JP2839621B2

JP2839621B2 - 半導体製造用熱拡散装置

Info

Publication number: JP2839621B2
Application number: JP3178690A
Authority: JP
Inventors: 直彦安久
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: JPH03235329A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、半導体装置の製造において、半導体ウェハ
に熱処理を施してリン等の不純物を拡散する際に使用さ
れる半導体製造用熱拡散装置に関する。

（従来の技術）上記熱拡散装置は、高温雰囲気の不純物を含んだ気体
（例えば、気化したP₂O₅）の中で半導体ウェハに熱処理
を行うためのものであるが、近年、高集積化による信頼
性の向上、大口径化に伴うメンテナンスの便等の点を考
慮して、半導体ウェハ搬送時における空気の逆流が少な
い横型拡散炉から縦型拡散炉へと移行する傾向にある。

この種の一般的な縦型拡散炉の構成を第８図に示す。

下端を開口し、上方に延びる有底筒状の石英反応管１
の上端面のほぼ中央には、ガス供給管２が接続されてい
る。そして、半導体ウェハ３は、ボート４に所定時間隔
離間した状態で保持され、ボートテーブル５を介して搬
送されるよう構成され、反応管１の開口部は、反応管１
の内部に半導体ウェハ３が完全に挿入された時に、ボー
トテーブル５に装着したキャップ６で密封されるような
されている。

ここに、上記半導体ウェハ３の搬送時には、ガス供給
管２から反応管１内にN₂等の不活性ガスを流し込むこと
により、反応管１内に空気が流れ込んでしまうことが防
止される。

そして、キャップ６で反応管１の開口部を密封した状
態で、例えばPOCl₃を不純物源としたリン拡散を行う場
合には、反応管１の内部を、約900℃以上の高温雰囲気
に保ったまま、この内部に、ガス供給管２からN₂,O₂,PO
Cl₃蒸気の混合ガスたるプロセスガスを導入して、この
プロセスガスを反応管１の天井から下方に流す。これに
よってPOCl₃とO₂の反応によって生成される拡散源P₂O₅
と不活性キャリヤガスN₂の混合ガス中で反応を起こさせ
て半導体ウェハ３に熱処理を施すよう構成されていた。

上記リン拡散の結果として、4000Åのポリシリコンへ
高抵抗リン拡散を行った際のシート抵抗100Ω近辺の制
御例を第９図に示す。

この時の拡散条件は、雰囲気900℃、拡散時間15分で
ある。

この図より、面内のシート抵抗ρ_ｓの各ボート内位置
におけるバラツキσを、ここに max;シート抵抗ρ_ｓの最大値 min;シート抵抗ρ_ｓの最小値 ;シート抵抗ρ_ｓの平均値とした時、このバラツキσは、各半導体ウェハ３のボー
ト４内の位置において、24〜25％と非常に大きくなるこ
とが判る。

また、半導体ウェハ表面におけるシート抵抗ρ_ｓの分
布も、この周辺部が低く、中央部が高い同心円状の分布
を示すことになる。

これは各半導体ウェハ3,3の間への拡散源P₂O₅の供給
が、ここでの拡散源P₂O₅の濃度と反応管１内を上から下
へと流れるプロセスガス中での拡散源P₂O₅の濃度との濃
度差による拡散によって、即ちプロセスガス自体が半導
体ウェハ3,3内を流れることなく行われ、従ってこの濃
度が半導体ウェハ３の周辺部で高く、中心部に行くに従
って徐々に低くなって、半導体ウェハ３の全表面におい
て均一にならないからであると考えられる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述のような条件におけるポリシリコ
ン中へのリン拡散の状況をみると、内面バラツキσが25
％程度と非常に大きくなり、しかも半導体ウェハの表面
においても、その周辺部のシート抵抗ρ_ｓが中央のそれ
よりも低い同心円状の分布を示すことになり、この面内
のリン拡散のバラツキは、その後のエッチングプロセス
にも影響を及ぼしてしまう。更に、CVDによるリンゲッ
タ等のプロセスの適用の際においても、CVD膜べり量の
違いやメルト形状のバラツキを生じさせてしまう。

