北京有色金属研究总院利用FEMAG软件改进300mm直拉单晶硅的...

CherryZhao

超大规模集成电路的高速发展对硅单晶材料提出了愈来愈严格的要求，“大直径，无缺陷”成为目前硅单晶材料发展的趋势。大直径硅片极大的降低了IC制造的生产成本，但在大直径直拉硅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。硅单晶中的微缺陷会影响集成电路的成品率。随着集成电路**征线宽的不断缩小，控制和消除直拉硅单晶中的微缺陷是目前硅材料开发面临的最关键问题。

                  

北京有色金属研究总院采用材料晶体生长多场分析软件FEMAG/CZ对φ300mm直拉硅单晶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硅单晶中微缺陷的影响，并通过热场改进来降低其对硅单晶质量的影响。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硅晶体内微缺陷浓度和分布情况。

                     

φ300mm直拉硅单晶生长过程中，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。熔体中的热对流对硅单晶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。

通过Cu缀饰实验和流体图案缺陷(flow pattern defect，FPD)密度测量，将所得微缺陷类型、浓度的实验结果与晶体生长速度对硅晶体微缺陷影响的数值模拟结果进行了对比，实验结果验证了数值模拟的结果。依据数值模拟与实验结果的结合，有色金属研究总院在原有的加工工艺基础上进行改进，在φ300mm直拉硅单晶生长过程中改进了CUSP磁场参数，优化了晶体生长速度的控制，对整个加工过程中的热场进行改进，使得最终微缺陷的产生较以往有了很大的改观。

北京有色金属研究总院（简称：有研总院）创建于1952年11月，是我国有色金属行业规模最大的综合性研究开发机构，现为国务院国资委管理的中央企业和国家首批百家创新型企业。在半导体材料、有色金属复合材料、稀土材料、生物冶金、材料制备加工、分析测试等领域拥有11个国家级研究中心和实验室，目前承担了一批国家重大科技专项研究课题和国家战略性新兴产业开发项目。

建院以来，共获得国家级和省部级科技成果奖励1000余项，授权专利和制订国家及行业标准1500余项。先后为“两弹一星”、“神舟飞船”、“载人航天”、“探月工程”等国家重点工程和有色金属行业提供了一大批新材料、新工艺、新技术和新设备，为我国有色金属工业和国防军工建设提供了强有力的科技支撑。

有研总院高度重视科技成果的转化，组建了若干高技术产业化公司，并在微电子材料、光电子材料、稀土材料、有色金属粉末、特种有色金属加工材料、新能源材料、高端冶金装备等方面形成了产业集群。2011年，有研总院实现收入67.5亿元，利润总额7.5亿元。