JP2715645B2 - 半導体閉管拡散方法および閉管拡散装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シリコンなどの半導体基体にアルミニウム
などを拡散するための半導体閉管拡散方法およびそれに
用いる閉管拡散装置に関する。

〔従来の技術〕

シリコン半導体基体へのアルミニウム拡散は、例えば
サイリスタのような高耐圧を必要とする半導体装置に利
用されている。アルミニウム拡散は、開管拡散法で行う
と外方拡散が生じ、シリコン半導体中へ所要の濃度まで
拡散されていかない。このため、従来、石英アンプル中
にシリコン半導体基板およびアルミニウム拡散源を入れ
て、10^-6Torr以下の圧力下で石英アンプルを封じ、この
石英アンプルを加熱炉へ入れて拡散する、いわゆる閉管
拡散法がとられている。第２図はそのような閉管拡散法
の実施状態を示し、シリコン基板１とアルミニウム拡散
源２を一端を閉じた石英アンプル21の中に収容し、真空
下で他端に石英キャツプ22を溶接して封じ切り、加熱炉
３の中に入れて例えば1250℃で熱処理する。

〔発明が解決しようとする課題〕

近年のサイリスタの高電流容量化に伴い、シリコン半
導体基板は直径４インチに達するものもある。このた
め、石英アンプルも外径100mmを超えることになり、上
記のように10^-6Torr以下の圧力下にしては1250℃で10時
間程度の拡散を行うと、石英アンプル21がつぶれてシリ
コン基板１が破壊することがある。

この問題を解決する１つの方法として、石英アンプル
21の石英厚さを厚くする方法がある。上記の1250℃にお
ける10時間程度の拡散で石英アンプルをつぶさないため
には、計算上石英厚さを4.5mm以上にする必要がある。
ところが石英厚さが4.5mm以上あると、真空封じする時
の溶接に困難をきたし、また石英アンプル重量を大きく
する欠点がある。

あるいは解決のための別の方法として、真空封じした
石英アンプルを圧力ミリTorr程度の減圧炉で石英アンプ
ル内外の圧力差の小さい状態で熱処理をし、アンプルを
つぶさないようにする方法がある。現在、世の中に減圧
CVD装置は存在するが、その温度は500℃程度で石英密閉
炉心管を使用しているため、1250℃程度の温度で熱処理
することは不可能である。

本発明の目的は、半導体基体と拡散源とを真空封じし
た石英アンプルを熱処理して石英アンプルをつぶさすこ
となく半導体基体へ不純物を拡散する半導体閉管拡散方
法およびその方法に用いる閉管拡散装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明の半導体閉管拡
散方法は、半導体基体と拡散源とを真空封じした石英ア
ンプルを炭化けい素（SiC）よりなり、内部の圧力が１
×10^-3Torr以上の真空に保持された真空気密炉心管内に
収容して加熱炉内で熱処理するものとする。半導体基体
がシリコンよりなり、拡散源がアルミニウムを含む場合
が特に有効である。また、本発明の閉管拡散装置は、中
空部を有する加熱炉と、その中空部より長いSiCよりな
る炉心管と、その炉心管の両端を真空気密に密閉する蓋
体と、少なくとも一方の蓋体を貫通して真空排気装置に
連通する排気管とを備えたものとする。そして蓋体が水
冷機構を備えたものであること、および蓋体がステンレ
ス鋼よりなることが有効である。

〔作用〕

SiCからなる真空炉心管内に半導体基板と拡散源とを
真空封じした石英アンプルを収容して拡散を行うことに
より、拡散温度での変形がなくなり、また炉心管内の圧
力をSiCからSiが分離する10^-4Torr以下の高真空にしな
いで、１×10^-3Torr以上の真空にすることにより半導体
基体の汚染のおそれもない。そして炉心管を加熱炉の中
空部より長くして、その両端の温度の低い部分で、例え
ば水冷された蓋体で密閉することにより、真空気密も容
易に保持できる。それ故、密閉のための蓋体に石英に比
して熱膨脹係数の大きいSiCに近い熱膨脹係数をもつス
テンレス鋼を用いても、蓋体の温度が高くならないので
半導体基体へのステンレス鋼からの鉄，ニッケル，クロ
ムなどによる汚染のおそれがない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の閉管拡散装置を示し、第
２図と共通の部分には同一の符号が付されている。図に
おいて、加熱炉３の炉心管としてSiCからなる管４が入
れられている。SiC管４の長さは、後述の水冷フランジ
とSiC管の接触部の温度差が大きくならないように加熱
炉３よりも片側で300mm長くなる様にした。フランジ５
はステンレス鋼で作成され、SiC管４との間に介在する
Ｏリング６によりSiC管との間の気密を保持している。
フランジ５には、焼きつき防止のための水冷管７が取り
つけられている。一方のフランジ５の外側には戸８が備
えられ、戸８とフランジ５の間にもＯリング６が挿入さ
れて、フランジの開口部51を密閉している。他方のフラ
ンジ５には排気管９が連結されており、電磁弁10を介し
て排気装置11に接続されている。SiC管４の内部を圧力
１×10^-3Torr以上の真空にすればよいので、排気装置11
はロータリーポンプで構成している。排気管９にはまた
電磁弁12を備えたN₂ガス導入管13も接続している。さら
に排気管９には真空計14がとりつけられており、圧力が
SiCからのSiの分離のおそれのある10^-4Torr以下の高真
空になった場合、フィードバック回路15を介して自動的
に二つの電磁弁が作動し、排気管９側の電磁弁10が閉
じ、N₂導入管13側の電磁弁12が開くので、10^-3Torrの範
囲になる。

