TW201326476A - 形成多晶矽的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種形成多晶矽(polysilicon)的方法，以避免矽柱於成長過程中發生熔化現象，且可在低能量消耗的條件下快速形成具有大尺寸之直徑的矽柱。

Description

形成多晶矽的方法
本發明係一種形成多晶矽(polysilicon)的方法。
多晶矽係一種常見用於光電產業與半導體產業的原料，且隨著光電產業與半導體產業的發展，對多晶矽的需求亦與日俱增。
形成多晶矽的方法包含有矽沈積製程或化學氣相沈積製程(chemical vapor deposition,CVD)，可藉由矽烷(silane)氣體作為原料以形成固相多晶矽。
在矽沈積製程中，係在高溫環境下使矽烷原料氣體藉由氫還原反應與熱分解反應形成矽微粒，且形成的矽微粒將以多晶態沈積於柱體表面或其他顆粒上。例如：使用一化學氣相沈積反應器的西門子沈積製程(Siemens deposition method)，或使用流體化床反應器的一沈積製程。
在矽沈積製程中，增加原料氣體的供應量為增加多晶矽成長速率的方法之一，然而，供應過多的原料氣體並不利於矽沈積製程，因為使用於沈積製程的原料氣體之比例將會隨之下降，而造成多晶矽的產量減少。
此外，使用於西門子沈積製程中的矽柱需時時保持一適合多晶矽沈積的表面溫度，其中，由於熱對流的影響，在多晶矽逐漸沈積於矽柱上亦即矽柱成長的過程中，矽柱之中心與矽柱之表面的一溫度差將隨之上升。據此，當矽柱成長至某一階段時，矽柱之中心部位的溫度將達到多晶矽的熔點，使矽柱發生熔化的現象。因此，西門子沈積製程將無法形成具有大尺寸之直徑例如150毫米(mm)或以上的矽柱。
目前已有數種建議方法被提出以在形成矽柱的過程中不會造成矽柱的熔化，但仍面臨低產率(yield)以及實施不便例如：需改變反應器結構等問題。因此，如何提供一種可克服上述缺點的形成多晶矽的方法實為相關技術者所欲解決的課題。
本發明之目的之一在於提供一種形成多晶矽(polysilicon)的方法，以避免矽柱於成長過程中發生熔化現象，且在毋需變更反應器結構以及低能量消耗(energy consumption)的條件下，可快速形成具有大尺寸之直徑例如150毫米(mm)或以上的矽柱，有助於提升多晶矽製程的產能以及能量使用效率。
本發明之一較佳實施例係提供一種形成多晶矽的方法，其步驟如下。進行一多晶矽沈積反應，使一原料氣體包括二氯矽烷 (dichlorosilane,DCS)以及三氯矽烷(trichlorosilane,TCS)與一還原型氣體進行反應以沈積多晶矽於一反應器的一矽柱上，其中反應器的矽柱包含一高溫矽柱。此外，根據多晶矽沈積反應的一反應完成率(%)，調整原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一莫耳比。
根據本發明之一較佳實施例，在多晶矽沈積反應的任一時間點，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係實質上大於或等於10莫耳百分比(mol%)。
根據本發明之一較佳實施例，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比介於10 mol%至65 mol%，直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於20%至50%時的任一時間點；以及調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係小於10 mol%，自該時間點直到多晶矽沈積反應完成。多晶矽沈積反應的反應完成率之關係式表示為反應完成率(%)=(DT-D0)/(DE-D0)x 100%
其中D0係代表反應前的該矽柱之一原始直徑，DE係代表反應完成的該矽柱之一直徑，且DT係代表反應進行中任一階段的該矽柱之一直徑(D0 DT DE)。
根據本發明之一較佳實施例，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比小於10 mol%，直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於50%至95%時的任一時間點；以及調整原料氣體中二 氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係介於10 mol%至65 mol%，自該時間點直到多晶矽沈積反應完成。
根據本發明之一較佳實施例，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的該莫耳比介於10 mol%至65 mol%，直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於20%至50%時的任一時間點，且將該時間點定義為一第一時間點。接著，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的該莫耳比小於10 mol%，自第一時間點直到多晶矽沈積反應的該反應完成率介於50%至95%時的任一時間點，且將該時間點定義為一第二時間點。然後，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比介於10 mol%至65 mol%，自第二時間點直到多晶矽沈積反應完成。
根據本發明之一較佳實施例，係根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)調整原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一平均莫耳比係實質上大於或等於10 mol%，其中在整個多晶矽沈積反應中，較佳係調整原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的莫耳比均係實質上大於或等於10 mol%。
