JPS631242B2 - - Google Patents

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JPS631242B2
JPS631242B2 JP3798383A JP3798383A JPS631242B2 JP S631242 B2 JPS631242 B2 JP S631242B2 JP 3798383 A JP3798383 A JP 3798383A JP 3798383 A JP3798383 A JP 3798383A JP S631242 B2 JPS631242 B2 JP S631242B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silane
container
silicon
temperature
liquefied
Prior art date
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Application number
JP3798383A
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Japanese (ja)
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JPS59164615A (en
Inventor
Shunpei Yamazaki
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority to JP3798383A priority Critical patent/JPS59164615A/en
Publication of JPS59164615A publication Critical patent/JPS59164615A/en
Publication of JPS631242B2 publication Critical patent/JPS631242B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

この発明は、シラン中に含まれる酸化物不純物
特に酸化珪素を除去して精製された気相反応用シ
ランを作製する方法に関する。 この発明は、5モル%以下の酸化物特に酸化珪
素の混入したシラン(以下単に原シランという)
より酸化物を除去するため、原シラン(SiH4
を第1の容器内に液体状態にて充填された弗化水
素(以下HFという)中に導入することにより、
原シラン中の酸化物、特に代表的には酸化珪素が
HFと反応して反応生成物として水(H2O)と弗
化珪素(SiF4と記す)を精製させる。さらに水を
第1の容器にて固体化して除去する。 次の工程としてこのシランをこの第1の容器よ
り導出し、−112〜−185℃の温度に保持させて第
2の容器にて液化せしめ、さらにこの液化シラン
を−65〜−110℃好ましくは−75〜−100℃に保持
された第2の容器より気化させることにより
SiF4、HFおよび残存H2Oをトラツプさせる工程
またはその中に混合した弗化珪素、水および弗化
水素を−65〜−110℃好ましくは−75〜−100℃に
保持された第2の容器にて液化させることなくト
ラツプすることにより原シラン中の酸化物を除去
して精製することを特徴とする。 一般に、きわめて激しい酸化力を有するシラン
は、その酸化力のため、シラン中に不純物として
の酸化珪素が混入されやすい。 しかしこの酸化珪素は超微粉末(粒径は100Å
以下と推定される)であり、固体である。 この超微粉末状のため、シラン容器内でコロイ
ド状で遊離しており、半導体用反応性気体として
のシランより分離するためのいかなるフイルター
にもかからず、反応容器内に至つて反応生成物中
に不純物としての酸化珪素を存在させてしまう。 さらに従来この酸化珪素は固体であるため、シ
ラン中の不純物としての純度の化学的な調査に対
しては、全く検出不可能であり、これまでどの程
度混入しているか不明であつた。 即ち化学的にシラン中の不純物の測定としては
質量分析、原子吸光、ガスクロマトクロフイー等
の方法により測定評価されていた。 しかしこの不純物としての酸化珪素の量を、本
発明人はこのシランを用いた気相法(PCVD〔プ
ラズマ化学蒸着〕法、またはLPCVD〔減圧気相〕
法を総称する)により珪素膜を形成し、その形成
された珪素膜をSIMS(イオン.マイクロ.アナ
ライザー)により検出して同定することにより成
就することができた。 かかる同定を行うと、従来より知られていた珪
素膜中には酸素が2×1019〜1×1021atom/c.c.の
濃度で含有されていた。 加えて珪素の濃度が2×1022atom/c.c.である
ため、酸素は0.1〜5%もの多量に含まれている
ことが判明した。 さらにその代表結合はSiO2、SiO、SiOHに関
しては、そのSIMSのイオン強度(count/sec)
において、例えばSiO21×104、SiOH2×103
SiO3×102とSiO2がきわめて多量に含まれていく
ことも判明した。 本発明は、かかる酸化物を除去することを目的
とし、さらにこの超高純度シランを100Kg/月程
度の大規模の生産量を有する工場(プラント)レ
ベルにて実施することを目的としている。加えて
本発明方法で形成されたシリコン半導体はその中
の酸素濃度を非晶質または半非晶質(セミアモル
フアス構造を有する半導体)または絶縁体被膜中
にて1×1018atom/c.c.以下、好ましくは5×
1017atom/c.c.以下にすることを目的としている。 以下に図面に従つて本発明の反応内容を説明す
る。 次に、シラン特にモノシラン(SiH4MP−185
℃BP−112℃)を例にしてその反応式をす。 SiH4+O2→SiO2+2H2 …50 SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O↑ …51 SiF4↑+2H2O↑→SiF4↓+2H2O↓ …52 SiH4→SiHx↓+1/2(4−x)H2↑ …53 (0≦x<4) 式(50)は、シランと酸素特にシラン製造の際
の残留酸素、または導入パイプ内壁の吸着酸素と
の反応により、精製される酸化珪素である。 酸化珪素はSiO2、SiO等のSiOxがあり、また
