多晶硅中碳杂质的来源及控制方法探讨

多晶硅中碳杂质的来源及控制方法探讨

摘要：本文简述了多晶硅生产过程中碳杂质的主要来源：甲烷和甲基氯硅烷，对合成炉、冷氢化两种工艺生成甲基氯硅烷进行了对比，并提出了生产中控制碳杂质的方法。

关键词：多晶硅碳杂质甲烷甲基氯硅烷

一、前言

碳是半导体材料中的主要杂质之一，其严重影响产品的电学性能，使硅器件的击穿电压降低，对大功率可控硅器件危害很大。同时碳与氧共同作用，使杂质对材料和器件性能的影响复杂化，导致其使用寿命缩短；此外多晶硅中高浓度的碳会促进氧沉淀的形成[1]，氧沉淀形成会会诱发位错、层错等二次缺陷，这些缺陷会使硅器件漏电流增加，降低了成品率。而多晶硅作为半导体的原材料，其碳含量如果超标，将在后续的加工过程中无法去除，所以，多晶硅生产中就应严格控制碳含量。

目前，多晶硅生产主要采用改良西门子法，其主要原料为三氯氢硅和氢气，其中氢气分为新生氢和回收氢。本文针对改良西门子法生产多晶硅的过程，探讨了还原过程中碳的沉积及生产中的控制方法。

二、多晶硅中碳的来源

1.石墨电极中碳的扩散及反应

碳在多晶硅中大多以替位式存在，其在硅基体中的扩散速度很慢，在还原炉实际反应温度（1100℃左右）替位式碳的扩散系数350℃）；

Si+HCl→SiH2Cl2（温度<280℃）

合成炉法三氯氢硅合成反应的压力一般在0.05-3MPa下进行。从二甲基二氯硅烷合成条件与三氯氢硅合成对比，可以看出，两者的反应反应温度和反应压力基本相近。

1.2冷氢化法合成三氯氢硅

Si+3HCl→SiHCl3+H2；3SiCl4+Si+2H2→4SiHCl3

冷氢化法合成三氯氢硅一般的操作压力在1.5-3.0MPa下进行，反应温度在500-550℃。

从上述反应条件的对比看，DH和MH的合成原料、催化剂以及反应温度和

压力都与合成炉法三氯氢硅合成的运行条件非常相近，而与氯氢化法运行条件差异较大。因此当合成炉法三氯氢硅合成系统是具备DH和MH的生成条件的（原料硅粉中含有碳元素）。

2.生产中碳杂质的控制方法

根据前文论述，生产中建议做到如下四点：1）系统采用冷氢化工艺合成氯硅烷可较好地避免DH和MH的生成；2）回收氢系统应采用合理的吸附剂及工艺，对回收氢中的CH4进行去除；3）如有外购氯硅烷，则需对其中的甲基氯硅烷进行要求和复检，生产经验值为<50ppmv；4）石墨电极材料须有严格要求，煅烧、保存程序合理，拆装炉过程洁净状况合理。

四、结论

1.回收氢中的甲烷和原料中的甲基氯硅烷是还原多晶硅中的碳杂质的主要来源。

2.冷氢化工艺可以较好地避免甲基氯硅烷的生成。

3.合理的控制原料、辅材和拆装炉等工序可以控制多晶硅中的碳杂质含量。

参考文献：

[1]刘培东，硅中的碳、氮、氧及其相互作用[D]，浙江大学，2003：82-88.

[2]持田勋，藤津博，甲烷的高温热裂解反应与炭形成，天然气化学，1991（4）46-51.