス排出口10の数、ピッチ、形状、大きさ等を適宜調整することにより、反応室3内の、複数の半導体基板1が載置された領域内において、好適にドーパントガスの濃度を均一にすることができる。   Further, for example, the overall structure of the gas supply body 4, the overall structure of the gas discharge body 5, the number of gas supply ports 9, the pitch, shape, size, etc., the number of gas discharge ports 10, the pitch, shape, size, etc. By appropriately adjusting, the concentration of the dopant gas can be suitably made uniform in the reaction chamber 3 in the region where the plurality of semiconductor substrates 1 are placed.

例えば、ガス導入管の上流部と下流部でガスの流速や圧力が連続的に変化している場合は、ガス供給口9のピッチおよびその開口面積を連続的に変化させることで、各ガス供給口9から放出されるドーパントガスの量を均一にすることができる。   For example, when the gas flow velocity and pressure continuously change in the upstream and downstream portions of the gas introduction pipe, each gas supply is performed by continuously changing the pitch of the gas supply ports 9 and the opening area thereof. The amount of dopant gas released from the port 9 can be made uniform.

また、各ガス排出口10からそれぞれ配管を介して排気ガスが集約される場合は、各配管のコンダクタンスが等しくなるようにその開口部の形状、大きさおよび配管長さ等を決定するとよい。   Moreover, when exhaust gas is collected from each gas exhaust port 10 through a pipe, the shape, size, pipe length, and the like of the opening may be determined so that the conductance of each pipe becomes equal.

また、加熱ヒーター6によって、ドーパントガスがガス供給体4内で充分に加熱されてからガス供給口9から放出されるように、ガス供給体4の形状、ガス供給口9の形状等を適宜設計することによって、反応室3内の複数の半導体基板1が載置された領域内に供給されるドーパントガスの温度ばらつきを小さくすることができる。   The shape of the gas supply body 4 and the shape of the gas supply port 9 are appropriately designed so that the dopant gas is sufficiently heated in the gas supply body 4 by the heater 6 and then released from the gas supply port 9. By doing so, the temperature variation of the dopant gas supplied in the area | region in which the some semiconductor substrate 1 in the reaction chamber 3 was mounted can be made small.

図5〜7にボート2への半導体基板1の載置例を示す。いずれも半導体基板1を垂直に立てて反応室3内に載置した例である。図5(a),(b)は、半導体基板1の表面が管状反応室3の管軸方向に対して垂直になるように載置した例であり、図6(a),(b)は半導体基板1の表面が管軸方向に対して平行になるように載置した例であり、図7(a),(b)は半導体基板1の表面が管軸方向に対して傾斜するように載置した例である。   5 to 7 show examples of placing the semiconductor substrate 1 on the boat 2. In either case, the semiconductor substrate 1 is vertically placed and placed in the reaction chamber 3. FIGS. 5A and 5B are examples in which the surface of the semiconductor substrate 1 is placed so as to be perpendicular to the tube axis direction of the tubular reaction chamber 3, and FIGS. This is an example in which the surface of the semiconductor substrate 1 is placed parallel to the tube axis direction, and FIGS. 7A and 7B show that the surface of the semiconductor substrate 1 is inclined with respect to the tube axis direction. This is an example.

重力下では、加熱されたドーパントガスは反応室3内で熱対流を生じるので、このように、半導体基板1を垂直に立てて管状反応室3内に載置して、ガス供給体4とガス排出体5とを半導体基板1を挟んで鉛直方向に配置して対向させれば、熱対流によるガスの流れと、ガス供給体4とガス排出体5とによるガスの流れの組合せによって、ドーパントガスの流れを最適化でき、半導体基板1の表面におけるドーパントガスの濃度分布と温度分布を、さらに均一にすることができるので好適である。   Under the gravity, the heated dopant gas causes thermal convection in the reaction chamber 3, and thus, the semiconductor substrate 1 is placed vertically in the tubular reaction chamber 3, and the gas supply body 4 and gas If the exhaust body 5 is arranged in the vertical direction so as to face the semiconductor substrate 1 and is opposed to the exhaust body 5, a dopant gas is obtained by a combination of a gas flow by thermal convection and a gas flow by the gas supply body 4 and the gas exhaust body 5 This is preferable because the concentration flow and the temperature distribution of the dopant gas on the surface of the semiconductor substrate 1 can be made more uniform.