水酸基が一部に混入してSiOH結合になる場合も
あるが、ここではSiO2で反応式を代表させる。 かくのごとくの酸化珪素がシラン中に固体の超
微粉にて0.1〜5%もボンベ中に存在する時、こ
の超微粉の酸化珪素を除去する方法はこれまでま
つたく知られていなかつた。 本発明においてはこの第1の容器の中に液化
HF(無水弗化水素 純度99.8%以上)(MP−83℃
BP+19℃)を充填する。さらにこの後、この第
1の容器内に原シランを導入した。するとこの第
1の容器においては、式(51)に示されるごと
く、原シラン中に存在する酸化珪素が液化HFと
反応しSiF(BP−65℃)と水(BP+100℃、MP0
℃)とを生成させることができた。 この容器は0℃以下で一般に保持され、その温
度は0〜−83℃好ましくは−5〜−40℃例えば−
10℃した。かくしてこの第1の容器内において発
生した水は固体に変成し、この水とシランとが再
反応して酸化珪素が生成されてしまうことを防い
だ。 また他方HFと反応して生成されたSiF4および
水には気体であるため、シランとともに第2の容
器に導出される。 さらにこのSiF4不純物の混入した原シランを第
2の容器に導入し、一度液化して再気化させる。
または液化せず−65〜−110℃以下好ましくは−
70〜−100℃の温度として第2の容器にて単にト
ラツプした。するとシラン中の弗化珪素は液体に
なりまた加えて不純物である第1の容器で除去で
ききれなかつた水は固体となつて同時にトラツプ
される。またシランと同時に若干の再気化してき
た弗化水素等も液体または固体となつて、第2の
容器内にトラツプされ得る。この第2の容器の温
度はそのトラツプした弗化珪素を気体としてシラ
ン中に混入させないために、弗化珪素の沸点
(BPという)−65℃よりも低い温度であつて、か
つシランのBP(−112℃)よりも高い温度である
ことが本発明の特長である。 式(52)は不純物の弗化珪素、水が気体から液
体または固体に変成することを示す。 第2の精製の場合に弗化珪素を気体としてシラ
ン中に混入させないために、第2の容器が弗化珪
素の沸点(BPという)−65℃よりも低い温度であ
ることが重要であるが、BP近くでのそれぞれの
成分の分圧を考慮すると、気化させるシランの温
度が−75〜−100℃の範囲例えば−90℃であるこ
とが高純度化精製のために好ましかつた。 かくして精製されたシラン気体を、第3の容器
である高圧容器(ボンベ)に充填して外販を行つ
た。または直接この精製されたシランをLPCVD
またはPCVDの装置のドーピング系に連結させ
た。即ち精製されたシランを例えば固体の珪素ま
たは水素が混入して珪素に反応系にて式(52)に
示す如くにPCVD法またはLPCVD法を利用して
反応系にて変成した。即ち、精製されたシランを
用いて式(53)になるごときアモルフアスまたは
セミアモルフアス半導体を含む非単結晶半導体、
または単結晶珪素半導体を形成させた。 この反応生成物は精製されたシランとアンモニ
ア、ヒドラジンと反応させて窒化珪素(Si3N4-x
0≦x<4)を形成させてもよい。 以上の如く本発明方法により生成されたシラン
を用いて作製された珪素または窒化珪素は、その
中の不純物としての酸素濃度が従来より知られた
シランボンベを用いた場合の1×1020cm-3よりも
100分の1以下の1×1018cm-3以下となり、高純
度珪素または珪素化合物を得ることができた。 第1図は本発明のシランの精製方法をさらに詳
しく具体的に示すためのブロツクダイヤグラム図
を記す。 図面に従つて本発明方法の実施例を以下に記
す。 第1図において、原シランは1より供給され、
第1、第2の容器2,3を経て精製され、この後
第3の容器例えばボンベに精製したものを供給し
て充填される。 第1図の精製のプラント装置(単に本装置とい
う)の従来工程は以下の如くにして行つた。 第3の容器4に精製シランを充填する場合この
装置のコツク40に第3の容器を連結してバルブ
41,13,12,24,18,38を閉、バル
ブ15,16,23,37,17を開として、真
空ポンプ21、ターボポンプ22により精製系を
真空引きをした。 この時第1、第2、第3の容器の温度はすべて
200〜250℃にヒーター30,31,32をコント
ローラ26,27,28により制御して加熱を
し、脱気した。真空度は1×10-5torr以下下好ま
しくは1×10-6torrとした。 この後、バルブ23,15,16,17を閉と
した。14より純度99.8%以上の弗化水素(以下
HFという)を供給して、第1の容器2は18〜−
90℃、好ましくは−3〜−30℃例えば−10℃に保
持した。すると14よりバルブ13を開にして供
給されたHFは液化して容器5内に6として充填
された。さらにバルブ41を開として原シランを
1より供給した。 以下に第2の容器にてトラツプ(気体シラン中
の不純物を液化、気化して精製する)方法の工程
を示す。 第2の容器内を大気圧以上例えば0.2Kg/cm2
圧力とした後、バルブ15を少しずつ開とした。 第2の容器3はこの以前にコントローラ27に
て液化窒素を用いて−65〜−110℃例えば−90℃
に保持されている。すると原シランは第1の容器
にて液化HF中をノズルに導かれ下方向より微少
な泡となつて上方に至る。この工程の際、このシ
ランの泡中に存する酸化物とHFとが反応し、式
(51)が成就する。 さらにこのシランはバルブ15を経て、第2の
容器に至る。この時、HFの一部、反応生成物の
SiF4、H2Oが同時に混入するため、第2の容器
にてトラツプされる。この第2の容器において、
式(52)に示すごとく、HFは−90℃では固体と
なり、第2の容器内にトラツプ(捕獲)される。 生産性および第3の容器での充填圧力をあげる
ため、さらに原シランを加圧して積層してこの装
置の管内圧力を10〜30Kg/cm2例えば20Kg/cm2とし
た。かかる加圧工程を用いても第1の容器では式
(51)第2の容器では式(52)が十分成就できた。 かくのごとくして精製されたシランは第2の容
器を経て流量制御用のニードルバルブ42を経て
バルブ17を開とすることにより、第3の容器に
充填することができた。 バルブ42に同様に流量計を付設し、その流量
