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審決分類 審判 全部申し立て 2項進歩性  H01L
管理番号 1018172
異議申立番号 異議1999-72376  
総通号数 13 
発行国 日本国特許庁(JP) 
公報種別 特許決定公報 
発行日 1991-10-21 
種別 異議の決定 
異議申立日 1999-06-16 
確定日 1999-12-22 
異議申立件数
訂正明細書 有 
事件の表示 特許第2839621号「半導体製造用熱拡散装置」の特許に対する特許異議の申立てについて、次のとおり決定する。 
結論 訂正を認める。 特許第2839621号の特許を維持する。 
理由 (1)手続の経緯
特許第2839621号は、平成2年2月13日に特許出願され、平成10年10月16日にその特許の設定登録がなされ、その後、北村 二郎 より請求項1に係る発明に対して特許異議の申立てがなされ、取消理由通知がなされ、その指定期間内である平成11年10月6日に訂正請求がなされたものである。
(2)訂正の適否についての判断
ア.訂正明細書の請求項1に係る発明
訂正明細書の請求項1に係る発明は、その特許請求の範囲の請求項1に記載された次の事項により特定されるとおりのものである。
「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することにより拡散源を十分反応させた前記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。」
イ.訂正の目的の適否、新規事項の有無及び拡張・変更の存否
1)訂正事項1
特許請求の範囲の請求項1における「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」を「前記ノズルから前記反応管内で十分加熱することにより拡散源を十分反応させた前記プロセスガスが吹き出すよう構成し」とする訂正は、半導体製造用熱拡散装置の構成を限定するものであるので、特許請求の範囲の減縮に該当し、願書に添付した明細書及び図面に記載した事項の範囲内の訂正であり、実質的に特許請求の範囲を拡張又は変更するものではない。
ウ.独立特許要件の判断
(刊行物に記載された発明)
実願昭59-175656号(実開昭61-92049号)の願書に添付された明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム(以下、「刊行物1」という。)には、
「[従来の技術]従来から半導体ウエハの所要物質の拡散処理や厚膜電子回路基板の焼成等の半導体の熱処理には横形炉が多く用いられていたが、近時は第2図に示したような縦形炉も漸次用いられるようになってきた。」(第2頁第8〜13行)、
「5は図示しない駆動源に連結されて上下動するアーム、6はこのアームに取付けられた減速機付き回転駆動機、7はこの回転駆動機に支持軸7aを介して連結されたトレイ支持台、8はこの支持台上に支持された石英製のトレイ、Wはこのトレイに垂直方向に所定の間隔をおいて設けた複数の棚板上に載置された半導体基板である。上記の構成になる半導体熱処理炉は、トレイ8を炉本体F内に挿入した図示位置において、ガス導入管4より所要のガス(又は空気)を石英管3内に供給して該管内を流下させて、ヒータ2により半導体基板Wを熱処理する。この際、回転駆動機6によりトレイ支持台7を回転させることにより、トレイ8上の半導体基板Wを炉内で回転させたり、或いはアーム5を適宜に上下動させることにより、基板Wを炉内で上下動させて所要の熱処理を行うことができる。」(第3頁第1〜18行)、
「本考案は、上端側が閉鎖され下端側が開放された筒状をなし内壁にヒータ2を備えて略垂直に配置された縦形の炉本体Fと、熱処理すべき複数の半導体基板Wを上下に対向するもの相互に所定の間隔をおいて垂直方向に重ねて保持するトレイ8と、前記炉本体Fとトレイ8との垂直方向の関係位置を相対的に変化させてトレイ8を炉本体Fの下方から炉本体F内に出し入れする駆動機構と、トレイ8に支持されて炉本体F内に挿入された半導体基板Wに所要のガス又は空気を供給して廃気を炉外に排出するガス給排機構とを有する縦形半導体熱処理炉において、前記ガス給排機構は前記炉本体F内に挿入されるトレイ8を間にして相対向するように炉本体F内に配設されたガス供給管11及びガス排出管12を具備し、ガス供給管11にはトレイ8上の各半導体基板Wの面に平行に前記ガス又は空気を流すように所定の間隔で複数のガス噴出孔11aが並設され、ガス排出管12には前記各ガス噴出孔11aに対向する位置にガス吸気孔12aが並設されているものである。」(第4頁第12行〜第5頁第11行)、
「[実施例]以下、本考案の実施例を図面を参照して説明する。第1図において、第2図の装置と同一部分には同符号を付してその説明を省略する。第1図において、石英管3の上端側は閉鎖されている。11は石英管3内の定位置に挿入されたトレイ8の頂部に対応する高さを有し且つトレイ8に間隔をおいて対向するように石英管3内に立設されたガス供給管である。このガス供給管は上端部が閉鎖され、下端部は炉体1の底部を貫通して炉外に導出されている。このガス供給管11には、トレイ8に載置した各半導体基板Wの面に平行に所要のガス(又は空気)を流すように、所定の間隔で垂直方向に多数のガス噴出孔11aが並設されている。・・・本実施例では以上により炉本体Fが構成されている。9は支持軸7aの長さ方向の所定位置に固着された蓋板で、トレイ支持台7が定位置まで上昇すると、この蓋体が炉本体Fの開放端を閉じるようになっている。以上のように構成された本考案に係る半導体熱処理炉は、図示しない駆動源によりアーム5を駆動して、トレイ8を炉本体F内の図示の定位置に挿入する。そして、ガス供給管11の各ガス噴出孔11aよりトレイ8の各棚板に載置された半導体基板Wにそれぞれ所要のガス(又は空気)を噴射供給して、ヒータ2により基板Wを加熱処理する。」(第6頁第5行〜第7頁第17行)が、第1図、第2図と共に記載されている。