根據本發明之一較佳實施例，在多晶矽沈積反應中，矽柱之一中心溫度係被維持在低於多晶矽的一熔點。
同時，可預熱原料氣體至攝氏50度與攝氏500度之間後，再提 供原料氣體至反應器。
還原型氣體包括氫氣。
此外，還原型氣體與原料氣體的一莫耳比係介於1：1至1：40。
矽柱之一表面溫度係維持於攝氏1000度與攝氏1200度之間。
根據本發明的多晶矽沈積反應完成的矽柱將具有一最終直徑介於140毫米(mm)與220毫米之間。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
本發明的發明人對於多晶矽的製作方法已做了多方面的研究，並發現隨著多晶矽沈積反應的進行，調整原料氣體中矽烷化合物的組成成分，可在反應的初始階段(initial stage)增加矽柱的成長速率，且避免矽柱於反應的後續階段中發生熔化的現象，據此，可形成具有較大直徑的矽柱。此外，發明人也發現依照上述方法製作多晶矽，可在毋需變更反應器結構以及低能量消耗(energy consumption)的條件下，提升多晶矽製程的產能。
本發明之一較佳實施例係提供一種形成多晶矽的方法，其步驟如下。進行一多晶矽沈積反應，使一原料氣體包括二氯矽烷(dichlorosilane,DCS)以及三氯矽烷(trichlorosilane,TCS)與一還原型氣體進行反應以沈積多晶矽於一反應器的一矽柱上，其中反應器的矽柱包含一高溫矽柱。此外，根據多晶矽沈積反應的一反應完成率(%)，調整原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一莫耳比。
首先，多晶矽沈積反應係在搭配有高溫矽柱的反應器中進行。反應器可為適用於西門子式沈積製程的一鐘罩型反應器(bell jar reactor)，或其他適合的反應器。反應器的結構不限於鐘罩型，僅需搭配有可加熱的高溫矽柱。
請參考第1圖。第1圖繪示了一西門子式化學氣相沈積反應器的剖面圖，且此反應器可搭配本發明之一較佳實施例之形成多晶矽的方法。如第1圖所示，一鐘形反應器20通常固定於一基板10上，其中基板10具有一氣密性凸緣(gas-tight flnge)23，且至少一反應腔室35設置於其中，此外，鐘形反應器20包含一腔室蓋20a，一鐘型內罩20b，以及一冷凝劑流於腔室蓋20a與鐘型內罩20b之間。
基板10包含有一入氣口12以及出氣口14。原料氣體係透過入氣口12流入反應腔室35中，此時入氣口12係連接一含矽的氣體源。之後，經過化學氣相沈積(chemical vapor deposition,CVD)反應 的氣體，將透過出氣口14由反應腔室35中排出。此外，兩電性連通線28從基板10外延伸入反應腔室35中，電性連通線28的各末端均連接一例如由石墨(graphite)組成的電極29，且被一矽柱支撐座27所支撐。
在反應腔室35中，一或多組細矽柱24設置於其中。更詳細地說，一組細矽柱24係一U字型細矽柱包含兩垂直細矽柱24a/24b具有一間隔分別直立設置於反應腔室35中，以及一水平細矽柱24c連接兩垂直細矽柱24a/24b的各頂端。此外，兩垂直細矽柱24a/24b的各底端分別透過電極29以及電性連通線28連接一外接式電源供應器(external electrical power supply)，使該組細矽柱24形成一完整電性迴路。在此西門子式化學氣相沈積反應器裝置中，電流會透過電極29以及電性連通線28流入細矽柱24，且原料氣體也會提供至反應腔室35中，以進行一CVD反應。隨後，細矽柱24將被加熱，且原料氣體包含的氯矽烷類(chlorosilane)化合物將於反應腔室35中發生熱解(pyrolysis)。
據此，透過氯矽烷類化合物的分解，多晶矽將藉由此CVD反應形成於逐漸成長的細矽柱24上。矽係以多晶(polycrystaline)樣態沈積於矽柱上，使經由矽沈積反應形成的多晶矽柱26逐步成長至具有所需直徑大小。之後，反應器裝置將被關閉以停止反應，且將反應過的製程氣體自反應腔室35中排出，然後，打開反應器20以獲取多晶矽柱22。
在本發明的形成多晶矽的方法中，原料氣體包含二氯矽烷(dichlorosilane,DCS)以及三氯矽烷(trichlorosilane,TCS)。
習知形成多晶矽的方法中，為考量矽的沈積溫度，原料氣體主要包含三氯矽烷(TCS)，其化學反應式表示為SiHCl3+H2→Si+SiHCl3+SiCl4+HCl+H2，或矽甲烷(monosilane)，其化學反應式表示為SiH4→Si+H2。而四氯矽烷(tetrachlorosilane,SiCl4)由於進行矽沈積反應時所需的溫度過高(攝氏1500度或更高)，且反應副產品沸點過高，因此有所受限，而不適於作為原料氣體。另外，二氯矽烷(DCS)也極少作為矽沈積反應的原料氣體，由於其與三氯矽烷(TCS)或矽甲烷相比，矽生產率亦即良率(yield)較低。即使在習知多晶矽製作方法欲使用二氯矽烷(DCS)作為原料氣體，通常也是將二氯矽烷(DCS)與三氯矽烷(TCS)先形成混合物再作為原料氣體，其中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比約係實質上小於或等於5莫耳百分比(mol%)。
而本發明的原料氣體係將包含二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)之混合物，根據多晶矽沈積反應的完成程度，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的一莫耳比。更詳細地說，在多晶矽沈積反應的任一時間點，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係實質上大於或等於10 mol%，使矽柱的成長速率被控制在一最佳值，且增加形成的矽柱之最大直徑值。
