300mm直拉单晶硅生长过程中微缺陷的数值分析

300mm直拉单晶硅生长过程中微缺陷的数值分析

常麟

（北京有色金属研究总院，北京100088）

    摘要：超大规模集成电路的高速发展对单晶硅材料提出了愈来愈严格的要求，“大直径，无缺陷”成为目前单晶硅材料发展的趋势。大直径硅片极大的降低了IC制造的生产成本，但在大直径直拉单晶硅过程中形成的微缺陷会影响金属-氧化物-半导体(MOS)器件的栅极氧化层完整性(GOI)，从而影响半导体器件的电学性能。单晶硅中的微缺陷影响集成电路的成品率。随着集成电路中特征线宽的不断缩小，控制和消除直拉单晶硅中的微缺陷是目前硅材料开发面临的最关键问题。

    本文采用有限元法软件FEMAG/CZ对φ300mm直拉法单晶硅生长过程中的微缺陷浓度和分布进行了模拟，分析了CUSP磁场，晶体生长速度和热屏位置对单晶硅中微缺陷的影响，并通过热场改进来降低其对单晶硅质量的影响。模拟考虑了磁场强度、热传导、热辐射和气体/熔体对流等物理现象，采用有限元算法，以热动力学第一定律即热能守恒定律，和动量守恒定律作为控制方程，计算了晶体生长速度，热屏位置， CUSP磁场不同通电线圈距离和不同通电线圈半径条件下单晶硅体内微缺陷浓度和分布情况。

    φ300mm直拉单晶硅生长过程中，晶体中的氧含量随CUSP磁场通电线圈距离和半径的变化呈现一定规律。熔体中的热对流对单晶硅体中的氧含量有重要影响。保持CUSP磁场对称面与熔体增塌界面交点处的径向分量不变，调节CUSP磁场通电线圈的距离和半径，随着通电线圈距离和半径的增大，硅熔体径向磁场强度逐渐增大，对坩埚底部熔体向晶体熔体固液界面处对流的抑制作用加强，固液界面下方轴向流速减小，使得从坩埚底部运输上来的富氧熔体减少，继而固液界面处的氧浓度降低。应用CUSP磁场，随着其通电线圈距离和半径的增大，为保持硅熔体中一定的磁场强度分布，施加的电流也逐渐增大，与增大通电线圈距离相比，增大通电线圈半径所需的电流较大，能耗较大，增加生产成本，不宜采用。

    CUSP磁场通电线圈的距离对于单晶硅中的氧浓度有着显著影响。保持通电电流强度不变，随着通电线圈距离的增大，单晶硅中的氧浓度先降低后升高，同时氧浓度的均匀性也表现出了相同的变化规律。

    单晶硅中微缺陷的分布，在晶体中心区域易出现空位型缺陷，在靠近晶体边缘处易出现间隙型缺陷。在晶体的冷却过程中，晶体的中心会出现与空位相关的缺陷聚集，如COPs等。随着晶体生长速度的不断增大，单晶硅中以空位为主的微缺陷区域逐渐增大，以间隙原子为主的微缺陷区域逐渐减小，同时，间隙型微缺陷的浓度呈现不断减小的趋势，空位型微缺陷的浓度呈现不断增大趋势。随着晶体生长速度的不断增大，单晶硅体中CI-CV=0的区域先增大，后减小。(CI为单晶体中间隙型微缺陷的浓度， CV为单晶体中空位型缺陷的浓度)。这与不同拉晶速度时，晶体生长速度Vpul和固液界面处瞬时轴向温度梯度G的比值关系密切。随着晶体拉速的增大，V/G值在临界范围内沿固液界面径向分布的距离呈现一个极大值后减小，所以晶体拉速的逐渐增大，晶体中CI-CV=0的区域增大后随之减小。

    随着晶体生长速度的增大，晶体熔体固液界面形状发生明显变化，固液界面弯曲幅度不断增大，界面更加凸向晶体，晶体生长过程中容易受热场中温度波动和熔体对流的影响，不利于晶体拉制的成功率。

    适当的增加热屏底端距硅熔体自由表面的距离，石墨加热器从热屏底端辐射到硅熔体自由表面的热量增多，晶体熔体固液界面处的轴向温度梯度和径向温度梯度减小，固液界面形状变得平缓。同时由于晶体生一长速度Vpul和固液界面处瞬时轴向温度梯度G的比值的转变，适当的增加热屏底端距硅熔体自由表面的距离，改善了晶体中微缺陷的分布，晶体中空位型缺陷的区域增大，间隙型缺陷的区域减小。热屏底端距硅熔体自由表面距离的增加，石墨加热器维持晶体正常生长的加热功率减小，降低了石英坩埚壁的温度，坩埚与熔硅的反应速度降低，产生的SiO数量减少，从而降低了单晶硅体中的氧含量。

    关键词：单晶硅的微缺陷，数值分析，CUSP磁场，晶体生长速度，热屏位置