[发明专利]高纯粒状硅及其制造方法

说明书

本申请是申请号为200580038841.0、申请日为2005年11月10日、发 明名称为“高纯粒状硅及其制造方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及高纯粒状硅粒子及其用在半导体工业中的有效制造方法。

背景技术

半导体工业中使用的多数单晶硅是通过Czochralski(“Cz”)法制备 的。在该方法中，在坩锅中熔化高纯多晶硅，将晶种浸入硅熔体，在熔融 硅以单晶形式在晶体-熔体界面固化时缓慢提拉晶种，由此制造单晶硅结晶 块。作为要在坩锅中熔化的高纯硅的来源，粒状硅提供了优于块状硅的某 些优点。例如，粒状硅较不大可能损害坩锅，装入坩锅时花费较少时间， 并可以在晶体生长过程中在坩锅中再装入硅。在共同转让的美国专利 5,919,303中更详细描述了粒状硅的这些和其它优点，其公开内容经此引用 并入本文。

粒状硅粒子可以通过化学气相沉积(CVD)在流化床反应器中制造。 在美国专利5,405,658、5,322,670、4,868,013、4,851,297和4,820,587中描 述了这种方法和相关技术，它们的内容各自经此引用并入本文。一般而言， 使含硅晶种粒子的粒子床在反应器中流化，并与包含含硅化合物的可热分 解的硅沉积气体在高于该化合物分解温度的温度接触。这导致硅沉积在流 化床中的粒子表面上。沉积气体中的含硅化合物通常合意地为硅烷(SiH₄)， 但也可以使用Si_nH_(2n+2)形式的其它硅烷(例如二硅烷)或卤化硅烷(例如 氯化的硅烷)。通过连续使硅粒子与硅沉积气体接触，硅连续沉积在粒子 上，这使它们生长得更大。从反应器中收取的粒子包括显著量的在反应器 中沉积到粒子上的硅。可以向反应器供应新晶种粒子以替换收取的粒子。 该方法基本是连续的。例如，可以定期收取一些粒子(例如15％的粒子)， 然后如果必要，可以加入新晶种，以使反应器中的粒子总数保持在所需范 围内。

在流化床反应器中由硅烷沉积硅可以导致异相沉积(即，硅沉积在例 如晶种粒子表面之类的表面上)或均相分解(即，硅分解为新的非常小的 无定形粒子)。一般而言，异相沉积是优选的。均相分解存在一些问题。 首先，均相分解制成的无定形粒子，也称作细粒，非常小(例如10微米或 更小)。由于它们的小尺寸，细粒容易从流化床中吹出并进入反应器排气 系统或以其它方式损失。在某些操作条件下，细粒的生成将工艺收率(即， 硅沉积气体中可分解硅转化成可用硅粒子的百分比)削减了20％或更多。 没有流失到废气中的细粒也引起问题，因为它们会涂布所获取的硅粒子， 这使它们布上粉尘。多尘硅粒子较脏且难以操作。此外，当多尘硅粒子被 倒入坩锅以熔化用于CZ晶体生长法时，多尘粒子会临时粘附到拉晶机的 部件上，并然后落入熔融硅中，这在生长的硅结晶块中引起缺陷。

当反应器的操作条件更偏向于直接由气相进行分解而非在沉积气体与 硅粒子表面相互作用的同时进行分解时，更可能发生均相分解。由此，气 泡绕行的程度、流化床中气泡的体积分数、流化床中气泡的平均尺寸、气 泡通过流化床的速度、流化床中粒子的总表面积、含硅化合物在沉积气体 中的浓度、和各种其它因素可以影响均相分解与异相沉积的比率。

提高反应器生产量(即硅沉积在晶种粒子上的速率)以降低粒状硅的 制造成本通常是合意的。可以通过提高含硅化合物在沉积气体中的浓度来 提高生产量。当硅烷浓度高于大约10摩尔％时，例如，与硅烷浓度为大约 5摩尔％或更低时相比，硅以明显更快的速率沉积在粒子表面上。不幸地， 提高硅烷浓度也与均相分解比异相沉积的比率的不合意提高相关联。当沉 积气体含有大约12摩尔％硅烷时，例如，硅总量的15％或更多可以被均 相分解。结果，以高生产量模式运行的反应器往往制成相对多尘的产品， 并由于流失的硅细粒而具有低的收率。