JPH06112144A - 半導体製造装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 開管式プレデポジション拡散法を用いた半導
体製造装置において、ガスパージに要する時間を短縮す
ることによって工程の能率化をはかり、装置の小型化を
可能としてガス消費量及び電力の使用量を下げ、コスト
の低廉化をはかることができる半導体製造装置とその運
転方法を提供することを目的とする。 【構成】 ヒータ７で覆われたガリウム拡散炉１１の内
方に、可動式のキャップ５を設けて拡散室２０を画成
し、この拡散室２０の内方にシリコン基板４と不純物拡
散源ボート２を配置し、開閉バルブ１３を持つ排気管１
２を備えた拡散炉キャップ８とを備えた装置において、
拡散炉１１の隔壁一端に設けられたパージ用ガスの給排
管１４にそれぞれ開閉バルブ１５，１７が付設された２
本の分岐管１４ａ，１４ｂを設けて、一方の管１４ａを
パージ用ガス供給源１６に連接する一方、他方の管１４
ｂを真空源１８に連接してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は開管式プレデポジション
方法を利用した半導体製造装置及びその運転方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン基板に対するＰ型不純物として
のガリウム（Ｇａ）拡散は、サイリスタとかゲートター
ンオフサイリスタ（ＧＴＯ）のＰベース層やＰエミッタ
層の形成のために多く用いられている。ガリウム拡散の
方法は種々あるが、開管式ガリウムプレデポジション拡
散方法の一例を図５に示す。

【０００３】同図（ａ）に示すように、石英アンプル管
１内に不純物拡散源である金属ガリウムを入れた炭化ケ
イ素（ＳｉＣ）製拡散源ボート２と、石英製ボート３に
載せたシリコン基板４を配置しておく。５はアンプル管
１のキャップであり、該キャップ５とアンプル管口との
間には微少な隙間が形成されている。

【０００４】このようにセットされたアンプル管１を、
同図（ｂ）に示すように石英製炉芯管６とヒータ７を備
えた拡散炉内に挿入し、キャップ５を炉内で外してお
く。この状態で炉芯管６の一方の管口から窒素ガス（Ｎ
₂）を矢印で示したように注入し、他方の管口から排気
する前処理を所定時間行い、拡散炉内及びアンプル管１
内を窒素ガスでパージする。

【０００５】次に炉芯管６のキャップ６Ａを開け、その
開口部から同図（ｃ）に示すように図外の石英棒を用い
て石英アンプル管１のキャップ５を該アンプル管１にセ
ットする。この後、炉芯管６のキャップ６Ａを閉じ、更
に窒素ガスの注入を所定時間継続して炉芯管６の内部を
窒素ガスでパージする。

【０００６】窒素ガスのパージ後にヒータ７の運転によ
って拡散炉を所定の温度（９００〜１２００度）まで昇
温し、所定時間の熱処理を行ってシリコン基板４面への
ガリウム拡散を行う。この熱処理後、拡散炉が４０〜６
０度以下に冷却したときに炉内からアンプル管１を取り
出し、ガリウム拡散したシリコン基板を回収する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の開管式プレデポジション拡散方法を利用した半
導体製造装置は、以下に記す問題点を有している。
（ａ）ガリウム拡散源やシリコン基板をセットしたアン
プル管１を炉芯管６内に入れて拡散を行う二重炉芯管方
式となるため、シリコン基板の直径に較べて５０〜７０
ミリメートル程度内径の大きな炉芯管６を必要とする。
このため、４インチ径のシリコン基板に拡散するには１
５０〜１７０ミリメートル以上の大口径の炉芯管を必要
とし、拡散炉や炉芯管等の設備コストが高くなる。

【０００８】（ｂ）拡散炉が二重炉芯管方式となるた
め、炉内の空気を窒素ガスで置換するための窒素ガスパ
ージが２段階で行われ、夫々の処理には１０〜２０時間
を必要とする長時間になり、ガスパージ処理のみで２０
〜４０時間も必要として拡散処理工数の大半を占めると
いう効率の悪さがある。

