DE102011077455A1 - Method for determination of impurities in silicon, comprises separating polycrystalline silicon using electrode with stream, preparing rod from single crystal silicon from solitary polycrystallines silicon, and analyzing crystalline rod - Google Patents
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung von Verunreinigungen in Silicium.The invention relates to a method for the determination of impurities in silicon.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, dass Rückschlüsse auf die Verunreinigungen im Reaktionsgas bei der Abscheidung von polykristallinem Silicium in einem Siemens-Reaktor zuläßt.In particular, the invention relates to a method that allows conclusions about the impurities in the reaction gas in the deposition of polycrystalline silicon in a Siemens reactor.
Beim Siemens-Prozess werden in einem glockenförmigen Reaktor dünne Filamentstäbe aus Silicium durch direkten Stromdurchgang erhitzt und ein Reaktionsgas enthaltend eine Silicium enthaltende Komponente und Wasserstoff eingeleitet.In the Siemens process thin filament rods made of silicon are heated in a bell-shaped reactor by direct current passage and a reaction gas containing a silicon-containing component and hydrogen is introduced.
Die Silicium enthaltende Komponente des Reaktionsgases ist in der Regel Monosilan oder ein Halogensilan der allgemeinen Zusammensetzung SiHnX4-n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I)The silicon-containing component of the reaction gas is usually monosilane or a halosilane of the general composition SiH n X 4-n (n = 0, 1, 2, 3, X = Cl, Br, I)
Bevorzugt handelt es sich um ein Chlorsilan oder Chlorsilangemisch, besonders bevorzugt um Trichlorsilan.It is preferably a chlorosilane or chlorosilane mixture, more preferably trichlorosilane.
Überwiegend wird SiH4 oder SiHCl3 (Trichlorsilan, TCS) im Gemisch mit Wasserstoff eingesetzt.Mostly SiH 4 or SiHCl 3 (trichlorosilane, TCS) is used in admixture with hydrogen.
In
Der Reaktorboden ist mit Elektroden versehen, die die Dünnstäbe aufnehmen, auf denen während des Wachstumsprozesses Silicium abgeschieden wird, die also zu den gewünschten Stäben aus Polysilicium wachsen. Üblicherweise werden jeweils zwei Dünnstäbe mit einer Brücke zu einem Dünnstabpaar verbunden, das über die Elektroden und über externe Vorrichtungen einen Stromkreis bilden, was dazu dient, die Stabpaare auf eine bestimmte Temperatur zu heizen.The bottom of the reactor is provided with electrodes which receive the thin rods on which silicon is deposited during the growth process, thus growing to the desired polysilicon rods. Typically, two thin rods are connected by a bridge to a pair of thin rods, which form a circuit via the electrodes and external devices, which serves to heat the rod pairs to a certain temperature.
Der Reaktorboden ist meist zusätzlich mit Düsen versehen, die den Reaktor mit frischem Gas versorgen. Das Abgas wird über Öffnungen wieder aus dem Reaktionsraum geführt.The reactor bottom is usually additionally provided with nozzles which supply the reactor with fresh gas. The exhaust gas is passed through openings again from the reaction space.
Die zugeführte Menge an Reaktionsgasen wird üblicherweise in Abhängigkeit vom Stabdurchmesser variiert, d. h. in der Regel mit zunehmendem Stabdurchmesser erhöht.The supplied amount of reaction gases is usually varied depending on the rod diameter, d. H. usually increased with increasing rod diameter.
An den erhitzten Stäben und der Brücke scheidet sich idealerweise hochreines Polysilicium ab, wodurch der Stabdurchmesser mit der Zeit anwächst.High-purity polysilicon is ideally deposited on the heated rods and bridge, increasing rod diameter over time.
Der Reinheitsgrad des abgeschiedenen Poylsilicums hängt ganz entscheidend von der Reinheit des Reaktionsgases ab.The degree of purity of the deposited Poylsilicums depends crucially on the purity of the reaction gas.
Beim Reaktionsgas kann es sich wie zuvor bereits erwähnt um Trichlorsilan (TSC) handeln.As already mentioned above, the reaction gas may be trichlorosilane (TSC).