をモニターすることは有効であつた。 以上のごとくにして、原シランを第1の容器に
て不純物を反応せしめ、第2の容器にて不純物を
−65〜−110℃例えば−90℃でトラツプする方法
においては、この装置を加圧下におくことができ
るため、多量生産性に富み、プラントとしての低
価格、多量産化に有効であつた。しかし他方、精
製の開始時において、十分不純物が第2の容器内
にトラツプされずに、精製シランと同時に導出さ
れるという危険があり、その流量圧力制御をマイ
クロコンピユータを用いて精密に行う必要があつ
た。 次ぎに不純物のトラツプをシラン自体と液化再
気化させる方式で行つた場合を記す。 即ち前記した工程に加えて、式(51)の工程の
後、シランを−112〜−185℃例えば−150℃に保
持された第2の容器にバルブ17,18を閉と
し、バルブ15を開として供給した。 かくしてシラン及びその不純物は第2の容器で
液化シランになり、加えて不純物のSiF4、H2O、
HFは固体化し第2の容器内に捕獲させる。 次ぎに第2の容器をコントローラ27により温
度−65〜−110℃例えば−90℃に保持した。する
と液化シランは気化を始め、ニードルバルブ42
及びバルブ17を開として第3の容器4に供給を
して充填した。 この充填工程の際、第3の容器4を−150℃と
して液化充填をして室温になつた時10〜30Kg/cm2
例えば20Kg/cm2に加圧されるようにした。 かくすると不純物は第2の容器にて予め−150
℃で完全に固体化し終わるため、この不純物が気
化して精製シラン中に混入する恐れはまつたくな
く、超高純度シランを作ることができるという大
きな特長を有する。しかし他方第2の容器は−
150℃に冷却すること、さらにこれを−90℃にす
る等の温度及びその冷却材として液体窒素を使用
する点において費用が割高になるという欠点を有
していた。 第1図において、第3の容器の取り外しは以下
の如くである。即ち第3の容器のコツクを閉とし
バルブ17を閉とした後、バルブ37を開として
17,37,40間のシランを真空排気した。さ
らにそのジヨイントを外した。 第3の容器はジヨイント40,39等にまつた
く同様に複数のシランボンベを充填できるように
して生産性を向上させることができた。 また本装置においての反応後の不純物の回収を
記す。 即ち反応後第1の容器はこれを室温として12
のパルブを開とすることにより11より弗化水素
酸を得ることができた。 またバルブ23を開として第2の容器より液化
弗化珪素を第4の容器9に得ることができる。 この第4の容器はSiF4はHF、水とを分離する
ことができ、高純度SiFを25より得ることがで
きた。 かくのごとくに、この装置において第1の容器
より排物利用できる弗化水素酸を、第2の容器よ
りSiF4を得ることができ、化学生成物を捨ててし
まうことがまつたくなく、プラントとして収益向
上にコスト・パーフオーマンスがきわめて優れた
ものであつた。 第1図に示された精製されたシランを用いて、
そのシラン気体の物性評価のため、CVD装置例
えばPCVD(プラズマ気相法)装置に連結し、こ
の装置によりシリコン膜をガラス基板上に形成さ
せた。 シランよりなる半導体用反応性気体は、ドーピ
ング系を経て反応系に至る。この反応系には100
〜400℃、好ましくは150〜300℃、代表的には210
℃に保持された被形成面が配設してあり、反応領
域の圧力を0.01〜2torr例えば0.1torrとし、シラ
ン流量を1〜100c.c./分、例えば20c.c./分供給し
た。さらに電気エネルギーを高周波発振器
(13.56MHz)より一対の容量結合方式の電極に加
え、プラズマグロー放電をせしめてPCVD反応を
行つた。基板位置はグロー放電における陽光柱領
域にあり、プラズマ放電により被形成面、例えば
ガラス基板上にシリコン膜が式(53)に基づいて
形成された。 この成長速度は1〜10Å/秒例えば3Å/秒で
あつた。 以上の如くにて珪素膜を被形成面上に形成させ
ることができた。 この珪素膜の膜質を調べると、SIMSの測定に
おいて酸素濃度は1×1018atom/c.c.以下(放電
出力10W以下)を有せしめることができた。 この放電出力は、本発明装置において10W以下
であり、その特性は特にその電極面積、電極間距
離が変わると大きく変化する。この10Wは形成さ
れた被膜がマイクロクリスタル(50Å以上の粒径
の微結晶)を被膜中に50%程度体積にて含むもの
である。すなわち10W以下というのは、形成され
た被膜がアモルフアス、セミアモルフアスまたは
低度の微結晶との混合状態であることを示す指標
である。 さらに放電出力を2Wとすると、2×
1017atom/c.c.とさらにその1/5に減少し、従
来から知られたシランドーピング系に繋ぎその被
膜を調べると3×1019atom/c.c.であり、この値
より約100分の1に減少していることが判明した。 加えて従来より知られたボンベにて多結晶構造
が作られる20Wで作製したものは1×
1021atom/c.c.と約5%も含有していた。 この結果は、従来方法ではフーリエ赤外分光計
において1065cm-1の波数の位置で吸収ピークが存
在し、その濃度が約5%を有していることを検出
できた。しかし本発明方法によつて作られたシラ
ンを用いたシリコン半導体被膜においては、フー
リエ赤外分光計でも酸素の存在を確認することが
できなかつた。 以下に本発明方法によつて得られたシランを用
いてPCVD法によつて作製した珪素被膜中の不純
物の結果を表2に示す。さらに従来方法のシラン
を用いたPCVD法で同じ装置を用いて得られた結
果を表1に示す。
The present invention relates to a method for producing purified gas-phase silane by removing oxide impurities, particularly silicon oxide, contained in silane. This invention relates to silane mixed with 5 mol% or less of oxide, especially silicon oxide (hereinafter simply referred to as raw silane).