也就是說，在反應的初始階段(initial stage)調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比均係實質上大於或等於10 mol%，可增加矽柱的成長速率。此外，一般進行三氯矽烷(TCS)的熱解反應，在反應的後續階段中，矽柱之一中心溫度會上升至大約多晶矽的熔點，大約攝氏1414度。在這一方面，本發明則將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至實質上大於或等於10 mol%，有助於避免矽柱的熔化，使得矽柱的生長更有效率。另外，也可將上述反應的初始階段與後續階段結合，或根據多晶矽沈積反應的完成程度，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係實質上大於或等於10 mol%，均有助於改善矽的生產率。
簡言之，根據上述說明，本發明一較佳實施之一種形成多晶矽的方法，包含下列步驟。首先，進行一多晶矽沈積反應，使一原料氣體包括二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)與一還原型氣體進行反應以沈積多晶矽於一反應器的一矽柱上，且反應器的矽柱包括一高溫矽柱。此外，根據多晶矽沈積反應的完成程度例如：一反應完成率(%)，調整該原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一莫耳比。其中，在多晶矽沈積反應的任一時間點，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係實質上大於或等於10 mol%。
更詳細地說，根據本發明之一較佳實施例，在進行多晶矽沈積反 應時，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比介於10 mol%至65 mol%，直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於20%至50%時的任一時間點。隨後，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係小於10 mol%，自該時間點直到多晶矽沈積反應完成。多晶矽沈積反應的反應完成率之關係式表示為反應完成率(%)=(DT-D0)/(DE-D0)x 100%
其中D0係代表反應前的該矽柱之一原始直徑，DE係代表反應完成的該矽柱之一直徑，且DT係代表反應進行中任一階段的該矽柱之一直徑(D0 DT DE)。
在上述實施例中，從反應的初始階段，亦即矽柱僅具有一較小直徑與表面面積，且反應速率緩慢時，直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於20%至50%時的任一時間點，較佳是介於25%至45%時的任一時間點，更佳是介於30%至40%時的任一時間點，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比介於10 mol%至65 mol%，較佳是介於10 mol%至60 mol%，更佳是介於15 mol%至55 mol%，藉由增加二氯矽烷(DCS)於原料氣體中所占的莫耳比，可增加矽柱的成長速率。
原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比較佳係實質上調整至大於或等於10 mol%以發揮改善矽柱成長速率的效果。此外，由於二氯矽烷(DCS)對矽沈積製程的生產良率低於三氯矽烷(TCS)，因此過量添加的二氯矽烷(DCS)將減少矽的生產率，為 克服此問題，二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比較佳係實質上調整至小於或等於65 mol%。
另外，關於調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係小於10 mol%自該時間點直到多晶矽沈積反應完成，其中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比較佳是介於2 mol%至10 mol%，更佳是介於2 mol%至8 mol%，使三氯矽烷(TCS)更有效率地協助形成矽柱。
矽柱之直徑可用反應器所具有的柱直徑量測裝置進行測量。在柱直徑量測裝置中，舉例來說，先將自反應腔室35排出的氣體藉由氣相層析儀或其他合適的儀器進行成分分析，且從被消耗之供應的二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)與矽累積量的關係式，得到形成的多晶矽之重量，再以形成的多晶矽之重量計算出多晶矽柱的直徑。
矽柱需保持一表面溫度介於適合多晶矽沈積於表面的一預定溫度區間，然而，由於熱對流的影響，在多晶矽逐漸沈積於矽柱上亦即矽柱成長的過程中，矽柱之中心與矽柱之表面的一溫度差將隨之上升。習知形成多晶矽的方法中，在矽柱成長的過程中，矽柱之一中心溫度將達到多晶矽的熔點，大約攝氏1414度，而造成矽柱熔化，使得形成的矽柱無法具有較大的直徑例如：150毫米(mm)或以上。
本實施例於多晶矽沈積反應的後續階段亦即多晶矽柱已成長至一程度後，增加二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比，以增加矽柱的額外成長量。由於與三氯矽烷(TCS)相比，二氯矽烷(DCS)可在具有一較低溫度的環境下進行矽的沈積反應，也就是說，可在一低溫環境下藉由二氯矽烷(DCS)的熱裂解而進行矽沈積反應，而減緩矽柱的中心溫度之增加。
根據本發明之一較佳實施例，在進行多晶矽沈積反應時，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比小於10 mol%，直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於50%至95%(以前述的反應完成率之關係式定義)時的任一時間點。接著，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係介於10 mol%至65 mol%，自該時間點直到多晶矽沈積反應完成。