このようなリン拡散のバラツキは、今後の微細化にお
いて、精密な制御が要求されることから特に問題となっ
てくると考えられる。

このようなリン拡散のバラツキの現象は、横型拡散炉
においても同様に生じてしまう。

なお、通常の酸化においても、反応管の周壁に沿って
天井方向からプロセスガスを導入することが一般に行わ
れているが、このプロセスガスを反応管内に導入するた
めの導入管内を流れるプロセスガスの流速は、数m/sec
とかなり速いため、このガスの温度が炉内と同じ温度ま
で上昇していない。このため、空冷を行っていると同じ
状態となって、天井側が冷えて断面均熱が乱れてしま
い、面内の酸化膜に大きなバラツキが生じているのが現
状であった。

本発明は上記に鑑み、縦型拡散炉に改良を加えて、よ
り均一な酸化拡散を行えるようにしたものを提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明に係る半導体製造用
拡散装置は、半導体ウェハを所定のピッチで保持したボ
ートを反応管の内部に挿入して密封し、この反応管の内
部を高温の雰囲気に保持したままこの内部にプロセスガ
スを導いて半導体ウェハに熱処理を施すようにした半導
体製造用熱拡散装置において、前記反応管の内壁に沿っ
て下方から上方へ延びる上昇部と前記上昇部の頂端から
180度屈曲して下方に延びる下降部とから逆Ｕ字に形成
されたガス導入管を具備し、前記下降部は上記半導体ウ
ェハに向けてプロセスガスを吹き出すノズルを該ウェハ
のピッチとほぼ等しいかまたはこれより小さいピッチで
設けるとともに、前記ノズルから前記反応管内で十分加
熱したプロセスガスが吹き出すよう構成し、更に上記ボ
ートを回転自在としたものである。

（作用）上記のように構成した本発明によれば、プロセスガス
を予め加熱させることにより十分に化学反応させて拡散
源を発生させたガスを、半導体ウェハを回転させつつ、
各ノズルから各半導体ウェハと半導体ウェハとの間に直
接吹き込ませることができ、これによって、半導体ウェ
ハのボートによる保持位置に拘ることなく、かつこの全
面におけるの拡散源の濃度をより均一にするとともに、
プロセスガスが十分に暖まらないうちに半導体ウェハの
方向に吹き出すことを防止して、拡散源による拡散をよ
り均一に行わせて拡散のバラツキの発生を極力防止する
ことができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示すもので、下端を
開口し、上方に延びる有底筒状の石英反応管１の上端面
のほぼ中央には、ガス供給管２が接続されている。そし
て、半導体ウェハ３は、ボート４に所定間隔離間した状
態で保持され、ボートテーブル５を介して搬送されるよ
う構成され、反応管１の開口部は、反応管１の内部に半
導体ウェハ３が完全に挿入された時に、ボートテーブル
５に固着したキャップ６で密封されるようなされてい
る。

更に、上記ボートテーブル５にはモータ７が接続さ
れ、このモーター７の回転によって、ボートテーブル
５、更にはボート４で保持した半導体ウェハ３が一体と
なって水平方向に同時に回転するようなされている。

また、上記反応管１の内部には、その内壁に沿って一
旦下方から上方に延びる上昇部8aと、この上昇部8aの頂
端から180℃屈曲して下方に延びる下降部8bとから逆Ｕ
字状に構成された細管からなるガス導入管８が配置され
ているとともに、このガス導入管８の下降部8bの周壁に
は、この長さ方向に沿って所定のピッチで直線状に複数
のノズル8cが穿接されている。

そして、この各ノズル間ピッチp1は、上記ボート４に
保持された各半導体チップ間ピッチp₂より小さく（p₁＜
p₂）なされている。

このように、ガス導入管８を逆Ｕ字状に屈曲させたの
は、ガス導入管８に沿って反応炉１内を流れるプロセス
ガスのパスを長くして、即ちプロセスガスが反応管１内
において、一旦この天井まで上がり、その後下降してノ
ズル8cから吹き出すようにすることにより、これを十分
に暖めるためであり、また、ノズル間ピッチp₁を半導体
ウェハ間ピッチp₂より小さくしたのは、各半導体ウェハ
3,3の間にノズル8cからのプロセスガスがむらなく吹き
込むようにするためである。