Raw silane (SiH 4 ) to remove more oxides
By introducing into hydrogen fluoride (hereinafter referred to as HF) filled in a first container in a liquid state,
Oxides in the raw silane, particularly silicon oxide, are
It reacts with HF to purify water (H 2 O) and silicon fluoride (denoted as SiF 4 ) as reaction products. Furthermore, water is solidified in the first container and removed. As the next step, this silane is drawn out from this first container, kept at a temperature of -112 to -185°C, and liquefied in a second container, and further this liquefied silane is preferably -65 to -110°C. By vaporizing from a second container maintained at -75 to -100℃
A step of trapping SiF 4 , HF and residual H 2 O, or a second step in which silicon fluoride, water and hydrogen fluoride mixed therein are kept at -65 to -110°C, preferably -75 to -100°C. It is characterized by removing oxides from the raw silane and purifying it by trapping it in a container without liquefying it. In general, silane having extremely strong oxidizing power tends to easily contain silicon oxide as an impurity due to its oxidizing power. However, this silicon oxide is an ultrafine powder (particle size is 100Å).
) and is a solid. Because of this ultra-fine powder form, it is free in colloidal form in the silane container, and the reaction products reach the reaction container without passing through any filter to separate them from silane, which is a reactive gas for semiconductors. This results in the presence of silicon oxide as an impurity. Furthermore, since silicon oxide is conventionally a solid, it has been completely undetectable in chemical investigations of its purity as an impurity in silane, and it has been unclear to what extent it is present. That is, impurities in silane have been chemically measured and evaluated using methods such as mass spectrometry, atomic absorption, and gas chromatography. However, the amount of silicon oxide as an impurity was determined by the vapor phase method (PCVD [plasma chemical vapor deposition] method or LPCVD [low pressure gas phase] method) using this silane.
They were able to achieve this by forming a silicon film using a method (generally referred to as a general term for a method) and detecting and identifying the formed silicon film using a SIMS (Ion Micro Analyzer). When such identification was performed, it was found that the conventionally known silicon film contained oxygen at a concentration of 2×10 19 to 1×10 21 atoms/cc. In addition, since the silicon concentration was 2×10 22 atoms/cc, it was found that oxygen was contained in a large amount of 0.1 to 5%. Furthermore, for SiO 2 , SiO, and SiOH, the representative bonds are determined by their SIMS ionic strength (count/sec).
For example, SiO 2 1×10 4 , SiOH2×10 3 ,
It was also found that extremely large amounts of SiO3×10 2 and SiO 2 were included. The purpose of the present invention is to remove such oxides, and furthermore, it is aimed at implementing this ultra-high purity silane at a factory (plant) level having a large-scale production of about 100 kg/month. In addition, the silicon semiconductor formed by the method of the present invention has an oxygen concentration of 1×10 18 atoms/cc or less in the amorphous or semi-amorphous (semiconductor having a semi-amorphous structure) or insulating film. , preferably 5×
The aim is to reduce the amount to 10 17 atoms/cc or less. The details of the reaction of the present invention will be explained below with reference to the drawings. Next, silane, especially monosilane (SiH 4 MP−185
℃BP-112℃) is used as an example to show the reaction formula. SiH 4 +O 2 →SiO 2 +2H 2 …50 SiO 2 +4HF→SiF 4 ↑+2H 2 O↑ …51 SiF 4 ↑+2H 2 O↑→SiF 4 ↓+2H 2 O↓ …52 SiH 4 →SiHx↓+1/2( 4-x) H 2 ↑ ...53 (0≦x<4) Equation (50) represents the oxidation that is purified by the reaction between silane and oxygen, especially residual oxygen during silane production, or oxygen adsorbed on the inner wall of the introduction pipe. It is silicon. Silicon oxide includes SiOx such as SiO 2 and SiO, and some hydroxyl groups may be mixed in to form SiOH bonds, but here, SiO 2 is used to represent the reaction formula. When 0.1 to 5% of silicon oxide is present in a cylinder as a solid ultrafine powder in silane, no method has been known until now for removing the ultrafine silicon oxide. In the present invention, liquefaction is carried out in this first container.