在此實施例中，原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係調整至小於10 mol%(較佳是介於2 mol%至10 mol%，更佳是介於2 mol%至8 mol%)，直到進行多晶矽沈積反應的後續階段之前，亦即直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於50%至95%時的任一時間點之前(較佳是介於60%至90%時的任一時間點之前，更佳是介於70%至85%時的任一時間點之前)。此時，由於前述理由，矽柱的中心溫度不易升高。
隨後，原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比 係調整增加至介於10 mol%至65 mol%，較佳是介於10 mol%至60 mol%，更佳是介於15 mol%至55 mol%，以自該時間點後直到多晶矽沈積反應完成，亦即多晶矽沈積反應的後續階段中增加矽柱的額外成長量。
矽柱之中心溫度與矽柱之表面溫度的溫度差將於多晶矽沈積反應的後續階段中上升。根據本發明所提供的形成多晶矽的方法，將量測矽柱之中心溫度以調整二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比。也就是說，當矽柱之中心溫度(Ts)達到接近多晶矽的熔點(大約攝氏1414度)時，根據此實施例，可量測矽柱之中心溫度以調整增加二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比至介於10 mol%至65 mol%，較佳是介於10 mol%至60 mol%，更佳是介於15 mol%至55 mol%。藉由此方法，即使未增加矽柱之中心溫度，仍可藉由在低溫環境熱裂解二氯矽烷(DCS)以進行矽沈積反應，使矽柱進一步成長。
如前所述，在多晶矽沈積反應的初始階段(initial stage)增加原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比，可增加矽柱的成長速率，或是於同一反應器，同時在多晶矽沈積反應的後續階段中增加原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比，以促成矽柱進一步的成長，而更有效提升矽生產率。
根據本發明之一較佳實施例，在進行多晶矽沈積反應時，調整原 料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比介於10 mol%至65 mol%，直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於20%至50%時的任一時間點，且將該時間點定義為一第一時間點。接著，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比小於10 mol%，自第一時間點直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於50%至95%時的任一時間點，且將該時間點定義為一第二時間點。然後，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比介於10 mol%至65 mol%，自第二時間點直到多晶矽沈積反應完成。
在多晶矽沈積反應的初始階段，矽柱之表面積較小且矽沈積的反應速率較慢(直到多晶矽沈積反應的反應完成率介於20%至50%時的任一時間點，較佳是介於25%至45%時的任一時間點，更佳是介於30%至40%時的任一時間點)，此時增加原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比至介於10 mol%至65 mol%，較佳是介於10 mol%至60 mol%，更佳是介於15 mol%至55 mol%，以提高原料氣體中二氯矽烷(DCS)所佔的莫耳比，可有效加快矽柱的成長速度。
之後，在達到多晶矽沈積反應的後續階段之前(亦即多晶矽沈積反應的反應完成率介於50%至95%時的任一時間點，較佳是介於60%至90%時的任一時間點，更佳是介於70%至85%時的任一時間點)，原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比將被調整至小於10 mol%(較佳是介於2 mol%至10 mol%，更佳是介於2 mol%至8 mol%)。
接著，從該時間點至多晶矽沈積反應完成，原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比將被增加至介於10 mol%至65 mol%，較佳是介於10 mol%至60 mol%，更佳是介於15 mol%至55 mol%，即使多晶矽沈積反應已進入後續階段，仍可再造成矽柱的成長。
根據本發明之一較佳實施例，係根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的一平均莫耳比係實質上大於或等於10 mol%。
根據此實施例，係於整個多晶矽沈積反應的過程，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的平均莫耳比均係實質上大於或等於10 mol%。據此，當矽柱之中心溫度維持在低於多晶矽的熔點的情形下，反應完成的矽柱將具有一最終直徑接近甚或大於200毫米，且能量使用效率較好。
原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比亦根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)進行調整，使原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的平均莫耳比係實質上大於或等於10 mol%，較佳是介於10 mol%至60 mol%，或15 mol%至55 mol%，更佳是介於25 mol%至55 mol%，以達到最佳矽生產率。
