专利名称：半导体器件的制造方法
技术领域：
本发明通常涉及一种半导体器件的制造方法，特别是，本发明涉及一种使用加热炉的热处理方法。
图1表示一NPN型双极晶体管的截面。如图1中所示，在NPN型双极晶体管中，P型基区52可选择地形成在N型外延生长层51上，其N型外延生长层51可用作集电区，并且在P型基层52上可形成二氧化硅绝缘层53。
在二氧化硅绝缘层53中，可选择地在P型基区52上的一部分上形成发射窗54，可选择地将形成的多晶硅电极55埋置在发射孔54内。接着，在多晶硅电极55中掺杂N型杂质如砷等等。然后，进行热处理，用以在P型基区52的表面上选择地形成N型发射区57。
多晶硅电极55的形成过程是借助于低压化学汽相淀积法完成的。在形成过程中，在多晶硅电极55和P型基区52之间形成二氧化硅层56，其通常具有15至30的厚度。
根据自然氧化层56的厚度，确定共发射极电流增益hFE(下面偶尔地只用hFE表示)。因此，在双极晶体管制造过程中，有必要对于低压化学汽相淀积具有高的控制能力，并由此对hFE的控制能力。
图2是用于半导体器件常用制造方法中所使用的热处理设备的截面，它表示在常用半导体器件中用的形成多晶硅电极55的过程中所使用的热处理炉的构成(见日本未审查专利公开(kokai)号，昭和59-35433)。如图2中所示，在常用热处理炉中，将炉管2以水平方向插入炉体1内，将炉管2制成圆筒形，在其一端上具有端壁8，而在其另一端上具有开口9，其用以插入和取出炉管2中的舟皿4。开口9通过盖10来封闭。在炉管2的端壁8上，有真空泵5，其用以将炉管2排空使其内建立真空条件。还有，在炉管2的端壁8上，提供有气体导入口6，用以导入惰性气体如N2气。另一方面，在盖10上，提供有材料气体导入口7，用以导入材料气体。炉管2可设计用来接纳舟4，使许多半导体片3以给定间隔垂直地排列在舟4上。
在常用热处理设备中，当将半导体片3插入炉管2中时，要将N2气通过导入口6而在炉管2内流动，用以防止周围空气进入炉管2的内部空间，并且由此防止由于炉管2中气氛的变化而使产品质量不稳定。
应当注意的是，周围空气的进入意味着，在将半导体片3插入炉管2中时周围空气会同半导体片3一起被导入炉管2的内部空间中。
下面，将讨论常用的工艺步骤。
通常，在多晶硅低压化学汽相淀积法中，是将半导体片3和舟4在炉管2内部空间内N2气流动的情况下插入炉管2中，接着，炉管2中的气体借助于真空泵5排出，以建立真空条件(大约0.75乇)。然后，通过将硅烷气作为原料气体由导入口7而导入，使多晶硅层在半导体片3的表面上生长。接下来，将N2气通过导入口6导入炉管2的内部空间用以清洗。随后，保持向炉管2提供N2气，将盖10打开，以便从炉管2中取出半导体片3。
另一方面，作为一种用以避免被带入具有半导体片3的炉管中的少量氧的影响的方法，可将半导体片3插入维持炉内温度处于低温的炉管2中，然后，在炉内建立真空条件，炉的内部空间通过导入N2气而得到清洗，此后，升高炉内温度以进行热处理。该方法已被公开在所述日本未审查专利公开号昭和59-35433中。另一方面，日本未审查专利公开号平成2-20328公开了一种用以进行热处理的方法，它是通过在炉管的开口部分上提供一初步真空室，首先将保持半导体片的片舟放置在初步真空室内，接着将惰性气体导入初步真空室，用以由惰性气体来代替初步真空室中的气体，然后，将保持半导体片的舟从初步真空室传递到炉管以进行热处理。
然而，在用于半导体器件的常用热处理设备中，所遇到的问题在于，大直径炉管2本身在插入支撑半导体片3的舟4时就会具有较大的将周围空气导入炉管2中的可能性。
另一方面，由于炉内热分布的不均匀，就会出现用于半导体片3热处理条件变化，其取决于舟4内各个半导体片3的位置。
例如，当用作发射电极的多晶硅层通过低压化学汽相淀积法而生长时，由于周围空气会进入到炉管中以及炉的温度分布不均匀，则在发射极接触部分上所形成的天然氧化层会具有在各片上相对较大的厚度上的局部起伏、许多片之间厚度上的起伏以及批量处理之间厚度上的起伏。如上所述，会在具有较大起伏的天然氧化层上形成用作发射电极的多晶硅层。结果，出现双极晶体管hFE上的波动，并且使产量降低。
另一方面，即使采用通过在维持炉中处于低温之后将半导体片插入以防止周围空气进入的方法，也会由于在低温下插入半导体片以后进行热处理，而使其需要长的处理周期，或使设备加大。