【０００９】（ｃ）拡散炉が大口径になるため、運転コ
ストの大部分を占める電力消費量が増大する。

【００１０】本発明はこのような従来の半導体製造装置
が有している課題を解消して、窒素ガスのパージに要す
る時間を短縮することによって工程の能率化をはかり、
且つ拡散炉の口径が不用に拡大することを防止して、ガ
ス消費量及び電力の使用量を下げてコストの低廉化をは
かることができる半導体製造装置及びその運転方法を提
供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、先ず請求項１により、周囲がヒータで覆われ
た拡散炉と、この拡散炉との間に微小な隙間を保持して
配置された可動式のキャップにより一端が画成され、内
方にシリコン基板と不純物拡散源とが配置される拡散室
と、上記拡散炉の隔壁一端に設けられたパージ用ガスの
給排管と、該拡散炉の一端を画成するとともに開閉バル
ブが付設されたガス排気管を備えた拡散炉キャップと、
上記給排管からパージ用ガスを常時注入する注入手段と
を備えた半導体製造装置において、上記ガス給排管に、
それぞれ開閉バルブが付設された２本の分岐管を設け
て、一方の管をパージ用ガス供給源に連接する一方、他
方の管をガス吸引用真空源に連接した半導体製造装置を
提供する。又、前記拡散炉に配設したガス給排管及びパ
ージ用ガスの注入，排気を切替える各開閉バルブは、拡
散室を画成するキャップの外側で且つシリコン基板を出
し入れする入口側に設けてある。

【００１２】更に請求項３として、拡散炉の内方に形成
された拡散室内にシリコン基板と不純物拡散源とを配置
し、上記拡散炉の隔壁一端に設けられたガスの給排管か
ら、開閉バルブの開閉制御による拡散炉内へのパージ用
ガス注入と、ガス注入後の真空源による吸引作用による
排気を複数回繰り返すことによって拡散室のガスパージ
を行い、しかる後に拡散炉内にパージガスを定常的に流
しながら拡散炉の周囲に配備されたヒータを駆動して熱
処理を行うようにした半導体製造装置の運転方法を提供
する。

【００１３】

【作用】かかる半導体装置とその運転方法によれば、拡
散室内に不純物拡散源とシリコン基板を配置して可動式
のキャップをセットした後、ガス給排管の一方の分岐管
に付設されたパージ用ガスを導入するバルブと、拡散炉
キャップの排気管に付設されたバルブを「閉」とし、他
方の分岐管に付設された真空排気用のバルブのみを
「開」として真空源の駆動を行うことによって拡散炉内
が減圧される。ここで真空排気用のバルブを「閉」と
し、パージガス導入用のバルブを「開」とすることによ
り、ガス供給源から拡散炉内へパージガスが導入され、
この減圧とガス導入動作を複数回繰り返すことによって
拡散炉内のガス置換が完全に行われる。

【００１４】次に拡散炉内にパージガスを定常的に流し
て大気圧に保持しながら拡散炉の周囲に配備されたヒー
タを駆動して熱処理を行うことによってシリコン基板に
対する不純物の拡散が進行する。熱処理後にヒータへの
通電を停止し、拡散炉が室温にまで冷却した段階で拡散
炉キャップ及び拡散室を画成するキャップを取り外して
不純物が拡散されたシリコン基板を回収する。

【００１５】

【実施例】以下図面を参照して本発明にかかる半導体製
造装置の一実施例を、前記従来の構成部分と同一の構成
部分に同一の符号を付して詳述する。本実施例では従来
の二重炉芯管方式に対して一重炉芯管方式を採用してい
る。

【００１６】図１に示した装置構成図において、１１は
ガリウム拡散炉であり、このガリウム拡散炉１１内に不
純物拡散源である金属ガリウムを入れた炭化ケイ素製拡
散源ボート２と、石英製ボート３に載せた多数枚のシリ
コン基板４とが挿入され、可動式のキャップ５がセット
される。上記キャップ５とガリウム拡散炉１１との間に
は微小な隙間αが形成されている。そして拡散室２０の
周囲はヒータ７で覆われている。

【００１７】従ってガリウム拡散炉１１内には、一端が
可動式のキャップ５によって画成された拡散室２０が形
成され、この拡散室２０内に前記シリコン基板４と拡散
源ボート２とが配置されている。

【００１８】８は拡散炉キャップ，９はガスシール用の
Ｏリング，１０は冷却水パイプである。拡散炉キャップ
８には排気管１２が設けられていて、この排気管１２の
中途部に排気用のバルブ１３が付設されている。