<半導体基板のドーパント拡散方法>
上述したように、半導体基板1の好適なドーパント拡散方法は、例えば、上述した横型拡散炉Fを用いて、反応室3に配置された半導体基板1にドーパント拡散領域を形成する場合、反応室3に加熱された状態で配置された半導体基板1の第1主面に対して平行な第1方向へ、ヒーター6で加熱されたドーパントガスをガス供給口9から供給するとともに、半導体基板1の第1主面に対して平行な第2方向へ、ドーパントガスをガス排出口10から排出するようにして、半導体基板1にドーパントを熱拡散してドーパント拡散領域を形成するとよい。また、この際に、ヒーター6を半導体基板1の加熱用としても用いると、横型拡散炉Fの構成も簡便となり好適である。
<Dopant diffusion method of semiconductor substrate>
As described above, a suitable dopant diffusion method for the semiconductor substrate 1 is, for example, when the dopant diffusion region is formed in the semiconductor substrate 1 disposed in the reaction chamber 3 using the horizontal diffusion furnace F described above. The dopant gas heated by the heater 6 is supplied from the gas supply port 9 in a first direction parallel to the first main surface of the semiconductor substrate 1 placed in a heated state, and the first of the semiconductor substrate 1 The dopant diffusion region may be formed by thermally diffusing the dopant in the semiconductor substrate 1 so that the dopant gas is discharged from the gas discharge port 10 in the second direction parallel to the one main surface. At this time, if the heater 6 is also used for heating the semiconductor substrate 1, the configuration of the horizontal diffusion furnace F becomes simple and suitable.

<本実施形態の効果>
以上のように、本実施形態の横型拡散炉Fおよび半導体基板1のドーパント拡散方法によれば、反応室3の内部に配置された半導体基板1の第1の側面方向からドーパントガスを反応室3内に導入するための複数のガス供給口9を有するガス供給体4と、半導体基板1の前記第1の側面方向とは異なる側に配置され、半導体基板1を挟んで対向配置されているガス排出体5を有するので、半導体基板1表面におけるドーパントガスの濃度分布と
温度分布を改善することができる。
<Effect of this embodiment>
As described above, according to the horizontal diffusion furnace F of this embodiment and the dopant diffusion method of the semiconductor substrate 1, the dopant gas is introduced into the reaction chamber 3 from the first side surface direction of the semiconductor substrate 1 disposed inside the reaction chamber 3. A gas supply body 4 having a plurality of gas supply ports 9 for introduction into the gas, and a gas that is disposed on a side different from the first side surface direction of the semiconductor substrate 1 and is opposed to the semiconductor substrate 1 Since the discharger 5 is provided, the dopant gas concentration distribution and temperature distribution on the surface of the semiconductor substrate 1 can be improved.

また、これにより、従来の拡散炉では基板面内やバッチ内で均一な拡散が難しかった、拡散工程中に設定温度またはドーパントガス流量を変更するような拡散条件であっても、均一な拡散層の形成が可能となる。   In addition, this makes it difficult for the conventional diffusion furnace to achieve uniform diffusion within the substrate surface or in the batch. Even under diffusion conditions such as changing the set temperature or dopant gas flow rate during the diffusion process, the uniform diffusion layer Can be formed.

以下に、上記実施形態をより具体化した実施例について説明する。   Hereinafter, examples in which the above embodiment is more concretely described.

