Способ осаждения полупроводникового кремния
Назначение: к области получения особо чистого поликристаллического кремния, используемого в качестве исходного материала в полупроводниковой технике 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 тетрахлорсилана в качестве побочных продуктов реакции, возврата дий трйхлбрсилана 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
COIO3 СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 С 01 В 33/02
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
2 . (21) 4883678/26 (22) 01 10.90 (46) 23,12.92. Бюл. М 47 (71) Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометалпической промышленности (72) Э.П.Бочкарев, Л.С.Иванов и Д.Я.Ровенский (56) Реньян В.P. Технология полупроводникового кремния, M. Металлургия, 1969, с.
23 — 26.
Defining the future of polysillcon technology, Проспект фирмы "Union Carbide" б 1989.
Патент ФРГ N 2854707, кл. С 30 В 325/08, В 01 J 17/32, 10.12.89. (54) СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРЕМНИЯ (57) Назначение: к области получения особо чистого поликристаллического кремния, исИзобретение 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
БЫ, 178293с> А1 пользуемого в качестве исходного материала в полупроводниковой технике 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 тетрахпорсилана в качестве побочных продуктов реакции, возврата ди= и T pMxll0 рсилана на разложение. Сущность: образующийся на выходе реактора тетрахлорсилан предварительно смешивают с моносиланом 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. кремния менее 10%, скорость осаждения кремния около 1 кг/ч.
При использовании смеси водорода с трихлорсиланом скорость оса>кденйя кремния повышается, однако существенная часть трихлорсилана гидрохлорируется, в результате чего на выходе реактора понижается доля трихлорсилана в смеси хлорсиланов и повышается доля тетрахпорсилана, что снижает экономические показатели производства, поскольку процессы осаждения кремния проводят в режиме рециркуляции, непрореагировввшие трихпорсилан и дих1782936 лорсилан конденсируРот, очищаРот и вновь направляРот на восстановление.
Известен также способ осаждения кремния высокой чистоты на разогреваемых прямым пропусканием электрического 5 тока до температуры 850 С кремниевых подло>кках, устанавливаемых вертикально В реакторе, при котором В качестве кремнийсодер>кащего реагента использу!от моносилан, 10
Этот известный способ обладает следуРощими основными недостатками.
Скорость осаждения кремния недостаточно высока, так как необходимо разбавPflTL моносилаР! Водородом vt Ограничивать 15 подачу реагентов, чтобы уменьшить Выпадение аморфного кремния В объеме реактора и осаждение его на стенках, На практике даже при всех известных тех гологических ре ениях не менее 10% кремния теряется 20 безвозвратно, Б качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран способ оса>кдения «f4c-. того полупроводникового материала, преимущественно кремния, путем термического 25 разложения газообразного соединения этого полупроводникового материала IIG разогреваемых прямым пропусканием электрического тока до температуры разло>кения подло>кках изтого>ке материала, при котором 30 для получения кремния используРот смесь трихлорсилана и Водорода, причем долл трихлорсилана равна 30-60% объемных, а долл водорода составляет от 40 до 70% объемных. 35
Недостатком этого известного способа является низкий коэффициент извлечения кремния из трихлорсилана, на более 1117%, при скорости осаждения кремния около 4,0 кг/ч. eI0
Непрореагировавшал часть трихлорсилана гидрохлорируется частично до тетрахлорсилана. Б среднем на вы>:оде из реактора в газовой смеси хлорсиланов оказывается около 70% обьемных тетрахлорси- 15 лана и только 30% объемных трихлорсилана и около 0,1% объемных дихлорсилаР!а, Цел!,РО изобретения является увеличение скорости Осаждения и коэффициента извлечения кремния за счет увеличанил доли дих- 50 лорсилана и трихлорсилана на Выхода из реактора; а также за счет предотвращения образования аморфного кремния, Поставленная цель достигастся способом осаждения полупроводникового крем- 55 нил путем термического разло>ке!1ия смеси трихлорсилана с водородом на кремниевых подложках, установленных Dpðòèl
cMQífIBGIoT с Р40носиланом и ВозвращаРОт на cTGp!1IO TppMf4÷îcêoão разло>кения, при этом количество моносилана от общего l(оличаство хлорсиланов, подаваемых В р8актор, составллет 20-50% объeMHbl>;.
Известны технические реРиения, в которых использу!от в качсстве крамнийсодержащего компонента моносилан, однако в этом случае скорость окаждания кремния не удаатся получить достаточно DblcoKoA из-за выпадения аР40рфР Рого креР4ния D Объема pe" актора и на аго стенках. Для уменьшения
Влияния этого нежелательного эффекта приходится раэбавлять моносилан водородом, умеРРьшать его расход, снижать тампературу noBopx«ocTf! кремниевых стержней.
