Способ получения исходного поликристаллического кремния в виде широких пластин с малой концентрацией фоновых примесей

 

Изобретение относится к получению полупроводниковых материалов и может быть использовано для производства исходного поликристаллического кремния осаждением на нагретые основы в процессе водородного восстановления хлорсиланов или из газовой фазы моносилана. Сущность изобретения: способ включает размещение в реакторе химически инертной к пару или парогазовой смеси плоской основы с удельным сопротивлением в интервале от 1•10^-3 до 50,0 Ом•см, подачу потока пара моносилана или парогазовой смеси силана с водородом вдоль поверхности плоской основы, нагревание основы протекающим током, осаждение на нее кремния, извлечение плоской основы с осажденным кремнием из реактора и срезание с нее кремния с сохранением осажденного слоя не менее 2 мм, очистку поверхности среза шлифованием, травлением и отмывкой в деионизованной воде. Для снижения неконтролируемого загрязнения получаемого материала плоские основы предварительно обрабатывают в течение часа при 1200-1400^oС, после чего покрывают слоем кремния, восстановленного из трихлосилана водородом толщиной не менее 0,1 см. После этого концевые участки основ с открытой поверхностью покрывают слоем серебра или меди. Кроме того, в качестве плоских основ могут быть использованы чистые пластины или полосы кремния, срезанные после осаждения, травления и отмывки, или плоские основы, разрезанные по проводящей исходной основе после осаждения кремния и очищенные шлифовкой, травлением и отмывкой. Изобретение позволяет повысить качество получаемого материала при сохранении высокой производительности процесса. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники Изобретение относится к области ласти получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для производства исходного поликристаллического кремния осаждением на нагретые основы в процессе водородного восстановления хлорсиланов или из газовой фазы моносилана.

Предшествующий уровень Известны различные способы получения исходного поликристаллического кремния в виде широких пластин, включающие размещение в реакторе плоской основы, подачу потока пара или паро-газовой смеси вдоль поверхности плоской основы, нагревание плоской основы протекающим током, осаждение на плоскую основу кремния из пара или паро-газовой смеси, извлечение плоской основы с осажденным кремнием из реактора, обработку срезанием с основы осажденного кремния, травление и отмывку основы и срезанного материала [1, 2].

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому является способ, согласно которому в качестве плоских основ используют химически инертные к пару или к паро-газовой смеси материалы с удельным сопротивлением в интервале от 1•10^-3 до 50,0 Ом•см [2].

Способ обеспечивает высокую производительность процессов осаждения при простом и дешевом их технологическом оформлении. К ограничению способа следует отнести более высокое загрязнение поликремния углеродом и другими примесями, поступающим с поверхности плоских основ в результате их испарения и химического взаимодействия с кислородом в системе примесь - О_2г - Si_тв при высокой температуре.

Наличие кислорода в рабочей камере обычно связано с неконтролируемым его поступлением из воздуха, либо с десорбцией окклюдированных молекул кислорода на охлажденной внутренней поверхности аппаратуры и, особенно, на поверхности графита. Он может также поступать в виде примеси газовых сред, например, водорода и трихлорсилана.

Взаимодействие кислорода с углеродом или кремнием может проходить по реакциям: 2Si + O₂ = 2SiO 2C + O₂ = 2CO 4C + 3O₂ = 2CO + 2CO₂ В связи с тем, что до 1200К кремний практически инертен по отношению к кислороду и крайне медленно окисляется при дальнейшем нагреве, а в кинетическом отношении полимолекулярные реакции уступают более простым, следует ожидать, что кислород будет прежде всего взаимодействовать с углеродом с образованием СО, который легко десорбируется с поверхности графитового изделия и может быть распространяться по всему рабочему объему. В этих условиях нагретый кремний может непрерывно контактировать со средой, содержащей СО, и, в случае диспропорционирования, с СО₂.

На основании изложенного была экспериментально подтверждена вероятность протекания гетерогенных реакций между нагретым кремнием и оксидами углерода окружающей среды [3], приводящих к окислению кремния с одновременным карбидообразованием по уравнениям: 4Si + 2CO = 2SiC + 2SiO 2SiO + CO₂ = SiC + SiO₂ 3Si + 2CO = 2SiO + SiO₂
3Si + CO₂ = SiC + 2SiO
3Si + 3CO₂ = SiC + 2SiO₂ + 2CО
Аналогичный механизм поступления примесей в кремний был установлен на примере примеси фосфора.

Таким образом, снижение уровня загрязнения поликристаллического кремния фоновыми примесями и повышение качества получаемого материала может быть достигнуто защитой открытых поверхностей плоских основ после прокалки осаждением на них особо чистых защитных материалов, снижением количества кислорода, поступающего в реактор, и снижением уровня загрязнения силанов и водорода. Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного способа, это повышение качества получаемого материала путем снижения концентрации фоновых примесей (особенно углерода) при сохранении достигнутой высокой производительности процесса осаждения кремния на широкие плоские основы.

Раскрытие изобретения
Для решения поставленной задачи в способе получения исходного поликристаллического кремния в виде широких пластин, включающем размещение в реакторе химически инертной к пару или паро-газовой смеси плоской основы с удельным сопротивлением в интервале от 1•10^-3 до 50,0 Ом•см, подачу потока пара моносилана или паро-газовой смеси силана с водородом вдоль поверхности плоской основы, нагревание основы протекающим током, осаждение на нее кремния, извлечение плоской основы с осажденным кремнием из реактора и срезание с нее кремния с сохранением осажденного слоя не менее 2 мм, очистку поверхности среза шлифованием, травлением и отмывкой в деионизованной воде, для снижения неконтролируемого загрязнения получаемого материала, плоские основы предварительно обрабатывают в течение часа при температуре 1200-1400^oС, после чего покрывают слоем кремния, восстановленного из трихлорсилана водородом, толщиной не менее 0,1 см.