HF (anhydrous hydrogen fluoride, purity 99.8% or more) (MP - 83℃
BP+19℃). Furthermore, after this, raw silane was introduced into this first container. Then, in this first container, as shown in equation (51), the silicon oxide present in the raw silane reacts with the liquefied HF, forming SiF (BP-65℃) and water (BP+100℃, MP0
°C). The container is generally maintained at a temperature below 0°C, the temperature being 0 to -83°C, preferably -5 to -40°C, e.g. -
It was 10℃. In this way, the water generated in the first container was transformed into a solid, and this water and silane were prevented from reacting again to form silicon oxide. On the other hand, since SiF 4 and water produced by the reaction with HF are gases, they are discharged together with the silane into the second container. Furthermore, this raw silane mixed with SiF 4 impurities is introduced into a second container, where it is once liquefied and then re-vaporized.
Or below -65 to -110℃ without liquefaction, preferably -
It was simply trapped in a second container at a temperature of 70 to -100°C. Then, the silicon fluoride in the silane becomes a liquid, and in addition, the impurity water that could not be removed in the first container becomes a solid and is trapped at the same time. Furthermore, hydrogen fluoride, etc., which have been slightly revaporized at the same time as the silane, can also become liquid or solid and be trapped in the second container. In order to prevent the trapped silicon fluoride from being mixed into the silane as a gas, the temperature of this second container is lower than the boiling point (BP) of silicon fluoride (-65°C) and the BP (BP) of the silane. A feature of the present invention is that the temperature is higher than -112°C. Equation (52) shows that impurities silicon fluoride and water are transformed from gas to liquid or solid. In order to prevent silicon fluoride from being mixed into the silane as a gas during the second purification, it is important that the temperature of the second container is lower than the boiling point (BP) of silicon fluoride - 65°C. Considering the partial pressure of each component near BP, it is preferable for the temperature of the vaporized silane to be in the range of -75 to -100°C, for example -90°C, for high purification. The thus purified silane gas was filled into a third container, a high-pressure container (cylinder), and sold externally. or directly LPCVD this purified silane
Or connected to the doping system of PCVD equipment. That is, the purified silane is mixed with, for example, solid silicon or hydrogen and converted into silicon in the reaction system using the PCVD method or the LPCVD method as shown in formula (52). That is, a non-single crystal semiconductor containing an amorphous or semi-amorphous semiconductor represented by formula (53) using purified silane,
Alternatively, a single crystal silicon semiconductor was formed. This reaction product is reacted with purified silane, ammonia, and hydrazine to form silicon nitride (Si 3 N 4-x
0≦x<4). As described above, silicon or silicon nitride produced using the silane produced by the method of the present invention has an oxygen concentration as an impurity of 1×10 20 cm -3 when using a conventionally known silane cylinder. than
It was 1×10 18 cm -3 or less, which is less than 1/100, and it was possible to obtain high purity silicon or silicon compounds. FIG. 1 is a block diagram for specifically showing the silane purification method of the present invention in more detail. Examples of the method of the present invention will be described below according to the drawings. In FIG. 1, the raw silane is supplied from 1,
It is purified through the first and second containers 2 and 3, and then the purified product is supplied and filled into a third container, for example, a cylinder. The conventional process of the refining plant apparatus shown in FIG. 1 (simply referred to as this apparatus) was carried out as follows. When filling the third container 4 with purified silane, connect the third container to the tank 40 of this device, close the valves 41, 13, 12, 24, 18, 38, and close the valves 15, 16, 23, 37, 17 was opened, and the purification system was evacuated using the vacuum pump 21 and turbo pump 22. At this time, the temperatures of the first, second, and third containers are all
Heaters 30, 31, and 32 were controlled by controllers 26, 27, and 28 to heat the mixture to 200 to 250°C, and deaeration was performed. The degree of vacuum was 1×10 −5 torr or less, preferably 1×10 −6 torr. After this, the valves 23, 15, 16, and 17 were closed. Hydrogen fluoride with a purity of 99.8% or more from 14 (hereinafter
(referred to as HF), the first container 2 is 18~-
The temperature was maintained at 90°C, preferably -3 to -30°C, for example -10°C. Then, the HF supplied by opening the valve 13 from 14 was liquefied and filled into the container 5 as 6. Furthermore, the valve 41 was opened and raw silane was supplied from 1. The steps of the trapping method (purifying impurities in gaseous silane by liquefying and vaporizing it) in the second container are shown below. After the inside of the second container was brought to a pressure higher than atmospheric pressure, for example, 0.2 Kg/cm 2 , the valve 15 was opened little by little. The second container 3 was previously heated to -65 to -110°C, for example -90°C, using liquefied nitrogen using the controller 27.
