1、Particle Defects on Epitaxial Surface with 300 mm Si Substrates300 mm 硅外延片表面颗粒缺陷的研究刘大力* ，冯泉林，周旗钢，何自强，常麟，闫志瑞( 北京有色金属研究总院有研半导体材料股份有限公司，北京 100088)摘要： 本文研究了不同拉晶速率对 300 mm 硅外延片表面缺陷的影响， SP1( 表面激光颗粒扫描仪) 测试结果表明： 较低的拉晶速率下，外延片表面出现环状颗粒缺陷分布带；较高的拉晶速率下，外延片表面的环形缺陷带消失。利用FEMAG/CZ 软件模拟了不同速率下晶体的生长结果，结合其 ci-cv 分布图，分析出这
2、种环状分布的颗粒缺陷是由于晶体中间隙原子富集区产生的微缺陷，在外延过程中(1050) 聚集长大，从而在界面处造成晶格畸变引起的。随着衬底拉速的降低，间隙原子富集区的面积增大，硅片外延后越容易出现环状分布的颗粒缺陷。因此在单晶硅拉制过程中，为了避免这种环状缺陷的产生，应适当提高晶体的拉速。关键词： 颗粒缺陷； 外延； SP1； 拉速Numerical Simulation of 300mm CZ Si crystal microdefects300mm 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
3、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 300mm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
4、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。300mm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
5、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
6、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。(C I 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，
7、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
8、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Czochralskis Creative Mistake: A Milestone on the Way to the Gigabit Era切克劳斯基极富创意的失误：通往千兆纪元路上的里程碑Jrgen Evers，* Peter Klfers ， Rudolf Staudigl，* and Peter Stallhofer摘要：工业领域、科学领域和
9、社会领域中许多剧变，要归因于于微电子工业的日新月异的发展。这一发展已影响到人们的日常生活，你只需看看各种手机和信用卡上的芯片就能意识到这点。微电子工业的原料，是高纯度的、具有几乎完美晶体结构的单晶硅。目前世界上 95%的单晶硅的生产工艺沿用了 1916 年切克劳斯基创建的工艺。现在的单晶硅可以生长到 2m 长，直径可达 300mm，重达 265kg。磁场的应用给晶体生长技术带来了显著的进步。进一步的研究表明，除了保证晶体直径不断增长的技术之外，缺陷预测，以及对于晶体缺陷中众多基于温度的反应的控制，极富重要性。关键词：晶体生长，切克劳斯基，缺陷预测，微电子，晶体硅Crystal shape 2D
10、 modeling for transient CZ silicon crystal growth瞬态 CZ 法硅晶体生长晶形的二维模拟A.Sabanskis a， K.Bergfelds a， A.Muiznieks a， Th.Schrck b， A.Krauze aa Faculty of Physics and Mathematics， University of Latvia， Zeu Street8，LV-1002，Riga，Latviab Siltronic AG，Hanns-Seidel-Platz4，D-81737Mnchen，Germany摘要：本文给出某 CZ 法单晶硅生
11、长的非稳态轴对称模型。模型描述了晶体 -熔体、熔体-气体、晶体- 气体界面的瞬态行为，同时描述了通过改变晶体拉伸速度和加热器功率实现晶体直径的 PID 控制。为模拟晶形的明显变化，模型采用非结构化有限单元网格剖分晶体部分和熔体部分，并采用自动单元尺寸控制技术。加热器的温度变化通过一个简化的集成模型模拟。同时给出一个生长锥生长的数值模拟案例。关键词：计算机模拟，相界，热传导，CZ 法，熔体生长Numerical Simulation of CUSP Magnetic Field on Oxygen Concentration Distribution in CZ-Si Crystal Growt
12、hCUSP 磁场对直拉单晶硅氧浓度分布影响的数值模拟常麟* ，周旗钢，戴小林，鲁进军，卢立延( 北京有色金属研究总院有研半导体材料股份有限公司，北京 100088)摘要： 利用有限元分析软件 FEMAG/CZ 对 300 mm 直拉单晶硅生长过程进行模拟，分析了保持 CUSP 磁场对称面与熔体坩埚界面交点处的径向分量不变的情况下，单晶硅中氧浓度分别随 CUSP 磁场通电线圈距离、通电线圈半径的变化规律。随着通电线圈距离和半径的增大，晶体-熔体固液界面氧浓度均逐渐降低。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，固液界面下方熔
13、体轴向流速减小，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。随着线圈距离和半径的增大，为保持所需磁场强度，施加电流也逐渐增大，从而能耗增大，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。通过实验，将 CUSP 磁场对单晶中氧浓度分布影响的数值模拟结果与实际晶体生长进行了对比，实验结果验证了数值模拟的结果。关键词： 直拉单晶硅；CUSP 磁场；氧浓度；有限元分析；数值模拟Numerical Simulation of Oxygen Concentration of CZ-Si in Cusp Magnetic FieldCUSP 磁场中直拉单晶硅氧浓度分布的数值模