この閉管拡散装置を用いて閉管拡散方法の一実施例を
第３図に示す。第３図の線31は温度のフローチャート
を、線32は真空度のフローチャートを示す。先ず、加熱
炉３の温度が700℃になった状態で戸８を開いて第２図
に示したような石英アンプル21の炉入れを行う。炉入れ
後、排気装置11を稼働させ、10^-3Torrの真空度にする。
10^-3Torrにするまで約10分要した。10^-3Torrになったこ
とを確認して、炉を1250℃まで10℃／分の速度で昇温さ
せ、1250℃で10時間拡散させた。拡散後、炉を−５℃／
分で冷却させ、700℃になったところで炉を切り、自然
冷却に切り換えるのと同時に排気装置11を停止させ、導
入管13からN₂ガスを炉内に入れ、大気状態とした。炉が
200℃以下になったところで戸８から石英アンプルのと
りだしを行った。

本実施例に使用した石英アンプル21は、４インチ径の
シリコン基板が内部に収容されており、石英アンプルの
径は130mmになる。また石英の厚さは3mmであった。石英
アンプル取り出し後、石英アンプルのつぶれ状況を調べ
たが、全くつぶれは生じていなかった。またSiC管の熱
膨脹による支障も生じず、SiCからのSiの分離の問題も
全く生じなかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、減圧炉の炉心管の材料にSiCを用い
ることにより、1250℃程度の高温にすることができ、真
空封じ切りをした石英アンプルを真空にした炉心管内で
熱処理することにより石英アンプルがつぶれることなく
半導体閉管拡散を行うことが可能になった。従って大口
径の半導体基体に対する閉管拡散もでき、特に開管拡散
の適用の不可能なシリコン基板へのAl拡散の実施に極め
て有効である。なお、SiC炉心管の両端に水冷蓋体ある
いはステンレス鋼蓋体を用いるより高温拡散にも支障の
ない密閉ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の閉管拡散装置の断面図、第
２図は従来の閉管拡散方法を示す断面図、第３図は本発
明の一実施例の閉管拡散方法における温度および真空度
のフローチャートである。 1:シリコン基板、2:アルミニウム拡散源、3:加熱炉、4:
SiC管、5:フランジ、6:Oリング、7:水冷管、8:戸、9:排
気管、11:排気装置、21:石英アンプル。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基体と拡散源とを真空封じした石英
   アンプルを、炭化けい素よりなり、内部の圧力が１×10
   ^-3Torr以上の真空に保持された真空気密炉心管内に収容
   して加熱炉内で熱処理することを特徴とする半導体閉管
   拡散方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体閉管拡散方法におい
   て、半導体基体がシリコンよりなり、拡散源がアルミニ
   ウムを含むことを特徴とする半導体閉管拡散方法。
3. 【請求項３】中空部を有する加熱炉と、その中空部より
   長い炭化けい素よりなる炉心管と、その炉心管の両端を
   真空気密に密閉する蓋体と、少なくとも一方の蓋体を貫
   通して真空排気装置に連通する排気管と、炉心管内に設
   けられ半導体基体と拡散源とを真空封じする反応管とを
   備えたことを特徴とする閉管拡散装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の閉管拡散装置において、蓋
   体が水冷機構を備えたことを特徴とする閉管拡散装置。
5. 【請求項５】請求項３あるいは４記載の閉管拡散装置に
   おいて、蓋体がステンレス鋼よりなる閉管拡散装置。