is held in Then, the raw silane is guided into the liquefied HF in the first container through the nozzle, and is passed upward as fine bubbles from below. During this step, the oxide present in the silane bubbles reacts with HF, and formula (51) is fulfilled. Furthermore, this silane passes through the valve 15 and reaches the second container. At this time, part of the HF, the reaction product
Since SiF 4 and H 2 O are mixed at the same time, they are trapped in the second container. In this second container,
As shown in equation (52), HF becomes a solid at -90°C and is trapped in the second container. In order to increase the productivity and the filling pressure in the third container, raw silane was further pressurized and laminated so that the pressure inside the pipe of this apparatus was 10 to 30 Kg/cm 2 , for example, 20 Kg/cm 2 . Even by using such a pressurizing step, the equation (51) in the first container and the equation (52) in the second container were sufficiently satisfied. The silane thus purified passed through the second container, passed through the needle valve 42 for flow rate control, and by opening the valve 17, could be filled into the third container. It was effective to attach a flow meter to the valve 42 and monitor the flow rate. In the method described above, in which the impurities are reacted with the raw silane in the first container, and the impurities are trapped in the second container at -65 to -110°C, for example, -90°C, this apparatus is operated under pressure. Since it can be placed at a low temperature, it is highly productive in large quantities, and is effective as a low-cost plant for mass production. However, at the start of purification, there is a risk that sufficient impurities will not be trapped in the second container and will be drawn out at the same time as the purified silane, so it is necessary to precisely control the flow rate and pressure using a microcomputer. It was hot. Next, a case will be described in which impurities are trapped by liquefying and revaporizing the silane itself. That is, in addition to the steps described above, after the step of formula (51), silane is placed in a second container maintained at -112 to -185°C, for example, -150°C, with valves 17 and 18 closed and valve 15 opened. It was supplied as The silane and its impurities thus become liquefied silane in the second container, in addition to the impurities SiF 4 , H 2 O,
The HF solidifies and is captured in the second container. Next, the second container was maintained at a temperature of -65 to -110°C, for example -90°C, by the controller 27. Then, the liquefied silane begins to vaporize, and the needle valve 42
Then, the valve 17 was opened and the third container 4 was supplied and filled. During this filling process, the third container 4 was heated to -150°C and liquefied and filled, and when it reached room temperature, it was 10 to 30 kg/cm 2
For example, the pressure was set to 20 kg/cm 2 . In this way, impurities are preliminarily reduced to -150 in the second container.
Because it completely solidifies at ℃, there is no risk of these impurities vaporizing and getting mixed into the purified silane, and it has the great advantage of being able to produce ultra-high purity silane. But on the other hand, the second container is -
It has the disadvantage that it is relatively expensive because it requires cooling to 150°C and then lowering this temperature to -90°C, and uses liquid nitrogen as a coolant. In FIG. 1, the removal of the third container is as follows. That is, after closing the lid of the third container and closing valve 17, valve 37 was opened to evacuate the silane between 17, 37, and 40. I also removed that joint. In the third container, joints 40, 39, etc. can be similarly filled with a plurality of silane cylinders, thereby improving productivity. We also describe the recovery of impurities after the reaction in this device. That is, after the reaction, the first container is heated to room temperature for 12
Hydrofluoric acid could be obtained from 11 by opening the pulp. Further, by opening the valve 23, liquefied silicon fluoride can be obtained from the second container into the fourth container 9. This fourth container was able to separate SiF 4 from HF and water, and it was possible to obtain high purity SiF from 25. As described above, in this device, hydrofluoric acid, which can be used as waste, can be obtained from the first container, and SiF 4 can be obtained from the second container, and there is no risk of discarding the chemical products. As a result, it was extremely cost effective and improved profits. Using the purified silane shown in FIG.
In order to evaluate the physical properties of the silane gas, it was connected to a CVD device, such as a PCVD (plasma vapor deposition) device, and a silicon film was formed on a glass substrate using this device. The semiconductor reactive gas made of silane reaches the reaction system via the doping system. This reaction system has 100
~400℃, preferably 150-300℃, typically 210℃
A surface to be formed was maintained at a temperature of 0.degree. C., the pressure in the reaction zone was 0.01 to 2 torr, e.g. 0.1 torr, and the silane flow rate was 1 to 100 c.c./min, e.g. 20 c.c./min. Furthermore, electrical energy was applied from a high-frequency oscillator (13.56 MHz) to a pair of capacitively coupled electrodes, causing a plasma glow discharge and a PCVD reaction. The substrate position was in the positive column region of the glow discharge, and a silicon film was formed by plasma discharge on the surface to be formed, for example, a glass substrate, based on equation (53). The growth rate was 1-10 Å/sec, for example 3 Å/sec. In the manner described above, a silicon film could be formed on the surface to be formed. When the film quality of this silicon film was examined, it was found that the oxygen concentration was less than 1×10 18 atoms/cc (discharge output less than 10 W) as measured by SIMS. This discharge output is 10 W or less in the device of the present invention, and its characteristics change greatly especially when the electrode area and the distance between the electrodes change. In this 10W, the formed film contains microcrystals (microcrystals with a grain size of 50 Å or more) in a volume of about 50%. That is, 10 W or less is an indicator that the formed film is in a mixed state with amorphous amorphous, semi-amorphous, or low-grade microcrystals. Furthermore, if the discharge output is 2W, then 2×
10 17 atoms/cc and further decreased to 1/5 of that, and when connected to a conventionally known silane doping system and examining the film, it was 3 × 10 19 atoms/cc, which was reduced to about 1/100 of this value. It turned out that it was. In addition, the one made at 20W, which creates a polycrystalline structure in a conventional cylinder, is 1×
It contained 10 21 atoms/cc, about 5%. This result shows that, using the conventional method, an absorption peak exists at a wave number of 1065 cm -1 using a Fourier infrared spectrometer, and the absorption peak was detected to have a concentration of about 5%. However, in the silicon semiconductor film using silane produced by the method of the present invention, the presence of oxygen could not be confirmed even with a Fourier infrared spectrometer. Table 2 below shows the results of impurities in a silicon film produced by the PCVD method using the silane obtained by the method of the present invention. Furthermore, Table 1 shows the results obtained using the same equipment in the conventional PCVD method using silane.