そして、半導体ウェハ３をボード４で保持して、ボー
ドテーブル５を介して上方に搬送する際には、上記ガス
供給管２からN₂等のキャリアガスを導入しつつ行うこと
により、空気が反応管１内へ侵入してしまうことを防止
するのであり、例えばPOCl₃を不純物源としたリン拡散
を行う場合には、キャップ６で反応管１の開口部を密封
した後に、反応管１の内部を約900℃以上の高温雰囲気
に保ったまま、この内部にガス導入管８の各ノズル8cか
らN₂,O₂,POCl₃の蒸気の混合ガス等からなるプロセスガ
スを導入し、かつモータによって半導体ウェハ３を回転
させて所定の温度による半導体ウェハ３の熱処理を行う
のである。

上記実施例を使用して、900℃で15分間のポリシリコ
ンへのリン拡散を行った結果を、本実施例におけるＵ字
型ガス導入管８とこれの代わりにストレート導入管（下
降部8bを設けることなく上昇部8aの周壁にノズル8cを設
けた導入管）を使用したものと比較して第２図に示す。

これより明らかなように、本実施例の場合、シート抵
抗ρ_ｓの面内バラツキが３〜８％となり、上記従来例に
比較して約1/3に改善されていることが判る。

なお、ガス導入管をＵ字管の変わりにストレート管で
構成した場合には、シート抵抗ρ_ｓは、反応管１の底部
がこの頂部よりかなり高くなって、半導体ウェハ３のボ
ート４内の位置の相違によるシート抵抗ρ_ｓが均一性が
かなり悪くなってしまうことが判る。

これは、上記POCl₃を使用したリン拡散においては、
このPOCl₃と過剰O₂とが、約450℃以上で反応して拡散源
P₂O₅が生成されるのであるが、底部においては、ストレ
ート管内をかなり速い流速で流れるプロセスガスが十分
に暖まる前に半導体ウェハ３の方向に吹き出すことにな
り、この結果、いわゆる空冷状態となってプロセスガス
が半導体ウェハに吹き付けることになり、このために拡
散源の濃度が底部ほど濃くなって頂部のこの濃度とかな
りの差が出てしまうからである。

即ち、ガス導入管８としてＵ字管を使用することによ
り、反応管１内を通過するプロセスガスの通路パスを長
くすることによって、これを十分に暖め、これによって
拡散源P₂O₅の濃度を均一化したプロセスガスをノズル8c
から吹き出すようにすることにより、反応管１内に保持
した半導体ウェハ３に、そのボート34の内における保持
場所に拘らず均一にリン拡散を施すことができるのであ
る。

第３図に半導体ウェハ間ピッチp₂が4.76mm（p₂＝4.76
mm）である時に、ノズル間ピッチp1をこれより小さい4m
m（p₁＝4mm）としたときのものと、これよりかなり大き
い20mm（p₁＝20mm）としたときのものと上記と同じ条件
での実験の結果を示す。

これにより、4mmピッチの場合には、シート抵抗ρ_ｓ
の内面バラツキが少ないが、20mmピッチとした場合に
は、互いに隣接する半導体ウェハとの間でのシート抵抗
ρ_ｓの面内バラツキの違いが３〜25％とかなり大きくな
ってしまうことが判る。

これは、ノズル間ピッチp₁を半導体ウェハ間ピッチp₂
より大きくすると、ノズル8cから吹き出すプロセスガス
が直接半導体ウェハ３に当たらない部分が生じてしまう
からであると考えられる。

また、第４図に空気の反応管１内への侵入を防止する
ために、N₂ガス20/minをガス供給管２から導入した場
合と、ガス導入管８から導入した場合の空気の侵入状態
をO₂濃度で評価した結果を示す。

これにより、天井からの吹き出しの場合、O₂濃度が10
0ppm以下となる空気の侵入が、炉口から200mmであるの
に対し、ノズルからの吹き出しの場合には45mmと侵入が
多く、従って、半導体ウェハ３の搬送時において、ガス
供給管２より天井からガスをダウンフローに導入した方
が、ノズル8cを介して側部から導入するよりも空気の逆
流を防止してこの反応管１内への侵入を防止できること
が判る。