まず、チョクラルスキー法(CZ法)で作製した、結晶方位がミラー指数で(100)面を有して、直径150mm、厚さ180μm、比抵抗2.0Ω・cmのボロンをドープしたp型の単結晶シリコン基板(半導体基板1)を用意した。   First, p-type prepared by the Czochralski method (CZ method), doped with boron having a crystal orientation of Miller index (100), a diameter of 150 mm, a thickness of 180 μm, and a specific resistance of 2.0 Ω · cm A single crystal silicon substrate (semiconductor substrate 1) was prepared.

実施例1として、図1に示す横型拡散炉Fにおいて、反応室3内に、図2および図3に示した石英製管状のガス供給体4とガス排出体5とを作製して設置して、半導体基板400枚を図5に示すように、石英のボート2上に載置してリンの拡散を行った。   As Example 1, in the horizontal diffusion furnace F shown in FIG. 1, the quartz tubular gas supply body 4 and the gas discharge body 5 shown in FIGS. 2 and 3 were prepared and installed in the reaction chamber 3. As shown in FIG. 5, 400 semiconductor substrates were placed on a quartz boat 2 to diffuse phosphorus.

この拡散時におけるヒーター6の設定温度とオキシ塩化リン(POCl3)ガス導入プロファイルとを図8に示す。拡散方法は以下に述べるような3ステップ(ステップ1(拡散前処理)、ステップ2(拡散処理)、ステップ3(拡散後処理))で行った。   FIG. 8 shows the set temperature of the heater 6 and the phosphorus oxychloride (POCl 3) gas introduction profile during this diffusion. The diffusion method was performed in three steps (step 1 (pre-diffusion process), step 2 (diffusion process), and step 3 (post-diffusion process)) as described below.

まず、規定流量のキャリア窒素ガスを供給しながら規定温度(拡散前処理温度)に保った反応室3内に、半導体基板1を400枚載置したボート2を投入した。その後、キャリア窒素ガスと、酸素ガスと、オキシ塩化リンを供給するためのバブリング窒素ガスとをマスフローコントローラを用いて各ガスの流量を制御して供給して、半導体基板1上にPSGを形成した。ここで、オキシ塩化リンはドーパントガス供給装置8の恒温槽で約30℃に保持されて、バブリング窒素ガスを液体のオキシ塩化リンに通すことでオキシ塩化リン蒸気を反応室3に供給した。   First, a boat 2 on which 400 semiconductor substrates 1 were placed was placed in a reaction chamber 3 maintained at a specified temperature (diffusion pretreatment temperature) while supplying a carrier nitrogen gas at a specified flow rate. Thereafter, carrier nitrogen gas, oxygen gas, and bubbling nitrogen gas for supplying phosphorus oxychloride were supplied by controlling the flow rate of each gas using a mass flow controller, and PSG was formed on the semiconductor substrate 1. . Here, phosphorus oxychloride was maintained at about 30 ° C. in a thermostat of the dopant gas supply device 8, and bubbling nitrogen gas was passed through liquid phosphorus oxychloride to supply phosphorus oxychloride vapor to the reaction chamber 3.

次いで、酸素とオキシ塩化リンとの供給を停止して、反応室3内を拡散前処理温度よりも高い規定温度(ドライブイン温度つまり拡散処理温度)に保ってPSGを固体拡散源としてリンの熱拡散を行い、任意の拡散深さまでリンを拡散させた。   Next, the supply of oxygen and phosphorus oxychloride is stopped, and the reaction chamber 3 is maintained at a specified temperature (drive-in temperature, that is, diffusion treatment temperature) higher than the pre-diffusion treatment temperature, and heat of phosphorus is obtained using PSG as a solid diffusion source. Diffusion was performed and phosphorus was diffused to an arbitrary diffusion depth.