【表】【table】

【表】 かかる表1、表2に示す如き珪素被膜の結晶構
造をX線回析方法により調べた結果、従来方法に
おいては10W、20Wにおいては微結晶性を有し、
5Wは混合結晶のセミアモルフアス構造、また2W
では世にいわれるアモルフアス構造が観察され
た。 さらに本発明方法においては、2Wにて格子歪
を有する結晶性を有する珪素半導体いわゆるセミ
アモルフアスが観察された。さらに5W、10W、
20Wにおいては微結晶性が観察された。 このことより、酸素を5×1017以下にすること
により、世にいわれるアモルフアス珪素を実質的
になくし、何らかの結晶性または結晶性を有する
半導体を210℃においてすら作ることができた。 これは基板温度を250℃、300℃にすることによ
りこの結晶性はさらに進行した。 この反応生成物を作る温度も210℃ではなく、
150〜300℃においても可能であつた。 しかし650〜700℃と高温にして、プラズマ
CVD法を用いるのではなく、単なる熱のみを加
えたLPCVD法(減圧気相反応法)でよく電気エ
ネルギーは不要であつた。 この電気特性を調べた。即ちガラス基板上にこ
のPCVD法により0.5μのシリコン半導体層を2W
の出力にて作製した。 さらにこの上面に窒化珪素を酸化防止のバリア
層として同一の第1図の反応装置を用いて500Å
の厚さに積層した。この後、この窒化珪素を一部
除去して、この部分にオームコンタクト電極を平
行電極として設けて、電気伝導度特性を調べたも
のである。 すると、従来の原シランを用いた半導体膜は、
暗電気伝導度を10-7(Ωcm)-1のオーダー(1〜9
×10-7(Ωcm)-1)値を有していた。他方本発明の
精製をシランを用いると1〜30×10-9(Ωcm)-1
有し、約1/100とその暗伝導度を小さくするこ
とができた。ここにAM1(100mW/cm2)を領域
60にて照射すると、従来の原シランを用いた方
法では1×10-4(Ωcm)-1を有していた。 他方本発明の精製シランを用いた方法において
は、その光伝導度は2×10-3(Ωcm)-1のオーダー
と従来例よりも約1桁も大きかつた。 以上のことより、この電気伝導度は従来方法で
は暗伝導度と光伝導度とでは103〜104の差しかな
かつた。しかし、本発明の精製シランを用いる
と、105〜106もの差を有し、光に対して敏感性を
有する半導体を成就することができることが判明
した。 これまでの説明から明らかなごとく、本発明の
シラン中の不純物である酸化珪素を中心とした酸
素をこの不純物を変成し、さらにこの変成した不
純物によつて除去するという方法を用いることに
より、初めて超高純度シランを製造することがで
きた。その結果、この精製シランを用いた半導体
膜特にシリコン膜は酸素濃度を約1/100にする
ことができ、電気特性をさらに向上させることが
できた。 この電気特性の向上は半導体エレクトロニクス
において工業上の特性向上および信頼性の向上を
促し、光電変換装置、光センサ、静電複写機、絶
縁ゲイト型電界効果半導体およびその集積化装置
等の半導体デバイスにおいてきわめて有効なもの
であつた。 本発明においては、第1図にしめされるごとく
ボンベを第3の容器とした。しかしこのボンベを
用いず、PCVD装置またはLPCVD装置のドーピ
ング系に直接連結し、半導体デバイスを製造する
反応系と本発明方法とを一体化して、珪素半導体
または窒化珪素または珪素化合物被膜を作製する
ことは有効である。 さらに本発明はモノシランを主として示してい
る。しかし不純物を一度反応せしめて、さらに従
来除去できなかつた不純物をBPの差を利用して
除去、精製を行う本発明方法は他の半導体用気体
に対しても反応生成物(水、弗化水素等)と被精
製物(シラン等)との差が20℃以上であれば同様
に有効である。
[Table] As a result of examining the crystal structure of the silicon film as shown in Tables 1 and 2 using the X-ray diffraction method, it was found that in the conventional method, it had microcrystalline properties at 10W and 20W;
5W has a mixed crystal semi-amorphous structure, and 2W
The so-called amorphous structure was observed. Furthermore, in the method of the present invention, a so-called semi-amorphous silicon semiconductor having crystallinity with lattice distortion was observed at 2W. In addition, 5W, 10W,
Microcrystallinity was observed at 20W. From this, by reducing the oxygen content to 5×10 17 or less, it was possible to virtually eliminate the so-called amorphous silicon and create a semiconductor with some crystallinity or crystallinity even at 210°C. This crystallinity progressed further by increasing the substrate temperature to 250°C and 300°C. The temperature at which this reaction product is produced is also not 210℃,
This was also possible at temperatures of 150 to 300°C. However, at high temperatures of 650 to 700℃, plasma
Instead of using the CVD method, the LPCVD method (low-pressure gas phase reaction method), which simply adds heat, was used, and no electrical energy was required. The electrical characteristics of this were investigated. In other words, a 0.5μ silicon semiconductor layer is deposited at 2W on a glass substrate using this PCVD method.