Dieses TCS wird hauptsächlich über drei verschiedene Verfahren erzeugt.
- A) Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 + Nebenprodukte
- B) Si + 3SiCl4 + 2H2 → 4SiHCl3 + Nebenprodukte
- C) SiCl4 + H2 → SiHCl3 + HCl + Nebenprodukte
- A) Si + 3HCl → SiHCl 3 + H 2 + by-products
- B) Si + 3SiCl 4 + 2H 2 → 4SiHCl 3 + by-products
- C) SiCl 4 + H 2 → SiHCl 3 + HCl + by-products
Derart hergestelltes TCS weist Verunreinigungen z. B. mit Bor und Phosphor sowie Nebenprodukte wie Dichlorsilan (DCS) auf.Such produced TCS has impurities z. B. with boron and phosphorus and by-products such as dichlorosilane (DCS).
Daher muss das TCS beispielsweise durch destillative Verfahren gereinigt werden.Therefore, the TCS must be purified by distillation, for example.
Für die Abtrennung von Bor-Verunreinigungen aus TCS sind verschiedene Ansätze bekannt. Various approaches are known for the separation of boron contaminants from TCS.
Neben rein destillativen Verfahren sind im Stand der Technik auch Hydrolyse-, Komplexierungs- oder ein Adsorptionsschritt beschrieben.In addition to purely distillative processes, hydrolysis, complexing or adsorption steps are also described in the prior art.
In
In
In
Zur Prozesskontrolle ist es erforderlich, eine Überwachung der Bor- und Phosphorkonzentrationen im Trichlorsilan bzw. im Endprodukt Polysilicium vorzunehmen.For process control, it is necessary to monitor the boron and phosphorus concentrations in the trichlorosilane or in the end product polysilicon.
Dazu wird vorzugsweise in einem Siemens-Reaktor hergestelltes polykristallines Silicium auf entsprechende Verunreinigungen untersucht. For this purpose, preferably in a Siemens reactor produced polycrystalline silicon is examined for corresponding impurities.
Dazu ist es üblich, das erzeugte Polysilicium in einkristallines Material zu überführen.For this purpose, it is customary to convert the polysilicon produced into monocrystalline material.
Das einkristalline Material wird hinsichtlich Kohlenstoff sowie Dotierstoffen wie Aluminium, Bor, Phosphor und Arsen untersucht.The monocrystalline material is investigated with respect to carbon and dopants such as aluminum, boron, phosphorus and arsenic.
Dotierstoffe werden nach SEMI MF 1398 an einem aus dem polykristallinen Material erzeugten FZ-Einkristall (SEMI MF 1723) mittels Photolumineszenz analysiert.Dopants are analyzed by photoluminescence according to SEMI MF 1398 on an FZ single crystal (SEMI MF 1723) produced from the polycrystalline material.
Grundlagen des FZ-Verfahrens sind beispielsweise in der
Beim FZ-Verfahren wird ein polykristalliner Vorratsstab mit Hilfe einer Hochfrequenzspule nach und nach aufgeschmolzen und das schmelzflüssige Material durch Animpfen mit einem einkristallinen Impflingskristall und anschließendem Rekristallisieren in einen Einkristall überführt. Bei der Rekristallisation wird der Durchmesser des entstehenden Einkristalls zunächst kegelförmig vergrößert (Konusbildung) bis ein gewünschter Enddurchmesser erreicht ist (Stabbildung). In der Phase der Konusbildung wird der Einkristall auch mechanisch gestützt, um den dünnen Impflingskristall zu entlasten.In the FZ process, a polycrystalline stock rod is gradually melted by means of a high-frequency coil and the molten material is converted into a monocrystal by seeding with a monocrystalline seed crystal and subsequent recrystallization. In the recrystallization, the diameter of the resulting single crystal is first conically enlarged (cone formation) until a desired final diameter is reached (rod formation). In the cone formation phase, the single crystal is also mechanically supported to relieve the thin seed crystal.