Поставленная задача снижения уровня загрязнения поликристаллического кремния в процессе его осаждения на широкие основы может быть решена путем различного использования основ.

В качестве плоских основ для осаждения используют чистые пластины или полосы кремния, срезанные после осаждения, травления и отмывки.

Для создания стартового разогрева основ из чистого кремния с высоким удельным сопротивлением, их используют совместно с основами, содержащими проводящий слой, покрытый слоем чистого кремния толщиной не менее 1,5 мм, препятствующий неконтролируемому загрязнению.

В качестве плоских основ используют пластины или полосы, полученные после разреза основы с осажденным кремнием по проводящей исходной основе и обработанные затем шлифованием, травлением и отмывкой.

Для снижения загрязнения осажденного кремния и улучшения контактов между токовводами и плоскими проводящими основами, открытые поверхности концевых участков плоских основ покрывают слоем серебра или меди, после чего очищают и используют для осаждения кремния.

На фиг.1, 2 представлена схема аппарата водородного восстановления кремния, где 1, 7 - корпус аппарата; 2 - клеммы; 3 - основы для осаждения кремния; 4 - вход паро-газовой смеси; 5 - выход паро-газовой смеси; 6 - токовводы; 8 - смотровое окно; 9 - подвод паро-газовой смеси; 10 - сетка; 11 - дополнительный подвод смеси.

На фиг.3, 4 показана основа с осажденным кремнием (продольное и поперечное сечения), где 1 - основа; 2 - осажденный кремний; 3 - не срезаемый загрязненный слой кремния; 4 - линии разрезов (пунктир).

Пример 1. В камере водородного восстановления трихлорсилана получают исходный поликристаллический кремний осаждением на нагретые после термообработки плоские основы из химически нейтрального материала без предварительного покрытия поверхности осажденным кремнием. Основы включают последовательно по одной в каждую фазу. Осажденный кремний удаляют срезанием алмазными пилами, оставляя не менее 2 мм материала с каждой стороны. Перед повторной загрузкой с поверхности среза плоских основ сошлифовывают по 1,0 мм кремния, после чего проводят травление и отмывку в деионизованной воде. Срезанный материал подвергают такой же обработке.

Содержание в осажденном поликремнии углерода, характеризующее общий уровень загрязнения материала, соответствует, по результатам анализа, концентрации от 3•10¹⁷ до 1•10¹⁷ см^-3.

Повторный анализ кремния, осажденного на широкие основы, поверхность которых была предварительно термообработана при температуре выше 1200^oС и покрыта затем слоем кремния, а концевые части слоем меди толщиной 0,1 см, показал наличие углерода в количестве (2-4)•10¹⁶ см^-3. Остаточное количество углерода, по-видимому, связано, с его поступлением, как и других примесей, из трихлорсилана и водорода, а также с натеканием кислорода в реактор.

Пример 2. В том же устройстве получают исходный поликристаллический кремний. В качестве плоских основ совместно используют пластины чистого кремния, срезанные после осаждения, и повторно используемые основы со слоем кремния дополнительно очищенные шлифованием, травлением и отмывкой. Размеры и режимы получения кремния аналогичны примеру 1. Подготовка основ, проведение процесса и его результаты также аналогичны. Результаты анализа на содержание углерода - 1•10¹⁶ 3•10¹⁶ см^-3 соответственно.

Таким образом, проведение предложенной дополнительной обработки широких пластин - основ из инородного материала позволяет получать исходный кремний с минимальным неконтролируемым загрязнением при высоком качестве сырья и хим. реактивов.

Источники информации
1. Патент ФРГ 2541284, С 30 В 25/02, опубл. 1977 г.

2. Патент России 2158324, С 30 В 29/06; С 30 В 25/02, 25/18. Опубл. Бюллетень изобретений 30, 2000 г.

3. Белов С. Т., Добровенский В.В. Известия Академии Наук СССР. Неорганические материалы, том 17, 5, 1981 г.

Формула изобретения

1. Способ получения исходного поликристаллического кремния в виде широких пластин, включающий размещение в реакторе химически инертной к пару или парогазовой смеси плоской основы с удельным сопротивлением в интервале от 1·10^-3 до 50,0 Ом·см, подачу потока пара моносилана или парогазовой смеси силана с водородом вдоль поверхности плоской основы, нагревание основы протекающим током, осаждение на нее кремния, извлечение плоской основы с осажденным кремнием из реактора и срезание с нее кремния с сохранением осажденного слоя не менее 2 мм, очистку поверхности среза шлифованием, травлением и отмывкой в деионизованной воде, отличающийся тем, что для снижения неконтролируемого загрязнения получаемого материала плоские основы предварительно обрабатывают в течение 1 ч при 1200-1400°С, после чего покрывают слоем кремния, восстановленного из трихлосилана водородом, толщиной не менее 0,1 см.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плоских основ для осаждения используют чистые пластины или полосы кремния, срезанные после осаждения, травления и отмывки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для создания стартового разогрева основ из чистого кремния с высоким удельным сопротивлением их используют совместно с основами, содержащими проводящий слой, покрытый слоем чистого кремния толщиной не менее 1,5 мм, препятствующий неконтролируемому загрязнению.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве плоских основ используют пластины или полосы, полученные после разреза основы с осажденным кремнием по проводящей исходной основе и обработанные затем шлифованием, травлением и отмывкой.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что для снижения загрязнения осажденного кремния и улучшения контактов между токовводами и плоскими проводящими основами открытые поверхности концевых участков плоских основ покрывают слоем серебра или меди, после чего очищают и используют для осаждения кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4