さらに、ドライブイン温度よりも低い規定温度(拡散後処理温度)に保って、キャリア窒素ガスと、酸素ガスと、バブリング窒素ガスとを導入して再び半導体基板1上にPSGを形成して、半導体基板1の最表面のリン濃度が所定の濃度となるように拡散を行った。その後、酸素とオキシ塩化リンとの供給を停止し、規定温度(取出し温度)まで冷却してからボート2の取出しを行った。   Furthermore, while maintaining a specified temperature (diffusion post-treatment temperature) lower than the drive-in temperature, carrier nitrogen gas, oxygen gas, and bubbling nitrogen gas are introduced to form PSG on the semiconductor substrate 1 again. Diffusion was performed so that the phosphorus concentration on the outermost surface of the substrate 1 was a predetermined concentration. Thereafter, the supply of oxygen and phosphorus oxychloride was stopped, the boat 2 was taken out after being cooled to a specified temperature (takeout temperature).

また、実施例2として、図4に示すような反応室3を貫通する二つの排出口10a,10bを有する横型拡散炉Fに、実施例1と同じ形状の管状のガス供給体4を設置して拡散を行った。   Further, as Example 2, a tubular gas supply body 4 having the same shape as that of Example 1 was installed in a horizontal diffusion furnace F having two discharge ports 10a and 10b penetrating the reaction chamber 3 as shown in FIG. And diffused.

さらに、比較例として、図10に示すように、一つの排出口10cを有する横型拡散炉Fに、実施例1と同じ形状の管状ガス供給体4を設置して、拡散を行った。   Furthermore, as a comparative example, as shown in FIG. 10, a tubular gas supply body 4 having the same shape as that of Example 1 was installed in a horizontal diffusion furnace F having one discharge port 10c to perform diffusion.

半導体基板1を取出した後、半導体基板1の表面に形成されたPSGを希フッ酸で除去した後に、拡散層のシート抵抗(ρs)の測定を、四探針法により行った。図9に示すように、シート抵抗の測定は、半導体基板1の面内(端部から35mm位置)における等間隔(45mm)位置Mの9点で行った。   After the semiconductor substrate 1 was taken out, PSG formed on the surface of the semiconductor substrate 1 was removed with dilute hydrofluoric acid, and then the sheet resistance (ρs) of the diffusion layer was measured by a four-probe method. As shown in FIG. 9, the sheet resistance was measured at nine points M at equal intervals (45 mm) in the plane of the semiconductor substrate 1 (position of 35 mm from the end).

Figure 2013229517
測定した結果を表1に示す。表1中のシート抵抗平均値は、各バッチ毎の全測定点(400×9=3600点)における平均値である。また、半導体基板1の基板面内ばらつきは、上述した各測定位置(9点)毎のシート抵抗の平均値の最大値と最小値の差を全測定点の平均値で割った値である。また、半導体基板1の基板面間ばらつきは、各半導体基板(400枚)毎のシート抵抗の平均値の最大値と最小値の差を全測定点の平均値で割った値である。
Figure 2013229517
The measured results are shown in Table 1. The sheet resistance average value in Table 1 is an average value at all measurement points (400 × 9 = 3600 points) for each batch. Further, the in-plane variation of the semiconductor substrate 1 is a value obtained by dividing the difference between the maximum value and the minimum value of the sheet resistance at each measurement position (9 points) described above by the average value of all the measurement points. Further, the variation between the substrate surfaces of the semiconductor substrate 1 is a value obtained by dividing the difference between the maximum value and the minimum value of the average value of the sheet resistance for each semiconductor substrate (400 sheets) by the average value of all the measurement points.

表1に示すように、実施例1,2においては、比較例よりも半導体基板1の面内およびバッチ内のシート抵抗分布が改善していることがわかった。   As shown in Table 1, in Examples 1 and 2, it was found that the sheet resistance distribution in the surface of the semiconductor substrate 1 and in the batch was improved as compared with the comparative example.

