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1、ParticleDefectsonEpitaxialSurfacewith300mmSiSubstrates300mm硅外延片表面顆粒缺陷的研究劉大力*，馮泉林，周旗鋼，何自強(qiáng)，常麟，閆志瑞(北京有色金屬研究總院有研半導(dǎo)體材料股份有限公司，北京100088)摘要：本文研究了不同拉晶速率對(duì)300mm硅外延片表面缺陷的影響，SP1(表面激光顆粒掃描儀)測(cè)試結(jié)果表明：較低的拉晶速率下，外延片表面出現(xiàn)環(huán)狀顆粒缺陷分布帶；較高的拉晶速率下，外延片表面的環(huán)形缺陷帶消失。利用FEMAG/CZ軟件模擬了不同速率下晶體的生長(zhǎng)結(jié)果，結(jié)
2、合其ci-cv分布圖，分析出這種環(huán)狀分布的顆粒缺陷是由于晶體中間隙原子富集區(qū)產(chǎn)生的微缺陷，在外延過程中(1050℃)聚集長(zhǎng)大，從而在界面處造成晶格畸變引起的。隨著襯底拉速的降低，間隙原子富集區(qū)的面積增大，硅片外延后越容易出現(xiàn)環(huán)狀分布的顆粒缺陷。因此在單晶硅拉制過程中，為了避免這種環(huán)狀缺陷的產(chǎn)生，應(yīng)適當(dāng)提高晶體的拉速。關(guān)鍵詞：顆粒缺陷；外延；SP1；拉速NumericalSimulationofφ300mmCZSicrystalmicrodefects300mm直拉單晶硅生長(zhǎng)過程中微缺陷的數(shù)值分析常麟（北京有色金屬研
3、究總院，北京100088）摘要：超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展對(duì)單晶硅材料提出了愈來愈嚴(yán)格的要求，“大直徑，無缺陷”成為目前單晶硅材料發(fā)展的趨勢(shì)。大直徑硅片極大的降低了IC制造的生產(chǎn)成本，但在大直徑直拉單晶硅過程中形成的微缺陷會(huì)影響金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)器件的柵極氧化層完整性(GOI)，從而影響半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。單晶硅中的微缺陷影響集成電路的成品率。隨著集成電路中特征線寬的不斷縮小，控制和消除直拉單晶硅中的微缺陷是目前硅材料開發(fā)面臨的最關(guān)鍵問題。本文采用有限元法軟件FEMAG/CZ對(duì)φ300mm直拉法單晶硅
4、生長(zhǎng)過程中的微缺陷濃度和分布進(jìn)行了模擬，分析了CUSP磁場(chǎng)，晶體生長(zhǎng)速度和熱屏位置對(duì)單晶硅中微缺陷的影響，并通過熱場(chǎng)改進(jìn)來降低其對(duì)單晶硅質(zhì)量的影響。模擬考慮了磁場(chǎng)強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)、熱輻射和氣體/熔體對(duì)流等物理現(xiàn)象，采用有限元算法，以熱動(dòng)力學(xué)第一定律即熱能守恒定律，和動(dòng)量守恒定律作為控制方程，計(jì)算了晶體生長(zhǎng)速度，熱屏位置，CUSP磁場(chǎng)不同通電線圈距離和不同通電線圈半徑條件下單晶硅體內(nèi)微缺陷濃度和分布情況。φ300mm直拉單晶硅生長(zhǎng)過程中，晶體中的氧含量隨CUSP磁場(chǎng)通電線圈距離和半徑的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律。熔體中的熱對(duì)流對(duì)單
5、晶硅體中的氧含量有重要影響。保持CUSP磁場(chǎng)對(duì)稱面與熔體增塌界面交點(diǎn)處的徑向分量不變，調(diào)節(jié)CUSP磁場(chǎng)通電線圈的距離和半徑，隨著通電線圈距離和半徑的增大，硅熔體徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，對(duì)坩堝底部熔體向晶體熔體固液界面處對(duì)流的抑制作用加強(qiáng)，固液界面下方軸向流速減小，使得從坩堝底部運(yùn)輸上來的富氧熔體減少，繼而固液界面處的氧濃度降低。應(yīng)用CUSP磁場(chǎng)，隨著其通電線圈距離和半徑的增大，為保持硅熔體中一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，施加的電流也逐漸增大，與增大通電線圈距離相比，增大通電線圈半徑所需的電流較大，能耗較大，增加生產(chǎn)成本，不宜采
6、用。CUSP磁場(chǎng)通電線圈的距離對(duì)于單晶硅中的氧濃度有著顯著影響。保持通電電流強(qiáng)度不變，隨著通電線圈距離的增大，單晶硅中的氧濃度先降低后升高，同時(shí)氧濃度的均勻性也表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律。單晶硅中微缺陷的分布，在晶體中心區(qū)域易出現(xiàn)空位型缺陷，在靠近晶體邊緣處易出現(xiàn)間隙型缺陷。在晶體的冷卻過程中，晶體的中心會(huì)出現(xiàn)與空位相關(guān)的缺陷聚集，如COPs等。隨著晶體生長(zhǎng)速度的不斷增大，單晶硅中以空位為主的微缺陷區(qū)域逐漸增大，以間隙原子為主的微缺陷區(qū)域逐漸減小，同時(shí)，間隙型微缺陷的濃度呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，空位型微缺陷的濃度呈現(xiàn)不斷增
7、大趨勢(shì)。隨著晶體生長(zhǎng)速度的不斷增大，單晶硅體中CI-CV=0的區(qū)域先增大，后減小。(CI為單晶體中間隙型微缺陷的濃度，CV為單晶體中空位型缺陷的濃度)。這與不同拉晶速度時(shí)，晶體生長(zhǎng)速度Vpul和固液界面處瞬時(shí)軸向溫度梯度G的比值關(guān)系密切。隨著晶體拉速的增大，V/G值在臨界范圍內(nèi)沿固液界面徑向分布的距離呈現(xiàn)一個(gè)極大值后減小，所以晶體拉速的逐漸增大，晶體中CI-CV=0的區(qū)域增大后隨之減小。隨著晶體生長(zhǎng)速度的增大，晶體熔體固液界面形狀發(fā)生明顯變化，固液界面彎曲幅度不斷增大，界面更加凸向晶體，晶體生長(zhǎng)過程中容易受熱場(chǎng)中溫
8、度波動(dòng)和熔體對(duì)流的影響，不利于晶體拉制的成功率。適當(dāng)?shù)脑黾訜崞恋锥司喙枞垠w自由表面的距離，石墨加熱器從熱屏底端輻射到硅熔體自由表面的熱量增多，晶體熔體固液界面處的軸向溫度梯度和徑向溫度梯度減小，固液界面形狀變得平緩。同時(shí)由于晶體生一長(zhǎng)速度Vpul和固液界面處瞬時(shí)軸向溫度梯度G的比值的轉(zhuǎn)變，適當(dāng)?shù)脑黾訜崞恋锥司喙枞垠w自由表面的距離，改善了晶體中微缺陷的分布，晶