进一步地说，即使采用通过提供初步真空室并通过将半导体片放于初步真空室内的惰性气氛中，然后将半导体片传递到炉管中的方法，也会同样地使加工周期增长，并使设备加大。
本发明的目的就是提供一种半导体器件的制造方法，其允许在发射极接触部分上形成均匀的天然氧化层，改善在低压化学汽相淀积处理工艺中的控制能力，并消除在各片中hFE的波动、各片之间的波动以及批量处理之间的波动，而不会使设备尺寸的增加，以及处理周期的加长。
按照本发明，半导体器件的制造方法包括下列步骤将热处理室的内部空间保持在含有75至95vol％N2和5至25vol％O2的混合气氛下；将半导体片在所述混合气氛下插入热处理室中；并且对热处理室内的半导体片进行热处理。
热处理方法可以是多晶硅层的低压化学汽相淀积步骤，其形成了双极晶体管的发射电极。
在本发明中，将热处理室的内部空间保持在含有75至95vol％N2和5至25vol％O2的混合气氛下，用以避免周围空气同半导体片一起进入，并用以保持在半导体基片插入之前和以后的氧气浓度恒定以避免周围空气进入的影响。在由发明人所进行的实验中，已经发现，在氧气流动速率为5至25％的范围内可以获得类似的效果，因此，氧气流动速度优选的范围是5至25％，最好是在18至22％的范围内，并且其余部分是惰性气体如N2。
如上所述，根据本发明，在安置半导体片以前，在热处理室中提供含有5至25vol％，最好是20vol％的O2和95至75vol％，最好是80vol％的N2的混合气体，以保持热处理室的内部空间处于混合气体的气氛下。由此，能够防止在将半导体片插入炉管中时使周围空气进入其中，以便允许形成均匀厚度的天然氧化层。因此，当将本发明用于制造双极晶体管时，在发射极接触部分上所形成的天然氧化层的厚度会变得均匀，以降低片中、各片之间以及批量处理之间hFE的波动，从而改善了hFE的控制能力。
本发明将通过下列详细描述和所附发明优选实施例的附图而更加全面地得到理解，然而，其不应作为对本发明的限制，而其只作为解释和理解。
在附图中图1是NPN型双极晶体管发射极的截面；图2是用于半导体器件制造中常用热处理设备的截面；图3是按照本发明的热处理设备一实施例的截面；图4是一曲线图，它表示按照本发明在炉管内氧气浓度的变化；和图5A和5B是曲线图，其表示在常用炉管内氧气浓度的变化，并且表示出半导体片在炉管中的位置关系。
下面将参照附图根据优选实施例详细地讨论本发明。在下列描述中，为了对本发明全面地理解，将描述许多具体细节。然而，对本技术领域的普通专业人员来说将会很明显，本发明设有这些具体细节也是可以实用的。在另外的情况下，为了忽略本发明不必要的部分，对公知结构没有详细地示出。
图3是一截面，它表示按照本发明热处理设备的一实施例。在图3中，与图2中所示常用热处理设备的类似部件将通过类似的参考数字来表示，而对其详细的描述将会被忽略，用以使公开得到简化，而其足以利于本发明的理解。
在所示实施例中，热处理设备是由炉体1，安装在炉体1上的炉管2，用以支撑半导体片3的舟4，用以在炉管2内建立真空条件的真空泵5，和将原料气体导入炉管2中的原料气体导入口7而构成，其设备具有与常用设备类似的结构。
在所示实施例中，代替常用导入口6，可在端壁8上提供与O2气供气缸(未示出)相连的具有气体导入口11a和与N2气供气缸(未示出)相连的气体导入口11b的气体导入口11。通过各个导入口11a和11b所提供的O2气和N2气在导入口11中混合，并作为一种混合气而提供到炉管2中。
下面，将参照图3和4讨论所示实施例的操作。图4是一曲线，它表示在图3所示热处理设备所示实施例的炉管2中氧气浓度相对于在炉管2中所经过的处理时间的变化。
首先，在半导体器件制造方法中，用以将保持半导体片3的舟4插入的步骤中，可将具有与周围空气实质上相同组成的混合气，如近似80％的N2和近似20％的O2，提供到炉管2中。通过产生的N2和O2的混合气流，可成功地防止在盖10打开情况下周围空气的进入，并且在炉管2中氧气浓度可以保持恒定。在这种条件下，可将半导体片3和舟4插入炉管2中。
另外，只有将N2气通过气体导入口11b导入炉管2中，才可使N2气流用N2气代替片3的气氛。在N2气代替工艺的中间过程中，将盖10安装在炉管2的开口9上。
在完成了N2取代以后，将N2气排空以借助于真空泵5在炉管2内建立真空压条件。