Problematisch ist allerdings, dass die Gefahr besteht, dass bei der Abscheidung von Silicium die Reaktionsgase durch Bestandteile des Reaktors erneut mit Bor oder Phosphor verunreinigt werden. Dies Verunreinigungen finden sich dann auch im polykristallinen Silicium sowie im für die Messungen der Dotierstoffkonzentrationen erzeugten FZ-Silicium.The problem, however, is that there is a risk that in the deposition of silicon, the reaction gases are contaminated by constituents of the reactor again with boron or phosphorus. These impurities are then also found in the polycrystalline silicon and in the FZ silicon produced for the measurements of the dopant concentrations.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei herkömmlichen Reaktoren die Bor- und Phosphor-Anteile im Reaktionsgas und damit im abgeschiedenen Polysilicium wieder ansteigen können.The inventors have recognized that in conventional reactors, the boron and phosphorus components in the reaction gas and thus in the deposited polysilicon can rise again.
Aus dieser Problematik ergab sich die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung.From this problem, the task of the present invention resulted.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Verunreinigungen von Reaktionsgas in einem CVD-Reaktor, umfassend Abscheiden von polykristallinem Silicium auf wenigstens einem mittels einer Elektrode mit Strom versorgten und durch direkten Stromdurchgang erhitzen Filamentstab durch Einleiten von Reaktionsgas enthaltend eine Silicium enthaltende Komponente in den CVD-Reaktor, wobei ein Boden des CVD-Reaktors, auf dem die wenigstens eine Elektrode zur Stromversorgung des wenigstens einen Filamentstabs angeordnet ist, mit Silicium abgedeckt ist, Erzeugung eines Stabs aus einkristallinem Silicium aus dem abgeschiedenen polykristallinen Siliciumstab mittels Zonenziehen sowie Untersuchung des einkristallinen Siliciumstab auf Verunreinigungen mittels Photolumineszenzmessungen.The object of the invention is achieved by a method for determining the impurities of reaction gas in a CVD reactor, comprising depositing polycrystalline silicon on at least one supplied by an electrode and heated by direct current passage filament rod by introducing reaction gas containing a silicon-containing component in the CVD reactor, wherein a bottom of the CVD reactor, on which the at least one electrode for powering the at least one filament rod is arranged, is covered with silicon, generating a rod of monocrystalline silicon from the deposited polycrystalline silicon rod by means of zone pulling and examination of the monocrystalline silicon rod on impurities by means of photoluminescence measurements.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Reaktor zur Abscheidung von polykristallinem Silicium, umfassend eine Glocke aus Quarz, eine Bodenplatte beinhaltend wenigstens eine Öffnung für die Zufuhr von Reaktionsgas und wenigstens eine Öffnung für die Abführung von Abluft, eine Elektrode zur Aufnahme und zur Stromversorgung eines Filamentstabs, wobei die Bodenplatte eine Abdeckung aus Silicium aufweist.The object is also achieved by a reactor for the deposition of polycrystalline silicon, comprising a bell made of quartz, a bottom plate containing at least one opening for the supply of reaction gas and at least one opening for the discharge of exhaust air, an electrode for receiving and supplying power to a filament rod wherein the bottom plate has a silicon cover.
Durch Untersuchung der Verunreinigungen im einkristallinen, mittels FZ erzeugten Siliciumstab kann auf die Verunreinigungen im Reaktionsgas beim Abscheideprozess geschlossen werden,By examining the impurities in the monocrystalline silicon rod produced by FZ, it is possible to conclude the impurities in the reaction gas during the deposition process,
Die Silicium enthaltende Komponente des Reaktionsgases ist vorzugsweise Monosilan oder ein Halogensilan der allgemeinen Zusammensetzung SiHnX4-n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I)The silicon-containing component of the reaction gas is preferably monosilane or a halosilane of the general composition SiH n X 4-n (n = 0, 1, 2, 3, X = Cl, Br, I)
Bevorzugt handelt es sich um ein Chlorsilan oder um ein Chlorsilangemisch, besonders bevorzugt um Trichlorsilan.It is preferably a chlorosilane or a chlorosilane mixture, more preferably trichlorosilane.