すなわち、刊行物1には「半導体基板を所定の間隔をおいて保持するトレイを石英管の内部に挿入して、蓋板が炉本体の開放端を閉じ、半導体基板に所要のガスを供給してヒータにより基板を加熱処理するようにした半導体ウエハヘの所要物質の拡散処理を行う半導体熱処理炉において、石英管内の定位置に挿入されたトレイの頂部に対応する高さを有し且つトレイに間隔をおいて対向するように石英管内に立設された上端部が閉鎖され下端側が炉体の底部を貫通して炉外に導出されているガス供給管を具備し、前記ガス供給管はトレイに載置した各半導体基板の面に平行に所要のガスを流すように、所定の間隔で垂直方向に多数のガス噴出孔が並設されており、前記各ガス噴出孔からはトレイの各棚板に載置された半導体基板にそれぞれ所要のガスを供給されてるものであり、更に前記トレイが回転自在である半導体ウエハヘの所要物質の拡散処理を行う半導体熱処理炉。」が記載されていると認められる。
実願昭62-186144号(実開平1-89732号)の願書に添付された明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム(以下、「刊行物2」という。)には、
「前記ガス導入口9およびガス導出口10は、前述したように内管8の対向壁面に穿設開口されるが、その穿設開口位置は、ボート2に保持されるウエハ4の最高位置から最低位置に対応させて、所定数穿設する。その数は、例えば高さ600mmのボート2にウエハ4を50枚保持する場合、最低10個以上あるのが望ましい。」(第6頁第10〜17行)が記載されている。
実願昭61-85375号(実開昭62-198276号)の願書に添付された明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム(以下、「刊行物3」という。)には、
「半導体ウエハを、互いにその主面を平行とするように多数並べて反応容器内に収納し、高温に加熱しつつ、前記反応容器内に設けたスリツト又は多数の孔を有するガス供給ノズルを用いて、前記半導体ウエハ外周より主面にほぼ平行に反応ガスを供給し、気相成長層を形成する装置において、前記ガス供給ノズルを二重管構造とし、前記反応ガスが、その二重管の外管を通つてノズル末端まで達した後に流れ方向を反転し、内管に設けられたスリツト或いは多数の噴出孔より、前記半導体ウエハに供給されることを特徴とする気相成長装置。」(実用新案登録請求の範囲)、
「上記目的は、ガス供給ノズルを二重管構造とし、原料ガスを二重管の外側を通し、ノズル末端まで達せしめ、そこで流れを反転させて内側の管に設けられたスリツト又は多数の孔から、ウエハに供給することにより達成される。〔作用〕二重管ノズルの外側の管から導入された原料ガスは、順次加熱を受けながらノズル内を進行し、末端に達した後、流れの方向を反転させて、もう一方の管内を流れる。これにより二重管の内管内も外管内では、ガス温度が順次高くなる傾向が相殺され、ノズル内のほぼ全域にわたって、ほぼ等しい原料ガス温度が得られる。」(第4頁第6〜18行)、
「4は本発明のガス供給ノズルで、第2のノズル形状説明図に示すように二重管構造となっている。このノズルから供給するH2雰回気中にシリコン原料を混入し、各ウエハ表面にほぼ平行に原料ガスを供給し、シリコンのエピタキシヤル成長層を形成する。この際二重管ノズルの外側の管から導入された原料ガスは、ノズルの先端で流れ方向を反転し、内側の管に設けられた各ウエハに対応した噴出孔5から供給される。外側の管内と内側の管内では、ガス温度が順次高くなる傾向が相殺し、それぞれの噴出孔から供給される原料ガスの温度はほぼ均一となるため、各ウエハ1間には温度の不均一は生せず、膜厚のほぼ均一なエピタキシャル成長層が形成される。」(第5頁第7行〜第6頁第1行)が、記載されている。
実願昭49-149331号(実開昭51-75159号)の願書に添付された明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム(以下、「刊行物4」という。)には、
「この筒軸2の中心には石英よりなる反応ガスの導入管10を挿入し、その上部は加熱板5より上方に突出せしめる。第2図示のように導入管10の上端は天井11により閉じる。この導入管10内には内筒12を設け、この内筒12の上下両端は開放すると共にその下端と導入管10の内壁間は環状の部分13により密閉する。導入管10の上部には小孔14,14・・・ ・・・ ・・・を穿設し、これら小孔14,14・・・ ・・・ ・・・の径は同径とする。」(第4頁第1〜9行)が第2図と共に記載されている。
特開昭61-114522号公報(以下、「刊行物5」という。)には、
「なお、第2図〜第4図の本発明の別の実施例に示す如く、給気口8から頂部18に給気ガスを導びく方法は・・・チューブ17を配置する等により行つても良い。・・・反応管の頂部に達した給気ガスは、ウエハと接しながら降下し、所定の熱処理を行った後、反応管の下部の排気口から外部へ放出する。」(第2頁左下欄第6行〜右下欄第1行)が、第2図〜第4図と共に記載されている。
(対比・判断)
本件発明と刊行物1に記載された発明を対比すると、本件発明の「半導体ウェハ」、「ボート」、「反応管」、「プロセスガス」、「半導体製造用熱拡散装置」、「ガス導入管」、「ノズル」は、それぞれ刊行物1に記載された発明の「半導体基板」、「トレイ」、「石英管」、「所要のガス」、「半導体ウエハヘの所要物質の拡散処理を行う半導体熱処理炉」、「ガス供給管」、「ガス噴出口」に相当する。
従って、本件発明と刊行物1に記載された発明は、