【００１９】更に上記キャップ５と拡散炉キャップ８と
の間に位置するガリウム拡散炉１１の側壁部には、ガス
給排管１４が設けられている。このガス給排管１４は中
途で２方向に分岐されていて、一方の管１４ａはバルブ
１５を介してパージガスとしての窒素ガス供給源１６に
連接され、他方の管１４ｂはバルブ１７を介して真空ポ
ンプ等の真空源１８に連接されている。

【００２０】かかる構成による半導体製造装置の作用を
以下に説明する。先ず図２に示したように拡散室２０内
に不純物拡散源である金属ガリウムを入れた拡散源ボー
ト２と、石英製ボート３に載せた多数枚のシリコン基板
４とを挿入して所定位置に配置し、キャップ５をセット
する。次に図示したように窒素ガス導入用のバルブ１５
と排気用のバルブ１３を「閉」とし、真空排気用のバル
ブ１７のみを「開」として真空源１８の駆動を開始す
る。

【００２１】すると真空源１８の駆動力によってガリウ
ム拡散炉１１内が減圧状態になり、隙間αの存在によっ
て拡散室２０内も当然減圧される。そして図外の圧力計
によって拡散炉１１内の圧力が５０ｔｏｒｒ以下になっ
た際に、図３に示したように真空排気用のバルブ１７を
「閉」とし、排気用のバルブ１３は「閉」のままで窒素
ガス導入用のバルブ１５を「開」とすることにより、窒
素ガス供給源１６からバルブ１５及び給排管１４を介し
て拡散炉１１内へ窒素ガス「Ｎ₂」が徐々に導入され
る。

【００２２】そして拡散炉１１内の圧力が７００ｔｏｒ
ｒに達した際に、バルブ１５を「閉」とし、バルブ１７
を「開」として図２の状態に戻し、再度真空源１８の駆
動力によって拡散炉１１の内圧が５０ｔｏｒｒ以下にな
るまで真空排気を行う。

【００２３】このような真空排気操作と窒素ガスのパー
ジ操作を複数回，例えば本実施例の場合には６回繰り返
すことにより拡散炉１１内のガス置換が完全に行われる
ので、６回目の窒素ガス導入の時に内圧が７００ｔｏｒ
ｒを超えても窒素ガスの導入を継続し、内圧が７６０ｔ
ｏｒｒ（大気圧）を超えた時点で、図４に示したように
排気用のバルブ１３を「開」，真空排気用のバルブ１７
を「閉」としたまま、排気用のバルブ１３を「開」にす
ることにより、バルブ１５から導入された窒素ガスがバ
ルブ１３から排出される。

【００２４】上記図４に示した状態下では、バルブ１５
を介して流入する窒素ガスの流量は、バルブ１３から大
気が逆流しない範囲で出来るだけ絞ることが肝要であ
る。例えば排気管１２の内径が５〜７ｍｍφの場合に
は、該排気管１２内での窒素ガスの流量は１〜２（リッ
トル／分）とする。

【００２５】このようにしてガリウム拡散炉１１内に窒
素ガスを定常的に流すことにより、この拡散炉１１の内
圧は略大気圧に保たれる。次に冷却水パイプ１０に冷却
水を流してガスシール用のＯリング９を保護しながらヒ
ータ７に通電することによって拡散室２０が所定の温度
（９００℃〜１２００℃）まで昇温し、この温度を維持
したまま所定時間の熱処理を継続することにより、シリ
コン基板４面へのガリウム拡散が行われる。この熱処理
後にヒータ７への通電を停止し、拡散炉１１が室温にま
で冷却した段階で、拡散炉キャップ８とキャップ５を取
り外して拡散室２０からガリウムが拡散されたシリコン
基板４を回収する。

【００２６】以上の説明で明らかなように、本実施例で
はガリウムプレデポジション拡散装置として、窒素ガス
のパージを従来のようにガスの対流とか拡散等の方法で
行うのとは異なり、真空ポンプ等の真空源を利用した拡
散炉１１内の減圧操作と、窒素ガスの導入操作とを繰り
返して行うことにより、拡散炉への窒素ガスのパージを
積極的に実施することが大きな特徴となっている。

【００２７】これに伴って一重炉芯管方式でありながら
図５に示した従来の二重炉芯管方式と同等の拡散状態を
容易に得ることができて、所望のガリウムプレデポジシ
ョン拡散を実施することができる。しかも本実施例で
は、窒素ガスパージに要する時間は約１時間程度あれば
充分であり、従来の２０時間〜４０時間要したパージ時
間に比して大幅な時間短縮が可能となる。