1 :半導体基板
2 :ボート
3 :反応室
4 :ガス供給体
5 :ガス排出体
6 :加熱ヒーター
7 :キャリアガス供給装置
8 :ドーパントガス供給装置
9 :ガス供給口
10 :ガス排出口
F :横型拡散炉
1: Semiconductor substrate 2: Boat 3: Reaction chamber 4: Gas supply body 5: Gas discharge body 6: Heating heater 7: Carrier gas supply apparatus 8: Dopant gas supply apparatus 9: Gas supply port 10: Gas discharge port F: Horizontal type Diffusion furnace

Claims (7)

横向きの管状の反応室に配置された半導体基板にドーパントを熱拡散させる横型拡散炉であって、
前記反応室への導入前にドーパントガスを加熱するヒーターと、
前記反応室に設けられた、前記ドーパントガスを所定の第1方向へ供給する複数のガス供給口を有しているガス供給体と、
前記反応室に設けられた、複数の前記ガス供給口に対応して配置されて前記ドーパントガスを所定の第2方向へ排出する複数のガス排出口を有しているガス排出体と
を備えている横型熱拡散炉。
A horizontal diffusion furnace for thermally diffusing a dopant into a semiconductor substrate disposed in a horizontal tubular reaction chamber,
A heater for heating the dopant gas before introduction into the reaction chamber;
A gas supply body provided in the reaction chamber and having a plurality of gas supply ports for supplying the dopant gas in a predetermined first direction;
A gas discharger provided in the reaction chamber and disposed corresponding to the plurality of gas supply ports and having a plurality of gas discharge ports for discharging the dopant gas in a predetermined second direction. Horizontal heat diffusion furnace.
前記第1方向と前記第2方向とが同一方向である請求項1に記載の横型熱拡散炉。   The horizontal heat diffusion furnace according to claim 1, wherein the first direction and the second direction are the same direction. 前記ガス供給口は前記ガス排出口に対向している請求項1または2に記載の横型熱拡散炉。   The horizontal heat diffusion furnace according to claim 1, wherein the gas supply port faces the gas discharge port. 前記ガス供給体が1以上の管状部を有している請求項1乃至3のいずれかに記載の横型熱拡散炉。   The horizontal heat diffusion furnace according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas supply body has one or more tubular portions. 前記ガス排出体が1以上の管状部を有している請求項1乃至4のいずれかに記載の横型熱拡散炉。   The horizontal heat diffusion furnace according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas discharger has one or more tubular portions. 請求項1から5のいずれかに記載の横型拡散炉を用いて、前記反応室に配置された前記半導体基板にドーパント拡散領域を形成する半導体基板へのドーパント拡散方法であって、
前記反応室に加熱された状態で配置された前記半導体基板の第1主面に対して平行な前記第1方向へ、前記ヒーターで加熱されたドーパントガスを前記ガス供給口から供給するとともに、前記半導体基板の前記第1主面に対して平行な前記第2方向へ、前記ドーパントガスを前記ガス排出口から排出するようにして、前記半導体基板に前記ドーパントを熱拡散して前記ドーパント拡散領域を形成する半導体基板へのドーパント拡散方法。
A method for diffusing a dopant into a semiconductor substrate using the horizontal diffusion furnace according to any one of claims 1 to 5, wherein a dopant diffusion region is formed in the semiconductor substrate disposed in the reaction chamber,
The dopant gas heated by the heater is supplied from the gas supply port in the first direction parallel to the first main surface of the semiconductor substrate disposed in the heated state in the reaction chamber, and The dopant gas is discharged from the gas discharge port in the second direction parallel to the first main surface of the semiconductor substrate, and the dopant is thermally diffused in the semiconductor substrate to form the dopant diffusion region. A method for diffusing a dopant into a semiconductor substrate to be formed.
前記ヒーターを前記半導体基板の加熱用としても用いる請求項6に記載の半導体基板へのドーパント拡散方法。   The method for diffusing a dopant into a semiconductor substrate according to claim 6, wherein the heater is also used for heating the semiconductor substrate.
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JP2018006640A (en) * 2016-07-06 2018-01-11 直江津電子工業株式会社 Manufacturing method of diffusion wafer

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