Способ осаждения полупроводникового кремния Советский патент 1992 года по МПК C01B33/02 

Изобретение относится к неорганической химии, конкретно к получению особо чистого поликристаллического кремния, используемого в качестве исходного материала в полупроводниковой технике.

Известен способ получения полупроводникового кремния из смеси водорода с тетрахлорсиланом и трихлорсиланом.

Недостатком этого способа, особенно при использовании смеси водорода с тетрахлорсиланом, является низкая скорость осаждения кремния, а также большой расход водорода и электроэнергии,извлечение

кремния менее 10%, скорость осаждения кремния около 1 кг/ч.

При использовании смеси водорода с трихлорсиланом скорость осаждения кремния повышается, однако существенная часть трихлорсилана гидрохлорируется, в результате чего на выходе реактора понижается доля трихлорсилана в смеси хлорсиланов и повышается доля тетрахлорсилана, что снижает экономические показатели производства, поскольку процессы осаждения кремния проводят в режиме рециркуляции, непрореагировавшие трихлорсилан и дихxi

00 N5 Ю СО

О

д

лорсилан конденсируют, очищают и вновь направляют на восстановление.

Известен также способ осаждения кремния высокой чистоты на разогреваемых прямым пропусканием электрического тока до температуры 8БО°С кремниевых подложках, устанавливаемых вертикально п реакторе, при котором в качестве кремний- содержащего реагента используют моноси- лан.

Этот известный способ обладает следующими основными недостатками.

Скорость осаждения кремния недопа- точно высока, так как необходимо разбяв- лять моносилан водородом и ограничивать подачу реагентов, чтобы уменьшить пыпо- дение аморфного кремния п объеме реактора и осаждение его на стенках. На практике даже при всех известных технологических решениях не менее 10% кремния герлется безвозвратно

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран способ осаждения чистого полупроводникового материала, преимущественно кремния, путем термического разложения газообразного соединения этого полупроводникового материала из разогреваемых прямым пропусканием электрическо- го тока до температуры разложения подложках из того же материала, при котором для получения кремния используют смесь трихлорсилана и водорода, причем доля трихлорсилана равна 30-60% объемных, а доля водорода составляет от 40 до 70% объемных.

Недостатком этого известною способа является низкий коэффициент изглечения кремния из трихлорсилана, не более 11- 17%, при скорости осаждения кремнии около 4,0 кг/ч.

Иепрореагпровавшая часть трихлорсилана гидрохлорируется частично до тетрах- лорсилапа. В среднем на выходе из реактора в газовой смеси хлпрсилзнов оказывается около70% объемныхтетрахлорси- ланэитолькоЗО% объемных трихлорсилана и около 0,1 % объемных дихлорСилана

Целью изобретения является увеличение скорости осаждения и коэффициента извлечения кремния за счет увеличения доли дих- лорсилана и трихлорсилана на выходе из реактора, а также за счет предотвращения образования аморфного кремния.

Поставленная цель достигается способом осаждения полупроводникового кремния путем термического разложения смеси трихлорсилана с водородом на кремниевых подложках, установленных вертикально в реакторе, при пропускании через них электрического тока с образованием смеси ди-,

три- и тетрзхлорсиланп п качестве побочных продуктов реакции, возврата ди- и трихлорсилана па разложение, при котором образующийся на выходе

реактора тетрэхлороилаи предварительно СМРШИВЭЮГ с моносиланом п возвращают на стадию термического разложения, при этом количество моносилана от общего количество хлорсиланов, подаваемых в реак0 тор, составляет 20-50% объемных.

Известны технические решения, о которых используют в качестве кремнийсодер- жащего компонента моносилон, однако в этом случае сгоростьокаждрния кремния не

5 удается получить достаточно высокой из-за выпадения аморфного кремния в объеме реактора и на его стенках. Для уменьшения влияния этого нежелательного эффекта приходится разбавлять моносилан водородом,

0 уменьшать его расход, снижать температуру поверхности кремниевых стержней.

Использование тетрахлорсилана вместо трихпорсила ia или совмест но с тр ихлор- силаном во всех случаях снижает скорость

5 осаждении и извлечения кремния, а также долю трихлорсиланаи дихлорсилапа в смеси хлорсиланов на пыходе реактора по сравнению с использованием только смеси водорода с трихлорсиланом.

0 При подече на вход реактора в качестве кремнийсод ржащих компонентов хлорси- лопоа п моносилана образующийся о результате химических реакций хлористый водооод препятствует образованию аморф5 него кремния, практически мгновенно переводя его п различные виды хлорсилаиоп.