為進一步改善矽生產率，可調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比在整個多晶矽沈積反應的過程中均係實質上大於或等於10 mol%，較佳是大於或等於20 mol%，或大於或等於30 mol%，使原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的平均莫耳比可在上述範圍中。
於此，原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)進行調整，且平均莫耳比於整個多晶矽沈積反應中均被維持於在上述範圍中。因此，根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)調整的莫耳比所具有的變異度(variation)無需特別限制。
在上述形成多晶矽的方法之各個實施例中，值得注意的是，矽柱之中心溫度(Tc)會被調整至一預定溫度，且此預定溫度會小於多晶矽的熔點，以避免形成的矽柱發生熔化現象。
矽柱需時時保持一適合的表面溫度以供沈積多晶矽於矽柱表面，然而，由於熱對流的影響，在矽柱逐漸成長的過程中，矽柱之中心溫度與矽柱之表面溫度的一溫度差將隨之上升。因此，為避免已形成的矽柱熔化，較佳係將矽柱之中心溫度控制在小於多晶矽的熔點(亦即較佳係小於攝氏1414度)。
此外，在上述形成多晶矽的方法之各個實施例中，矽柱之一表面溫度係維持於攝氏1000度與攝氏1200度之間，較佳是維持於攝氏1050度與攝氏1200度之間，更佳是維持於攝氏1050度與攝氏1150度之間。
為更有效率地自包含二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的原料氣體沈積多晶矽於矽柱表面，且使矽柱成長至具有一預定直徑，較佳係將矽柱之表面溫度維持在上述範圍中。其中矽柱之表面溫度可利用一瞄準鏡(sight glass)搭配輻射溫度計(radiation therometer)進行量測。
在上述形成多晶矽的方法之各個實施例中，較佳係先預熱原料氣體，再提供原料氣體至反應器中。
當供應預熱的原料氣體，矽柱表面與原料氣體之間由於熱對流的熱散失量能夠有所降低。因此，可提高多晶矽沈積反應的反應效率，並抑制矽柱之中心溫度上升的現象。在此，原料氣體的預熱溫度並未特別限定，然而，根據本發明的一較佳實施例，係先預熱原料氣體至攝氏50度與攝氏500度之間，且根據預熱效果較佳是預熱原料氣體至攝氏75度與攝氏400度之間，更佳是預熱原料氣體至攝氏100度與攝氏300度之間，再提供原料氣體至反應器中。
本發明進行多晶矽沈積反應所使用的還原型氣體包括氫氣 (hydrogen gas,H2)。
在此，還原型氣體與原料氣體的一莫耳比係被調整至介於1：1至1：40，較佳是介於1：1至1：30，更佳是介於1：1至1：20。為加快矽柱生長，還原型氣體與原料氣體的莫耳比較佳是被調整於上述範圍中。
根據本發明的多晶矽沈積反應所完成的矽柱可具有一最終直徑介於140毫米(mm)與220毫米之間，較佳是介於150毫米與210毫米之間，更佳是介於150毫米與200毫米之間。
在習知形成多晶矽的方法中，原料氣體通常未包含二氯矽烷(DCS)，或者僅包含5mol%甚或濃度更低的少量二氯矽烷(DCS)，因此，由於矽柱中心溫度的考量(需小於多晶矽的熔點)，形成的矽柱往往無法具有較大的最終直徑例如：150毫米(mm)或以上。而本發明的原料氣體除了同時包含二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)，也根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比，因此，多晶矽可於一較低溫的環境下進行沈積，而使矽柱穩定成長，據此，矽柱的最終直徑可增加至介於140毫米與220毫米之間。
上述實施例中所述改善矽柱成長速度的方法包含根據多晶矽沈積反應的進行程度，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比，或是控制矽柱之中心溫度，可被運用於西門子沈積 製程，或是流體化床反應器製程，或是其他習知多晶矽沈積製程中，在此不多加贅述。
接下來，為使習知技術者更瞭解本發明，將列舉數個實施樣態。該些實施樣態僅為說明使用，本發明並不限於此。
第一實施態樣：
係使用具有如第1圖所示的結構之反應器形成多晶矽。
在此，反應器中所包含的矽柱(原始直徑大約為7毫米(mm))之數目總和為54，且反應器中的壓力調整至大約6巴絕對壓力(bar absolute)。
原料氣體包含二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)，隨後，氫氣(hydrogen gas,H2)與原料氣體混合，其中氫氣與原料氣體的莫耳比係大約1：8，原料氣體已被預熱至大約攝氏175度，且原料氣體對於每平方毫米矽柱表面積的供應量大約是2.0x1017mol/sec/mm2。
流入矽柱的電流值將會被調整以維持矽柱之表面溫度於大約攝氏1150度。當矽柱的直徑增加至大約為150毫米，定義多晶矽沈積反應的反應完成率達到100%，且計算形成此矽柱所需的能量消耗量。
多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整。當多晶矽沈積反應開始進行，直到反應完成率約為20%時，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約20 mol%，接著，從此時間點直到多晶矽沈積反應完成，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約5 mol%，其中多晶矽沈積反應的反應完成率之關係式表示為反應完成率(%)=(DT-D0)/(DE-D0)x 100%
其中D0係代表反應前的矽柱之一原始直徑(第一實施態樣中矽柱之原始直徑大約為7毫米)，DE係代表反應完成的矽柱之一直徑(第一實施態樣中矽柱之最終直徑大約為150毫米)，且DT係代表反應進行中任一階段的矽柱之一直徑(D0 DT DE)。