【００２８】又、本実施例では窒素ガスのパージを行う
ための機構，即ち拡散炉１１に配設したガス給排管１
４，各バルブ１３，１５，１７が何れも拡散室２０を画
成するキャップ５の外側でシリコン基板４を出し入れす
る入口側にあるため、拡散時にガリウム蒸気が充満され
る拡散室２０の占める空間領域が最小限となり、ガリウ
ム拡散時の均一性がきわめて良好であるという利点を有
している。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる半導体装置及びその運転方法によれば、拡散炉に対
するパージガスの置換を、従来のようにガスの対流とか
拡散等の非効率的な方法で行うのではなく、真空源を利
用した拡散炉内の減圧操作と、パージガスの導入操作と
を繰り返して行うことによって拡散炉へのガスの置換を
積極的に実施しているため、一重炉芯管方式でありなが
ら従来の二重炉芯管方式と同等の拡散状態を容易に得る
ことができて、所望のガリウムプレデポジション拡散を
実施することができる。特にガス注入時に直接的に拡散
室にパージガスが注入され、ガスパージに要する時間を
従来方式に較べて大幅に短縮（約１／２０〜１／４０）
することが可能となり、工程の能率化をはかることがで
きる上、ガス消費量及び電力の使用量を下げてコストの
低廉化をはかることができる又、本実施例では隔壁と可
動のキャップによって拡散炉内に直接拡散室を構成する
一重炉芯管方式であるため、拡散炉の口径をシリコン基
板の径よりも２０〜３０ミリメートル程度大きい内径の
もので済み、従来のものに較べて小口径の拡散炉構成を
可能とし、拡散炉の小型化に伴う設備コストの低減がは
かれるという効果がある。

【００３０】更にガスパージを行うための機構が何れも
拡散室を画成するキャップの外側でシリコン基板を出し
入れする入口側にあるため、拡散時に不純物蒸気が充満
される拡散室の占める空間領域が最小限となり、不純物
拡散時の均一性が良好になるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる半導体製造装置の一実施例を示
す概要図。

【図２】本実施例における不純物拡散手順を説明するた
めの概要図。

【図３】本実施例における不純物拡散手順を説明するた
めの概要図。

【図４】本実施例における不純物拡散手順を説明するた
めの概要図。

【図５】従来の同様な拡散手順を示す概要図。

【符号の説明】

２…拡散源ボート ３…石英製ボート ４…シリコン基板 ５…キャップ ７…ヒータ ８…拡散炉キャップ ９…Ｏリング １０…冷却水パイプ １１…ガリウム拡散炉 １２…排気管 １３，１５，１７…バルブ １４…ガス給排管 １６…窒素ガス供給源 １８…真空源 ２０…拡散室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周囲がヒータで覆われた拡散炉と、この
   拡散炉との間に微小な隙間を保持して配置された可動式
   のキャップにより一端が画成され、内方にシリコン基板
   と不純物拡散源とが配置される拡散室と、上記拡散炉の
   隔壁一端に設けられたパージ用ガスの給排管と、該拡散
   炉の一端を画成するとともに開閉バルブが付設されたガ
   ス排気管を備えた拡散炉キャップと、上記給排管からパ
   ージ用ガスを常時注入する注入手段とを具備して成る半
   導体製造装置において、 上記ガス給排管に、それぞれ開閉バルブが付設された２
   本の分岐管を設けて、一方の管をパージ用ガス供給源に
   連接する一方、他方の管をガス吸引用真空源に連接した
   ことを特徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】 前記拡散炉に配設したガス給排管及びパ
   ージ用ガスの注入，排気を切替える各開閉バルブを、拡
   散室を画成するキャップの外側で且つシリコン基板を出
   し入れする入口側に設けたことを特徴とする請求項１記
   載の半導体製造装置。
3. 【請求項３】 拡散炉の内方に形成された拡散室内にシ
   リコン基板と不純物拡散源とを配置し、上記拡散炉の隔
   壁一端に設けられたガスの給排管から、開閉バルブの開
   閉制御による拡散炉内へのパージ用ガス注入と、ガス注
   入後の真空源による吸引作用による排気を複数回繰り返
   すことによって拡散室のガスパージを行い、しかる後に
   拡散炉内にパージガスを定常的に流しながら拡散炉の周
   囲に配備されたヒータを駆動して熱処理を行うようにし
   たことを特徴とする半導体製造装置の運転方法。