「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たガス導入管を具備し、前記ガス導入管に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ピッチで設けるとともに、前記ノズルからは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。」である点で一致し、本件発明が「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、前記下降部にノズルがを設けられ、前記ノズルから前記反応管内で十分加熱することにより拡散源を十分反応させた前記プロセスガスが吹き出すよう構成」されているのに対して、刊行物1に記載された発明は「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からI字に形成されたガス導入管を具備し、前記上昇部にノズルが設けられ、前記ノズルからプロセスガスが吹き出すよう構成」されている点で相違する。
すなわち、刊行物1に記載された発明に係る半導体熱処理炉では、I字に形成されたガス導入管の上昇部にノズルが設けらており、このようなガス導入管によっては反応管内でプロセスガスを十分に加熱することができないものと認められる。また、刊行物1には、前記ノズルから反応管内で十分に加熱することにより拡散源を十分反応させたプロセスガスを吹き出すようにすることで、拡散源の濃度をより均一にするという技術思想の開示も示唆も認められない。
また、刊行物2〜5に記載の発明も、本件発明を特定する事項である「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、前記下降部にノズルが設けられ、前記ノズルから前記反応管内で十分加熱することにより拡散源を十分反応させた前記プロセスガスが吹き出すよう構成」するという構成を備えておらず、また、反応管内で十分加熱することにより拡散源を十分反応させたプロセスガスをノズルから吹き出すようにすることで、拡散源の濃度をより均一にするという技術思想の開示も示唆も認められない。
そして、本件発明は前記構成を備えることにより、「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。」という本件発明の顕著な効果を奏するものと認められる。
従って、本件発明が、刊行物1〜5に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたとすることはできない。
(まとめ)
本件発明は特許出願の際独立して特許を受けることができるものである。
エ.むすび
以上のとおりであるから、上記訂正は、特許法第126条第2-4項の規定に適合するので、当該訂正を認める。
(3)特許異議申立てについての判断
ア.申立ての理由の概要
申立人 北村 二郎 は、本件発明は、実願昭59-175656号(実開昭61-92049号)の願書に添付された明細書及び図面の内容を撮影したマイクロィルム(甲第1号証)、実願昭62-186144号(実開平1-89732号)の願書に添付された明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム(甲第2号証)、実願昭61-85375号(実開昭62-198276号)の願書に添付された明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム(甲第3号証)、実願昭49-149331号(実開昭51-75159号)の願書に添付された明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム(甲第4号証)、特開昭61-114522号公報(甲第5号証)に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであり、特許法第29条第2項の規定により、特許を受けることができないものであるから、特許を取り消すべきと主張している。
イ.本件発明
平成11年10月6日付けで提出された訂正明細書の請求項1に係る発明(以下、「本件発明」という)は、その特許請求の範囲の請求項1に記載された事項により特定される次のとおりのものである。
「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することにより拡散源を十分反応させた前記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。」
ウ.判断
上記各刊行物には、上記「(2)訂正の適否についての判断 ウ.独立特許要件の判断 (刊行物に記載された発明)」で示した事項が記載されている。
しかしながら、上記「(2)訂正の適否についての判断 ウ.独立特許要件の判断 (対比・判断)」で示したように、本件発明は各刊行物に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたとすることはできない。
なお、申立人は、甲第3号証の二重管構造を有するガス供給ノズルが、本件発明の「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」に相当すると主張する。しかしながら、二重管と逆U字では両者の形状は明らかに異なり、またそのような形状の部材を製造する為の工作上の困難さ、二重管と逆U字という形状の相違に基づくプロセスガスヘの熱の伝達効率等も異なることは明らかである。したがって、二重管構造を有するガス供給ノズルが、逆U字に形成されたガス導入管に相当するということはできない。