請參考表1，表1列示本發明之實施態樣中原料氣體中(二氯矽烷(DCS)與三氯矽烷(TCS)的莫耳比，與多晶矽沈積反應的反應完成率之關係表。如表1所示，原料氣體中二氯矽烷(DCS)與三氯矽烷(TCS)的莫耳比(DCS/TCS)會隨多晶矽沈積反應的進行程度而調整。此外，請參考表2，表2列示本發明之實施態樣中每單位小時的矽生產量(kg/h)與每單位矽生產量的能量消耗量(kWh/kg)之關係表。
第二實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了係在當多晶矽沈積反應開始進行，直到反應完成率約為50%時，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約50 mol%，且從此時間點直到多晶矽沈積反應完成，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約5 mol%。
第三實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了係在當多晶矽沈積反應開始進行，直到反應完成率約為40%時，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約65 mol%，且從此時間點直到多晶矽沈積反應完成，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約5 mol%。
第四實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應 完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了係在當多晶矽沈積反應開始進行，直到反應完成率約為80%時，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約5mol%，且從此時間點直到多晶矽沈積反應完成，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約20 mol%。
第五實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了係在當多晶矽沈積反應開始進行，直到反應完成率約為50%時，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約5mol%，且從此時間點直到多晶矽沈積反應完成，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約50 mol%。
第六實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了係在當多晶矽沈積反應開始進行，直到反應完成率約為95%時，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約5mol%，且從此時間點直到多晶矽沈積反應完成，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約65 mol%。
第七實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了係在當多晶矽沈積反應開始進行，直到反應完成率約為20%時(定義為一第一時間點)，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約20mol%，且從此時間點(第一時間點)直到反應完成率約為80%時(定義為一第二時間點)，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約5mol%，接著，從此時間點(第二時間點)直到多晶矽沈積反應完成，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約20 mol%。
第八實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了係在當多晶矽沈積反應開始進行，直到反應完成率約為50%時，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約50mol%，且從此時間點(第一時間點)直到反應完成率約為95%時(定義為一第二時間點)，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約5mol%，接著，從此時間點(第二時間點)直到多晶矽沈積反應完成，將原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯 矽烷(TCS)的莫耳比調整至大約20 mol%。
第九實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比隨多晶矽沈積反應的反應完成率調整之情形，請參考表1，如表1所列示。
第一比較態樣：
多晶矽沈積反應的實施條件與第一實施樣態類似，除了在整個多晶矽沈積反應中，原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比均調整至大約5mol%。
如同表1及表2所示，第一比較態樣中並未根據多晶矽沈積反應的一反應完成率(%)，對原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比進行調整，此外，如同習知形成多晶矽的方法，在整個多晶矽沈積反應中，原料氣體中所包含的二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比均大約為5mol%或是小於5mol%，造成第一比較態樣具有最低的每單位小時的矽生產量(kg/h)與最高的每單位矽生產量的能量消耗量(kWh/kg)。