Ganz besonders bevorzugt wird SiHCl3 (Trichlorsilan, TCS) im Gemisch mit Wasserstoff eingesetzt.Very particular preference is given to using SiHCl 3 (trichlorosilane, TCS) in admixture with hydrogen.
Erfindungswesentlich ist, dass der Boden des Reaktors bzw. die Bodenplatte mit Silicium abgedeckt ist.Essential to the invention is that the bottom of the reactor or the bottom plate is covered with silicon.
Vorzugsweise handelt es sich dabei um Silicium mit definiertem und möglichst niedrigem Dotierstoffgehalt.Preferably, this is silicon with a defined and the lowest possible dopant content.
Vorzugsweise handelt es sich um Silicium mit folgenden Dotierstoffkonzentrationen:
Bor max. 10 ppta und Phosphor max. 20 ppta.Preferably, it is silicon with the following dopant concentrations:
Boron max. 10 ppta and phosphorus max. 20 ppt.
Vorzugsweise enthält das Silicium darüber hinaus max. 20 ppta Aluminium und max. 20 ppta Arsen.In addition, the silicon preferably contains max. 20 ppta aluminum and max. 20 ppt arsenic.
Die Bodenplatte selbst besteht üblicherweise aus Stahl, Edelstahl oder Silber oder Quarz.
Bei der Abscheidung entstehen hochsiedende Verbindungen, die auf der Stahl-Bodenplatte kondensieren und Sicherheit und Qualität negativ beeinflussen.Deposition produces high-boiling compounds that condense on the steel bottom plate and negatively impact safety and quality.
Um das Kondensieren von Hochsiedern zu vermeiden, können Quarzabdeckungen auf der Bodenplatte benutzt werden. In diesem Fall bestehen mit der Quarzglocke und der Quarzplatte auf der Bodenplatte etwa 90% der Produkt berührenden Teile des Reaktors aus Quarz. To avoid condensing high boilers, quartz covers can be used on the bottom plate. In this case, with the quartz bell and quartz plate on the bottom plate, about 90% of the product contacting parts of the reactor are made of quartz.
Der Erfinder hat erkannt, dass nicht nur metallische Bodenplatten ohne Abdeckung, sondern auch etwaige Quarzabdeckungen nachteilig sind. Dies hängt damit zusammen, dass Quarzeinlagen oftmals mit Dotierstoffen belastet sind. Zudem sind Quarzeinlagen zerbrechlich, wodurch nicht ausgeschlossen werden kann, dass metallische Verunreinigungen aus der Bodenplatte die Reinheit der Reaktionsgase negativ beeinflussen.The inventor has recognized that not only metallic bottom plates without cover, but also any quartz covers are disadvantageous. This is related to the fact that quartz deposits are often contaminated with dopants. In addition, quartz deposits are fragile, which can not be ruled out that metallic impurities from the bottom plate negatively affect the purity of the reaction gases.
Der möglichen Kontamination des Reaktionsgases durch Dotierstoffe aus der Quarzabdeckung kann zwar durch das sog. Sauberfahren des Reaktors entgegengewirkt werden. Dieses Sauberverfahren des Reaktors dauert jedoch in der Regel mehrere Tage, was für die Verfügbarkeit der Anlage für Testabscheidungen nachteilig ist.Although the possible contamination of the reaction gas by dopants from the quartz cover can be counteracted by the so-called. Clean the reactor. However, this process of reactor purification usually takes several days, which is detrimental to the availability of the test deposit equipment.
Durch Abdeckung der Bodenplatte mit Silicium verringert sich die möglicherweise eine Kontamination verursachende Oberfläche des Reaktoraums um etwas 25 bis 30%.Covering the bottom plate with silicon reduces the possibly contaminating surface of the reactor space by about 25 to 30%.
Gleichzeitig reduziert sich die Dauer des Sauberfahrens um ca. 45%, was klare wirtschaftliche Vorteile bietet.At the same time, the duration of the cleaning process is reduced by approx. 45%, which offers clear economic benefits.