また、申立人は、甲第3号証に記載された発明も、二重管構造を有することにより、本件発明と同等の作用・効果が奏すると主張する。しかしながら、甲第3号証に記載された発明が奏する効果が「気相成長装置」の「ノズル内のほぼ全域にわたって、ほぼ等しい原料ガス温度が得られる」ことにより、「各ウエハ1間には温度の不均一は生せず、膜厚のほぼ均一なエピタキシャル成長層が形成される。」というものであるのに対して、本件発明の効果は、「熱拡散装置」の「ノズルから前記反応管内で十分加熱することにより拡散源を十分反応させた前記プロセスガスが吹き出すよう構成」することにより、「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。」というものであるから、両者の作用・効果が同等であるとすることもできない。
さらに、申立人は甲第5号証、甲第4号証にも本件発明の逆U字に形成されたガス導入管に相当する構成の記載があると主張するが、前記各号証にはそのような記載は認められない。
従って、申立人の前記各主張はいずれも採用できない。
エ.むすび
以上のとおりであるから、特許異議申立の理由及び証拠のよっては本件請求項1に係る発明の特許を取り消すことはできない。
また、他に本件発明を取り消すべき理由を発見しない。
よって、結論のとおり決定する。
 
発明の名称 (54)発明の名称
半導体製造用熱拡散装置
(57)【特許請求の範囲】
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宇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することにより拡散源を十分反応させた前記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。
【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℃以上の荷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,POCl3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ρs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ρsの最大値
min;シート抵抗ρsの最小値

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ρs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ρs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によるり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押入して密封し、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尊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の問にノズル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ヘ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ρs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ρs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ρs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=4.76mm)である時に、ノズル間ピッチp1をこれより小さい4mm(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ρs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ρs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100ppm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,9a,10a,12a,……ノズル。
 
訂正の要旨 特許請求の範囲の減縮を目的として、平成10年7月8日の本件請求人提出に係る手続補正書により補正された特許請求の範囲の記載
「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カズ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、前期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。」

「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カズ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、前期ノズルから前記反応管内で十分加熱することにより拡散源を十分反応させた前記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。」
と訂正する。
異議決定日 1999-10-12 
出願番号 特願平2-31786
審決分類 P 1 651・ 121- YA (H01L)
最終処分 維持  
前審関与審査官 長谷山 健  
特許庁審判長 今野 朗
特許庁審判官 加藤 浩一
橋本 武
登録日 1998-10-16 
登録番号 特許第2839621号(P2839621)
権利者 株式会社東芝
発明の名称 半導体製造用熱拡散装置  
代理人 外川 英明  
代理人 外川 英明  
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