相對地，第一實施樣態至第九實施樣態所示的形成多晶矽的方法，會根據多晶矽沈積反應的反應完成率例如：在反應的初始階段，在反應的後續階段，在反應的初始階段以及在反應的後續階段，或是在整個多晶矽沈積反應，調整原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比。據此，與第一比較態樣相比，可獲得較高的每單位小時的矽生產量(kg/h)與較低的每單位矽生產量的能量消耗量(kWh/kg)，也就是說，可有效改善多晶矽製程的生產效率。
第十實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)調整原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的莫耳比，使原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一平均莫耳比調整至大約50 mol%；還有，流入矽柱的電流值將會被調整以維持矽柱之平均表面溫度於大約攝氏1050度。
請參考表3、表4、表5以及表6。表3列示本發明之實施態樣中原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的莫耳比，與多晶矽沈積反應的反應完成率之關係表。表4列示本發明之實施態樣中矽柱之一平均表面溫度值。表5列示矽柱之中心溫度與隨著反應進行改變的矽柱之直徑的關係表。此外，表6列示本發明之實施態樣中每單位小時的矽生產量(kg/h)與每單位矽生產量的能量消耗量(kWh/kg)之關 係表。
第十一實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)調整原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的莫耳比，使原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一平均莫耳比調整至大約50 mol%；還有，流入矽柱的電流值將會被調整以維持矽柱之平均表面溫度於大約攝氏1100度。如表3、表4、表5以及表6所示。
表6
第十二實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了根據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)調整原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的莫耳比，使原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一平均莫耳比調整至大約50 mol%；還有，流入矽柱的電流值將會被調整以維持矽柱之平均表面溫度於大約攝氏1100度；此外，係在當矽柱的直徑增加至大約為175毫米，定義多晶矽沈積反應的反應完成率達到100%。如表3、表4、表5以及表6所示。
第十三實施態樣：
如同第一實施樣態，多晶矽的成長將根據多晶矽沈積反應的反應完成率進行調整，且實施條件亦與第一實施樣態類似，除了根 據多晶矽沈積反應的反應完成率(%)調整原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的莫耳比，使原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一平均莫耳比調整至大約50 mol%；還有，流入矽柱的電流值將會被調整以維持矽柱之平均表面溫度於大約攝氏1100度；此外，係在當矽柱的直徑增加至大約為200毫米，定義多晶矽沈積反應的反應完成率達到100%。如表3、表4、表5以及表6所示。
第二比較態樣：
多晶矽沈積反應的實施條件與第一實施樣態類似，除了在整個多晶矽沈積反應中，原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比均調整至大約5mol%；還有，流入矽柱的電流值將會被調整以維持矽柱之平均表面溫度於大約攝氏1200度。如表3、表4、表5以及表6所示。
如表3至表6所示，第十實施態樣之每單位小時的矽生產量(kg/h)與第二比較態樣之每單位小時的矽生產量(kg/h)相同，但第十實施態樣與第二比較態樣相比，具有較低的矽柱之表面溫度，且可節省20%甚或更多的每單位矽生產量的能量消耗量(kWh/kg)。
此外，值得注意的是，第十一實施態樣至第十三實施態樣的形成多晶矽的方法均可穩定維持矽柱之中心溫度小於多晶矽的熔點，且使矽柱之直徑穩定成長，甚至使矽柱之最終直徑達到200毫米(第十 三實施態樣)。其中，原料氣體中二氯矽烷(DCS)的含量比較習知多晶矽的製作方法中為多，且可在一較低的溫度操作條件下沈積多晶矽。第十一實施態樣至第十三實施態樣中形成多晶矽的方法可有效降低每單位矽生產量的能量消耗量(kWh/kg)，以穩定生成大量的多晶矽。
相反地，第二比較態樣需藉由維持矽柱之中心溫度於一較高溫度值，以獲得與第一比較態樣相比較高的每單位小時的矽生產量(kg/h)。此外，第二比較態樣雖與第十實施態樣具有相同的每單位小時的矽生產量(kg/h)，但第二比較態樣的每單位矽生產量的能量消耗量(kWh/kg)較高。還有，第二比較態樣中，當矽柱之直徑成長至150毫米時，矽柱之中心溫度已增加至多晶矽的熔點(大約攝氏1414度)，使得多晶矽沈積反應無法繼續進行。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧基板
12‧‧‧入氣口
14‧‧‧出氣口
20‧‧‧鐘形反應器
20a‧‧‧腔室蓋
20b‧‧‧鐘型內罩
22‧‧‧多晶矽柱
23‧‧‧氣密性凸緣
24‧‧‧細矽柱
24a‧‧‧垂直細矽柱
24b‧‧‧垂直細矽柱
24c‧‧‧水平細矽柱
26‧‧‧多晶矽柱
27‧‧‧矽柱支撐座
28‧‧‧電性連通線
29‧‧‧電極
35‧‧‧反應腔室
第1圖繪示了一西門子式化學氣相沈積反應器的剖面圖，且此反應器可搭配本發明之一較佳實施例之形成多晶矽的方法。
10‧‧‧基板
12‧‧‧入氣口
14‧‧‧出氣口
20‧‧‧鐘形反應器
20a‧‧‧腔室蓋
20b‧‧‧鐘型內罩
22‧‧‧多晶矽柱