接着，将硅烷气通过原料气导入口7导入炉管2中，以在半导体片3上淀积约2000的多晶硅层。完后，终止将原料气供入炉管2中，再将N2气通过气体导入口11a导入炉管2中，用以使用N2气来代替炉管中的气体。然后，从炉管中取出半导体片3和舟4。
在所示实施例中，如图4所示，当将半导体片3设置在炉管2中时，炉管2中的气氛是由N2和O2的混合气体所占有，O2气的浓度保持恒定直到半导体片3被插入到炉管2中。
图5A和5B是曲线图，它表示常用炉管内氧气浓度的变化，并图解地示出了半导体片在炉管内的位置关系。
如图5A中所示，在常用处理方法中，已进行了热处理工艺，在N2气流动下插入半导体片，N2清洗，真空导入，多晶硅生长，N2清洗和取出半导体片。在炉管2中，由于半导体插入时要向炉管2中提供N2气，所以在将半导体片设置在炉管2中时使氧气浓度下降，如图5A所示。
那么，氧气浓度下降的时间在定位于舟4起始端上的片A上和在定位于舟4的末端位置上的片B上是不同的，如图5B所示。
因此，在现有技术中，如图5A和5B所示，在起始侧上的片A与在末端侧上的片B对于暴露于O2气中的时间周期是有所不同的。因此，不可避免地会形成具有厚度起伏的天然氧化层。
与此相比，按照如本发明制造方法所示实施例，使氧气浓度在所有片上同时降低，从而成功地避免了在形成天然氧化层时周围空气进入的影响。也就是说，如图4中所示，在每片上、各片之间和成批处理之间在经过的时间中，氧气浓度变化的差异可以被消除。因此，在发射极接触部分上形成了厚度几乎没有起伏的均匀天然氧化层，从而改善了hFE的控制能力。
如前所述，按照本发明，可以成功地避免周围空气的进入，也就是说，在将半导体片放置于炉中时避免了周围空气进入清洁室中。因此，在形成多晶硅层的处理工艺过程中形成了均匀厚度的天然氧化层。因此，通过将所示实施例应用于双极晶体管的制造方法，会使在发射极接触部分上所形成的天然氧化层的厚度均匀。由此，消除了在每片上，各片之间以及成批处理之间hFE的波动，从而改善了hFE的控制能力。
实际上，当在常用制造方法中hFE的波动(最大值/最小值)为2至3时，本发明可以减小hFE的波动达到1.5至2。
另外，如图3中所示，由于在热处理设备中只需要附加O2导入口，因此，本发明与常用设备相比将不会使处理成本增加。还有，如图4和5A之间的比较可以清楚地看到，处理周期也不会常用处理工艺延的更长。采用本发明，为了降低hFE的波动，可以获得产量上10％的改进。
虽然对于本发明就其图解实施例已经进行了说明和描述，但应当理解，本技术领域的普通专业人员可以对其进行上述的和任何各种其它的变化，省略和添加，但其均不会脱离本发明的精神和范围。因此，上面表述的具体实施例不应理解为对本发明的限制，而是就后续权利要求所表述的特征而言包括了所有可能的实施例，其可以在所包括的范围内和等价情况下实施。
例如，当本发明已以最佳实施例的形式加以了讨论时，其涉及热处理炉的结构，以图3所示热处理设备作为例子，本发明不应被限制于所示结构。本发明还可应用于用于半导体器件的设备，其中可将半导体片从在室温下环境压力条件下引入在比室温高的温度下的反应装置中，如灯退火炉等等。
权利要求
1.一种半导体器件的制造方法，它包括下列步骤保持热处理室的内部空间在包含75至95vol％N2和5至25vol％O2的混合气氛下；将半导体片在所述混合气氛下插入所述热处理室中；和对热处理室内半导体片进行热处理。
2.如权利要求1的半导体器件的制造方法，其中所述热处理方法是多晶硅层的低压化学汽相淀积步骤。
3.如权利要求2的半导体器件的制造方法，其中所述多晶层形成双极晶体管的发射电极。
4.如权利要求1的半导体器件的制造方法，其进一步包括下列步骤在将所述半导体片插入到所述热处理室内的所述步骤和进行热处理的所述步骤之间用N2气对所述热处理室进行清洗。
5.如权利要求1的半导体器件的制造方法，其进一步包括下列步骤在所述进行热处理步骤以后用N2气对所述热处理室进行清洗。
6.如权利要求1的半导体器件的制造方法，其中所述热处理室是一炉管。
全文摘要
在热处理设备的炉管中，为保持热处理炉管的内部空间处于混合气体的气氛中，包含5至25vol％，最好是20vol％的O
文档编号H01L21/285GK1130305SQ9511992
公开日1996年9月4日 申请日期1995年10月14日 优先权日1994年10月14日
发明者广兼宗彦 申请人:日本电气株式会社