14、拟王永涛 1，2 ，库黎明 1，徐文婷 1，2 ，戴小林 1，肖清华 1，闫志瑞 1，周旗钢 1，2（1.有研半导体材料股份有限公司，北京 100088； 2.北京有色金属研究总院，北京 100088）摘要：利用 FEMAG/CZ 软件，模拟研究了 CUSP 磁场对称面（定义为 0 高斯面）与熔体自由表面距离对直拉硅固液界面氧浓度分布的影响。结果表明：随着 0高斯面的下移，熔体中的最小氧浓度降低，而固液界面的氧浓度升高，且径向均匀性变差。分析表明，这与熔体自由表面处的 Marangoni 流有关，抑制该流动有利于熔体中氧的蒸发，从而在自由表面下获得更低氧浓度的熔体，但会阻碍自由表面下方低氧熔体
15、往固液界面的输运。因此，推断当 0 高斯面位于熔体自由表面下某一位置时，固液界面氧浓度将达到最低。模拟中，该位置位于Hm=0-0.01m 之间。关键词：CUSP 磁场；直拉单晶硅；氧浓度；数值模拟Defect engineering of Czochralski single-crystal silicon直拉法单晶硅的缺陷预测T. Sinnoa*，E. Dornbergerb ，W. von Ammonb，R.A. Brownc，F. DupretdaDepartment of Chemical Engineering，University of Pennsylvania， Philadel
16、phia，PA 19104-6393，USAbWacker-Siltronic AG，D-84479 Burghausen，GermanycDepartment of Chemical Engineering，Massachusetts Institute of Technology， Cambridge，MA 02139，USAdCESAME，Universite Catholique de Louvain， 4 av.G. Lemaitre，B-1348 Louvain-la-Neuve，Belgium摘要：现代微电子设备生产要求单晶硅基片要有空前的均匀性和纯度。随着电子设备的特征长度进入
17、纳米级别，传统的生产过程设计和优化技术，已经难以跟上晶体生长和晶片处理过程不断演化的步伐。这要求我们对某些物理机制要有更深入的理解，比如晶体硅微结构的演变机制以及相应的电子特性。本文基于晶体生长过程中硅既有点缺陷的动态变化进行建模分析，旨在开发综合性的、鲁棒性能好的工具，用以预测微缺陷的分布与操作工况之间的函数关系。这些工具并非完全独立于试验所得特性，而是充分利用了几十年以来工业经验沉积而成的硅晶信息库。本文主要关注直拉法单晶硅中观测到的两种具体的微缺陷结构：氧化诱生层错环（OSF 环）和八面体空穴，后者是限制当下商业直拉单晶硅质量的重要因素，也是亟待解决的问题。关键词：直拉单晶硅，点缺陷，微
18、缺陷，OSF 环，空穴，缺陷预测Developing Quantitative, Multiscale Models for Microgravity Crystal Growth微重力环境晶体生长的定量化多尺度模型开发JEFFREY J. DERBY，a YONG-Il KWON ，a ARUN PANDY，a PAUL SONDA，a ANDREW YECKEL，a THOMAS JUNG，b AND GEORG MULLER ba Department of Chemical Engineering & Materials Science and MinnesotaSupercomput
19、er Institute， University of Minnesota， Minneapolis， Minnesota55455-0132， USAb Department of Materials Science (WW6)， University of Erlangen-Nurnberg，91058 Erlangen， Germany摘要：微重力环境下的晶体生长，对于我们深入理解熔融晶体的生长行为有重要意义。本文中，我们将回顾微重力环境晶体生长的简要发展史，并通过对不断改进的贴切模型的探讨，阐释并优化这些生长试验。日益严格的模型唯实性和模型预测能力，要求我们探寻对于多个完全不同长度尺寸
20、上的重要现象的描述方法。其中尤为重要的是能够描述三维瞬态连续场传输（流场、热场、传质场） ，相变现象（热力学和动力学） ，以及系统设计（比如熔体生长过程中熔炉的热传导） 。为描述这些多尺度效应，文中综述了相应的数学模型和数值算法。关键词：晶体生长，数学模型，数值模型，对流，热传导，传质，熔析，微重力，三维模型，瞬态分析，有限元方法，多尺度模型，熔炉热传导Dynamic prediction of point defects in Czochralski silicon growth.An attempt to reconcile experimental defect diffusion co
21、efficientswith the V/G criterion直拉法晶体生长中点缺陷的动态预测一次调和试验缺陷扩散系数和 V/G 准则的尝试N. Van Goethema， A. de Potterb， N. Van den Bogaerta，b， F. Dupreta，b，a CESAME， Universite catholique de Louvain， Louvain-la-Neuve， Belgiumb FEMAG Soft S.A. Company， Louvain-la-Neuve， Belgium摘要：本文通过 FEMAG 软件，进行完全的瞬态、整体性模拟分析 ，以预测生长中的单晶硅晶体中点缺陷的分部情况。另外，文中调整了缺陷控制模型，以做到在符合 V/G 准则的同时，更好的贴合自间隙和空位扩散系数的既有测量数据。结果表明，引入热流动效应的影响可以建立更恰当的模型同时满足这两个条件。