23‧‧‧氣密性凸緣
24‧‧‧細矽柱
24a‧‧‧垂直細矽柱
24b‧‧‧垂直細矽柱
24c‧‧‧水平細矽柱
26‧‧‧多晶矽柱
27‧‧‧矽柱支撐座
28‧‧‧電性連通線
29‧‧‧電極
35‧‧‧反應腔室

Claims (13)

  1. 一種形成多晶矽(polysilicon)的方法，包括：進行一多晶矽沈積反應，使一原料氣體包括二氯矽烷(dichlorosilane,DCS)以及三氯矽烷(trichlorosilane,TCS)與一還原型氣體進行反應以沈積多晶矽於一反應器的一矽柱上，其中該反應器的該矽柱包括一高溫矽柱；以及根據該多晶矽沈積反應的一反應完成率(%)，調整該原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一莫耳比。
  2. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中在該多晶矽沈積反應的任一時間點，調整該原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的該莫耳比係實質上大於或等於10莫耳百分比(mol%)。
  3. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中該多晶矽沈積反應的該反應完成率(%)之關係式表示為反應完成率(%)=(DT-D0)/(DE-D0)x 100%其中D0係代表反應前的該矽柱之一原始直徑，DE係代表反應完成的該矽柱之一直徑，且DT係代表反應進行中任一階段的該矽柱之一直徑(D0 DT DE)；調整該原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的該莫耳比介於10 mol%至65 mol%，直到該多晶矽沈積反應的該反應完成率介於20%至50%時的任一時間點；以及調整該原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比 係小於10 mol%，自該時間點直到該多晶矽沈積反應完成。
  4. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中該多晶矽沈積反應的該反應完成率(%)之關係式表示為反應完成率(%)=(DT-D0)/(DE-D0)x 100%其中D0係代表反應前的該矽柱之一原始直徑，DE係代表反應完成的該矽柱之一直徑，且DT係代表反應進行中任一階段的該矽柱之一直徑(D0 DT DE)；調整該原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的該莫耳比小於10 mol%，直到該多晶矽沈積反應的該反應完成率介於50%至95%時的任一時間點；以及調整該原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比係介於10 mol%至65 mol%，自該時間點直到該多晶矽沈積反應完成。
  5. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中該多晶矽沈積反應的該反應完成率(%)之關係式表示為反應完成率(%)=(DT-D0)/(DE-D0)x 100%其中D0係代表反應前的該矽柱之一原始直徑，DE係代表反應完成的該矽柱之一直徑，且DT係代表反應進行中任一階段的該矽柱之一直徑(D0 DT DE)；調整該原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的該莫耳比介於10 mol%至65 mol%，直到該多晶矽沈積反應的該反 應完成率介於20%至50%時的任一時間點，該時間點係一第一時間點；調整該原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的該莫耳比小於10 mol%，自該第一時間點直到該多晶矽沈積反應的該反應完成率介於50%至95%時的任一時間點，該時間點係一第二時間點；以及調整該原料氣體中二氯矽烷(DCS)以及三氯矽烷(TCS)的莫耳比介於10 mol%至65 mol%，自該第二時間點直到該多晶矽沈積反應完成。
  6. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中根據該多晶矽沈積反應的該反應完成率(%)，調整該原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的一平均莫耳比係實質上大於或等於10 mol%。
  7. 如請求項6所述之形成多晶矽的方法，其中在整個該多晶矽沈積反應中，調整該原料氣體中二氯矽烷以及三氯矽烷的該莫耳比均係實質上大於或等於10 mol%。
  8. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中在該多晶矽沈積反應中，該矽柱之一中心溫度係被維持在低於多晶矽的一熔點。
  9. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中預熱該原料氣體至攝氏50度與攝氏500度之間，再提供原料氣體至該反應器。
  10. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中該還原型氣體包括氫氣。
  11. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中該還原型氣體與該原料氣體的一莫耳比係介於1：1至1：40。
  12. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中該矽柱之一表面溫度係維持於攝氏1000度與攝氏1200度之間。
  13. 如請求項1所述之形成多晶矽的方法，其中根據該多晶矽沈積反應完成的該矽柱具有一最終直徑介於140毫米(mm)與220毫米之間。
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