なお、上記ガス供給管２とガス導入管８からは、上記
のように夫々異なるガスが導入されるため、異なるガス
供給源に夫々接続するようにすることもできるが、従来
のように一本にまとめ弁を介して切換えるようにしても
良い。

第５図乃至第７図は、上記プロセルガスの加熱手段と
して、上記実施例と夫々異なるものを採用したものを示
す。

即ち、第５図に示すものは、ガス導入管９として反応
炉１の内部において下方から上方に直線状に延びるスト
レート管を使用するとともに、このガス導入管９の外部
露出部の周囲に予備加熱ヒータ10を配置して、この加熱
ヒータ10によってガス導入管９内を流れるプロセスガス
を加熱して、この加熱したプロセスガスをノズル9aから
噴出するようにしたものである。

また、第６図に示すものは、ガス導入管10を反応管１
の下部に当接させつつ蛇行させ、更に反応管１の内部に
この下方から上方に向けて直線状に配置することによ
り、プロセスガスを反応管１の周囲で加熱し、この加熱
したプロセスガスをノズル10aから噴出するようにした
ものである。

更に、第６図に示すものは、反応管１の下部に２重壁
によりガス滞留室11を形成し、更にこのガス滞留室11に
下端を開口させて上方に延びるガス導入管12を反応管１
の内部に配置し、これによってガス滞留室11の中にプロ
セスガスを導入してこの速度を減少させて十分に加熱
し、しかる後、ガス導入管12のノズル12aから加熱され
たプロセスガスを反応管１の内部に導入するようにした
ものである。

なお、リン拡散の他の酸化プロセスにおいても、細い
管から冷えた状態のガスを導入すると、このガスの速度
を早いため、ガスが十分に暖められず、このために空冷
状態による炉の断面における均熱の乱れが生じ、この結
果、膜厚にバラツキが生じてしまう。

従って、このような場合にも、上記のようにして、プ
ロセスガスを加熱し、十分に反応を行わせた状態でプロ
セスガスを反応管１の内部に導入する必要がある。

〔発明の効果〕

本発明は上記のような構成であるので、十分に加熱さ
せることにより化学反応させて拡散源を発生させたガス
を、回転中の半導体ウェハのウェハとウェハとの間に直
接吹き込ませ、これによって、半導体ウェハの保持位置
に拘ることなく、かつこの全面におけるの拡散源の濃度
をより均一にすることができる。従って、拡散源による
拡散をより均一に行わせて拡散のバラツキの発生を極力
防止することができるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概要図、第２図はガス
導入管としてＵ字型ノズルとストレートノズルとを使用
した時のシート抵抗の分布を示すグラフ、第３図はノズ
ルピッチをウェハピッチより小さい4mmとそれより大き
い20mmとした時のシート抵抗の分布を示すグラフ、第４
図は天井からガスを吹き出した時とノズルから吹き出し
た時のO₂濃度の分布を示すグラフ、第５図乃至第７図は
夫々異なるプロセスガスの加熱手段を示す縦断面図、第
８図は従来例を示す第１図相当図、第９図は同じく第２
図相当図である。１……反応管、２……ガス供給管、３……半導体ウェ
ハ、４……ボート、５……ボートテーブル、６……キャ
ップ、７……モータ、8,9,10,12……ガス導入管、8c,9
a,10a,12a……ノズル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウェハを所定のピッチで保持したボ
ートを反応管の内部に挿入して密封し、この反応管の内
部を高温の雰囲気に保持したままこの内部にプロセスガ
スを導いて半導体ウェハに熱処理を施すようにした半導
体製造用熱拡散装置において、前記反応管の内壁に沿って下方から上方へ延びる上昇部
と前記上昇部の頂端から180度屈曲して下方に延びる下
降部とから逆Ｕ字に形成されたガス導入管を具備し、前
記下降部は上記半導体ウェハに向けてプロセスガスを吹
き出すノズルを該ウェハのピッチとほぼ等しいかまたは
これより小さいピッチで設けるとともに、前記ノズルか
ら前記反応管内で十分加熱したプロセスガスが吹き出す
よう構成し、更に上記ボートを回転自在としたことを特
徴とする半導体製造用熱拡散装置。