It was created using the output of Furthermore, silicon nitride was added as a barrier layer to prevent oxidation on the top surface using the same reaction apparatus shown in Figure 1.
Laminated to a thickness of . Thereafter, a portion of this silicon nitride was removed, and an ohmic contact electrode was provided in this portion as a parallel electrode, and the electrical conductivity characteristics were investigated. Then, the semiconductor film using conventional raw silane is
The dark electrical conductivity is on the order of 10 -7 (Ωcm) -1 (1 to 9
×10 -7 (Ωcm) -1 ) value. On the other hand, when silane was used for purification according to the present invention, the dark conductivity was reduced to about 1/100, with a value of 1 to 30×10 -9 (Ωcm) -1 . When AM1 (100 mW/cm 2 ) was irradiated in the area 60, it had 1×10 −4 (Ωcm) −1 in the conventional method using raw silane. On the other hand, in the method using the purified silane of the present invention, the photoconductivity was on the order of 2×10 -3 (Ωcm) -1 , which was about one order of magnitude higher than that of the conventional example. From the above, in the conventional method, there was only a difference of 10 3 to 10 4 between dark conductivity and photo conductivity. However, it has been found that by using the purified silane of the present invention, it is possible to achieve a semiconductor that has a difference of as much as 10 5 to 10 6 and is sensitive to light. As is clear from the above explanation, by using a method in which oxygen, mainly silicon oxide, which is an impurity in the silane of the present invention, is denatured, and further removed by this denatured impurity, We were able to produce ultra-high purity silane. As a result, the oxygen concentration of a semiconductor film, particularly a silicon film, using this purified silane could be reduced to about 1/100, and the electrical characteristics could be further improved. This improvement in electrical properties promotes improved industrial properties and reliability in semiconductor electronics, and is used in semiconductor devices such as photoelectric conversion devices, optical sensors, electrostatic copying machines, insulated gate field-effect semiconductors, and their integrated devices. It was extremely effective. In the present invention, the cylinder was used as the third container as shown in FIG. However, it is possible to manufacture a silicon semiconductor, silicon nitride, or silicon compound film by directly connecting the doping system of a PCVD device or LPCVD device and integrating the reaction system for manufacturing a semiconductor device with the method of the present invention without using this cylinder. is valid. Furthermore, the present invention primarily refers to monosilane. However, the method of the present invention, which allows impurities to react once and then uses the difference in BP to remove and purify impurities that could not be removed conventionally, also produces reaction products (water, hydrogen fluoride, etc.) for other semiconductor gases. etc.) and the product to be purified (silane, etc.) is 20°C or more.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明方法を用いた精製系を示す。 FIG. 1 shows a purification system using the method of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 弗化水素液体の充填された第1の容器にシラ
ン気体を導入して混合することにより、前記シラ
ン中に含まれた酸化珪素不純物を水と弗化珪素に
変成せしめる工程と、前記第1の容器より導出さ
れたシランを第2の容器にて−112〜−185℃の温
度に保持して液化せしめ、さらにこの液化シラン
を−65〜−110℃にて気化せしめることにより前
記水、弗化珪素及び弗化水素をトラツプする工
程、または前記第1の容器より導出されたシラン
を−65〜−110℃の温度に保持された第2の容器
に導入して前記水、弗化珪素および弗化水素をト
ラツプしてシランを精製する工程と、この後該精
製されたシランを保存用第3の容器または反応系
に供給する工程とを有せしめたことを特徴とする
シラン精製方法。 2 特許請求の範囲第1項において、液化弗化水
素を0〜−83℃に保持することにより、第1の容
器内で反応生成物の水を固体化せしめることを特
徴とするシラン精製方法。
[Claims] 1. Silane gas is introduced into a first container filled with a hydrogen fluoride liquid and mixed, thereby converting silicon oxide impurities contained in the silane into water and silicon fluoride. The silane extracted from the first container is liquefied by maintaining it at a temperature of -112 to -185°C in a second container, and the liquefied silane is further vaporized at -65 to -110°C. The step of trapping the water, silicon fluoride and hydrogen fluoride, or introducing the silane extracted from the first container into a second container maintained at a temperature of -65 to -110° C. It is characterized by comprising a step of purifying silane by trapping water, silicon fluoride, and hydrogen fluoride, and a step of thereafter supplying the purified silane to a third storage container or a reaction system. Silane purification method. 2. The silane purification method according to claim 1, characterized in that water as a reaction product is solidified in the first container by maintaining liquefied hydrogen fluoride at a temperature of 0 to -83°C.
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