(57)【要約】【課題】  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する方法を提供する。【解決手段】  管状の反応室の内部に配置された複数枚の半導体基板のそれぞれにドーパントを熱拡散させる横型拡散炉であって、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ているとともに、前記半導体基板の第１側面へ向けて、前記ドーパントガスを前記反応室内に放出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ているとともに、前記ドーパントガスを前記半導体基板の前記第１側面とは異なる第２側面の側から前記反応室の外側に排出する複数のガス排出口を有しているガス排出部と、を備えていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−４７６８５号公報
【特許文献２】特表２００７−３２９４３７号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】図１０は、従来の横型拡散炉の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
＜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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
＜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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
＜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。
【００４１】
＜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。
【００４２】
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。
【実施例】
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
【表１】
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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。
【００５４】
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。
【符号の説明】
【００５５】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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