Использование тетрахлорсилана Вместо трихлорсилана или совместно с трихлорсиланом Do всех случаях снижает скорость осаждения и извлечеР!ия кремния, а также дол,о трихлорсилана и дихлорсилана в смеси xfIopc!4IIGI!08 на Выхода реактора flo cpGB нани!о с использованием только смеси
Водорода с трихлорсиланом, При подаче на Вход реактора в качестве кремнийсодержащих кoMïîíåèòîD хлорсила loD и моносилана образу!ощийся В результате химических реакций хлористый водород препятствуе образованиРо аморфного кремния„практически мгHQDQHHo переВодя его rf различные Виды хлорсиланов, Причем D силу выбранных условий термоди!Рамика системы Si-I-I-CI такова, что объемные доли трихлорсилана и дихлорсилана суммарно превышаРот объемные доли тетра;ьлорсилана РРВ выхода )QGI Б известном решении уваличение плотности подачи моносилана для повышанил скорости осаждения кремния тарР4одинаР4ичсски невыгодно, так как ведет к ВыпадениРо аморфного кремния в объеме реактора и на его стенках; что является принципиальным надостатко! способа. Б предлагаемом решении выпадение аморфного крамния D об: еме реактора и на его стенках навозмо>кно, Отметим, что предлагаемый способ r:îçDîï"QT широко использовать тетрахлорсилан, сохраняя высокие технико-эконо 4иРескиа показатели производства, что недости:кимо Е30 Всех других известных спо" COGG>„ П р и м а j 1. Проводилось 5 экспериментов в устаРРОВка с Высотой стержней 2,0 м, количеством старжнай — IG, Начальный 1782936 диаметр кремниевых стержней-подложек— 7 мм. Конечный диаметр около 110 мм, масса полученного кремния около 830 кг, После начального libel pGBB стер>кнейподложек с помощью плазмотрона и подведе- 5 ния повышенного напря>кения температура поверхности стержней поддерживалась на уровне 1050 С, При этом сила тока изменялась от 35 А до 2000 А. В каждом эксперименте малярное отно- 10 шение водорода к кремнийсодержащим компонентам поддерживалось на уровне 5: М=- —,— =-5. « 2 SiCI4 + $! Н4 Доля моносилана в смеси кремнийсодержаших компонентов для каждого процесса была 60; 50; 33; 20,5; 16,6 об. %. Результаты испытаний сведены в табли- 20 цу "° Из анализа резульгатов следует, что предпочтительно поддерживать отношение 0 Н 4 х 10 - 50 33% StCl4 + SiH4 Ес и величина 0=60%, то отношение реального выхода кремния к равновесному снижается до 55%, следовательно, исполь- 30 зование моносилана ухудшается, что экономически нецелесообразно, Если величина 0=16,6%, то доля тетрахлорсилана в смеси хлорсиланов возрастает, доля дихлорсилана мала, 35 В результате экономические показатели процесса снижаются, Оптимальные результаты, по совокупности параметров (скорость осаждения кремния, доля трихлорсилана и дихлорсила- 40 »а в смеси хлорсиланов на выходе реактора, степень использования моносилана), достигаотся когда 20%<0<50%. 0 прототипе коэффициент извлечения кремния не более 11-17";4 при скорости 45 осаждения кремния около 4 кг/ч, в предлагаемом способе, в зависимости от доли моносилана, — от 17,2 до 33% Использование предлагаемого способа ведения процесса осаждения кремния обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества; повышение скорости осаждения кремния при высоком значении коэффициента извлечения кремния; в существующих способах повышение скорости осаждения кремния связано с увеличением расходов кремнийсодер>кащих компонентов, что ведет к снижению коэффициента извлечекия Оо кремния; увеличение доли трихлорсилана и дихлорсилана в смеси хлорсиланов на выходе реактора повышает технико-зкономические показатели производства, так как трихлорсилан и дихлорсилан после отделения от тетрахлорсилана, хлористого водорода, водорода и очистки используются повторно, Формула изобретения Способ осаждения полупроводникового крем ил путем термического разложения смеси трихлорсилана с водородом на кремниевых подложках, установленных вертикально в реакторе при пропускании через них электрического тока с образованием на выхода из реактора смеси ди-, три- и тетрахлорсилана в качестве побочных продуктов реакции, возврата ди- и трихлорсилана на разложсние, отл ича ю щийся тем,что, с целью увеличения скорости осаждения и коэффициента извлечения кремния за счет увеличения доли дихлорсилана и трихлорсилана в образовавшейся смеси, а также за с ет предотвращения образования аморфного кремния, образующийся на выходе реактора тетрахлорсилан предварительно смешивают с моносиланом и возвращают на стадгво термического разложения, при этом количество моносилана от общего количества хлорсйланов составляет 20 — 50 об. 1782936 3000 3000 3000 3000 3000 83,4 83,4 83,4 83,4 83,4 360 300 200 120 100 8,3 3,3 5,5 2,77 240 400 300 480 500 6,6 8,3 13,3 13,85 20 16,7 5,6 2,86 5,18 4,16 2,44 31,3 24,8 17,2 14,5 SIHCh,об на выхо е 5,7 6,35 5 18 3,08 2,86 889 875 896 Hz об на выхо е 853 846 1,01 10.2 SICILY, об на выхо е 1,41 6,4 11,0 0,072 HCI, об на выхо е 0,096 0,5 1,29 1 48 SiHzClz, об на выхо3,63 3,24 0,475 О, I 0,0084 пизв./h авн. 60 84 Редактор Заказ 44Ь7 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент",. г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Расход водорода, моль/ч Объмная долевая часть водорода на вхое еакто а, Расход моносилана, моль/ч Объмная долевая часть моносилана на вхо е еакто а, Расход тетрахлорсилана моль/ч Объмная долевая часть тетрахлорсилана на вхо е еакто а, Скорость осаждения к емния кг/ч Коэф. извлечения, кремния, Составитель А. Кругляк Техред М.Моргентал Корректор Л. Филь