Причем в силу выбранных условий термодинамика системы Si-H-CI такова, что объемные доли трихлорсилана и дихлорси0 лаиа суммарно превышаю объемные доли тетра ,/юрсилана на оычоде реакторов.

В известном решении увеличение плотности подачи моиосилана для повышения скороС)Иосаждения кремниятермодинами5 чески невыгодно, так как ведет к выпадению аморфного кремния в объеме реактора и на его стенках, что является принципиальным недостатком способа.

В предлагаемом решении выпадение

0 аморфного кремния в объеме реактора и па его стенках невозможно,

Отметим, что предлагаемый способ позволяет широко использовать гетрах- лорсилан, сохраняя высокие технико-эко5 ионические показатели производства, что недостижимо по всех других известных способах.

Пример 1. Проеодилось 5 экспериментов в установке с ьысогой стержней 2,0 м, ко-нмзс;оом стержней - 18. Начальный

диаметр кремниевых стержней-подложек - 7 мм. Конечный диаметр около 110 мм, масса полученного кремния около 830 кг,

После начальною нагрепа стержней- подложек с помощью плазмотрона и подведе- ния повышенного напряжения температура поверхности стержней поддерживалась на уровне 1050°С При этом сила гока изменялась от 35 А до 2000 Л.

В каждом эксперименте молярное DTI to- шение водорода к кроммийсодержащим компонентам поддерживалось на уровне 5:

Н2

г/1 -, ;

SiCU + SUM

-5

Доля моносилана в смеси кремнийсо- держащих компонентов для каждого процесса была 60, 50; 33; 20,5; 16,6 об %.

Результаты испытаний сведены втабли-

цу 1.

Из анализа результатов следует, что предпочтительно поддерживать отношение

Q

5IH4X 100 SiCM

50-33%.

Если величина , то отношение реального выхода кремния к равновесному снижается до 55%, следовательно, исполь- зоваиие мопосилапа ухудшается, что экономически нецелесообразно.

Если величина ,6%,тодолятетрах- лорсилана в смеси хлорсиланов возрастает,

доля дихлорсилана мала.

В результате экономические показатели процесса снижаются.

Оптимальные результаты, по совокупности параметров (скорость осаждения кремния, долятряхлорсилана идихлорсила- на в смеси хлорсилаиов на выходе реактора, степень использования моносилана), достигаются когда .

В прототипе коэффициент извлечения кремния не более 11-17% при скорости

5

10

15

0

5

0

5

0

5

осаждения кремгия около 4 кг/ч, в предлагаемом способе, Р зависимости от доли мо- посплапа, - от 17,2 до 33%.

Использование предлагаемого способа веде к1 м г процесса осаждения кремния обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

повышенно скорости осаждения кремния при высоком значении коэффициента извлечения кремния; в существующих способах повышение скорости осаждения кремния связано с увеличением расходов крсмиинсодержащих компонентов, что веде г к снижению коэффициента извлечения кремния;

увеличение доли трихлорсилана и дих- лорсилеиз в смеси хлорсиланов на выходе реактора повышает техннко-экономич еские показатели производства, так как трихлор- силан и дихлорсилаи после отделения от гетрахлорсилана, хлористого водорода, водорода и очистки используются повторно,

Формула изобретения

Способ осахдения полупроводникового кромпил путем термического разложения смеси трихлорсилана с водородом на кремниевых подложках, установленных верти- i-алыю в реакторе при пропускании через них электрического тока с образованием на выходе из реактора смеси ди-, три- и тетрах- лорсилана в качестве побочных продуктов реакции, возврата ди- и трихлорсилана на разложение, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости осаждения и коэффициента извлечения кремния за счет увеличения доли дихлорсилана и трихлорсилана в образовавшейся смеси, а также за счет предотвращения образования аморфного кремния, образующийся на выходе реактора гограхлорсилан предварительно смешивают с моносиланом и возвращают на стадию термического разложения, при этом количество моносилана от общего количества хлорсиланов составляет 20-50 об.

%.

Назначение: к области получения особо чистого поликристаллического кремния, используемого в качестве исходного материала в полупроводниковой технике путем термического разложения смеси трихлор- силана с водородом на кремниевых подложках, установленных вертикально в реакторе, при пропускании через них электрического тока с образованием смеси ди-, три-и тетрахлорсилана в качестве побочных продуктов реакции, возврата ди- й трйхлбр- силана на разложение. Сущность: образующийся на выходе реактора тетрахлорсилан предварительно смешивают с моносйланом и возвращают на стадию термического разложения, при этом количество моносилана от общего количества хлорсиланов, подаваемых в реактор, составляет 20-50 об. %. Коэффициент извлечения кремния в зависимости от доли моносилана от 17,2 до 23%. 1 табл. СО С