Auch verbessern sich Streuung und Nachweisgrenzen bzgl. Kontaminationen.Also, scattering and detection limits with respect to contamination improve.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Figuren erläutert.In the following the invention will be explained with reference to two figures.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- HaubeHood
- 22
- Quarzglockequartz bell
- 33
- Abdeckungcover
- 44
- Abgasleitungexhaust pipe
- 55
- ZugasleitungZugasleitung
- 66
- Bodenplattebaseplate
- 77
- Elektrodenelectrodes
- 88th
- Siliciumstabsilicon rod
Haube
Zugasleitung
Abgasleitung
Reaktor umfasst eine Bodenplatte
Auf der Bodenplatte sind Elektroden
Bodenplatte
Erfindungswesentlich ist es, dass Abdeckung
Dargestellt sind zwei Öffnungen zur Aufnahme von Elektroden
Beispiel und VergleichsbeispielExample and Comparative Example
In einem CVD-Reaktor wurde in mehreren Versuchsreihen polykristallines Silicium abgeschieden.In a CVD reactor polycrystalline silicon was deposited in several series of experiments.
Dazu eignet sich prinzipiell eine Vorrichtung, wie sie in
Aus dem erzeugten polykristallinen Silicium wurde anschließend mittels FZ jeweils ein monokristalliner Stab erzeugt, welcher mittels Photolumineszenz-Messungen untersucht wurde.From the polycrystalline silicon produced, a monocrystalline rod was subsequently produced by means of FZ, which was examined by means of photoluminescence measurements.
Es wurden zwei Versuchsreihen unter gleichen, üblichen Prozessbedingungen durchgeführt.Two series of tests were carried out under the same, usual process conditions.
Die verwendeten Reaktionsgase (Trichlorsilan und Wasserstoff) wiesen in beiden Versuchsreihen die gleiche Reinheit auf.The reaction gases used (trichlorosilane and hydrogen) had the same purity in both series of experiments.
Vergleichsbeispiel Comparative example
Im den Versuchsreihen gemäß Vergleichsbeispiel war der Reaktorboden während der Abscheidung mit einer Quarzplatte abgedeckt.In the test series according to the comparative example, the reactor bottom was covered during the deposition with a quartz plate.
Die Freimessung (Sauberfahren) nahm 117 Stunden in Anspruch.The free measurement (cleaning) took 117 hours.
Unter Freimessung versteht man die Qualifizierung/Sauberfahren der Anlage mit Referenzmedien bis vorgegebene Spezifikationsgrenzen bei Dotierstoffmessungen unterschritten werden und die Anlage für Qualitätskontrollfahrten freigegeben werden kann (z. B. B max. 10 ppta, P max. 20 ppta, Alu max. 20 ppta und As max. 20 ppta).Free measurement is the qualification / clean-up of the system with reference media until specified specification limits for dopant measurements are undershot and the system can be released for quality inspection trips (eg B 10 ppta maximum, P 20 ppta max, 20 ppta aluminum max As much as 20 ppta).
Die Nachweisgrenzen für Bor lagen bei 3,02 ppta, die für Phosphor bei 1,21 ppta.The detection limits for boron were 3.02 ppta, those for phosphorus were 1.21 ppta.
Die durchschnittliche relative Standardabweichung betrug für Bor 45%, für Phosphor 28%.The average relative standard deviation was 45% for boron and 28% for phosphorus.
Beispielexample
In den Versuchsreihen gemäß Beispiel war der Reaktorboden während der Abscheidung mit einer Siliciumplatte abgedeckt.In the test series according to Example, the reactor bottom was covered during the deposition with a silicon plate.
Die Freimessung (Sauberfahren) nahm nur 63 Stunden in Anspruch.The free measurement (cleaning) took only 63 hours.
Die Nachweisgrenzen für Bor lagen bei 2,21 ppta, die für Phosphor bei 0,77 ppta, also deutlich niedriger als im Vergleichsbeispiel.The detection limits for boron were 2.21 ppta, those for phosphorus were 0.77 ppta, ie significantly lower than in the comparative example.
Die durchschnittliche relative Standardabweichung betrug für Bor 26%, für Phosphor 35%.The average relative standard deviation was 26% for boron and 35% for phosphorus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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