發(fā)布時(shí)間：2018-01-30 07:41

  本文關(guān)鍵詞： 硅單晶 直拉法 大直徑 晶體生長(zhǎng) 數(shù)值分析 傳熱傳質(zhì) 熱場(chǎng)　出處：《北京有色金屬研究總院》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：大直徑硅單晶是微電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料,廣泛應(yīng)用于集成電路備件和硅片制造領(lǐng)域,是現(xiàn)今信息社會(huì)的基石。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)的報(bào)告,全球大直徑硅單晶的需求依然旺盛,450mm硅單晶要繼續(xù)開(kāi)發(fā)研究。當(dāng)前主流集成電路設(shè)備用部件急需400mm硅單晶并提出低成本的要求,開(kāi)發(fā)400mm硅單晶和研究晶體制備的工藝過(guò)程,無(wú)疑具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)需求。同時(shí),開(kāi)發(fā)下一代450mm集成電路用硅晶體、研究外加磁場(chǎng)對(duì)改善晶體質(zhì)量的作用,對(duì)于我國(guó)未來(lái)制造450mm硅片具有重要的戰(zhàn)略意義。本文從晶體生長(zhǎng)物理基礎(chǔ)和流體力學(xué)的基本理論出發(fā),結(jié)合硅單晶制備過(guò)程中熱質(zhì)輸運(yùn)的分析,采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法,以大直徑硅單晶制備為主要研究對(duì)象,研究熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)、控制參數(shù)和外加磁場(chǎng)對(duì)大直徑硅單晶生長(zhǎng)的影響。通過(guò)數(shù)值分析的手段,研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)對(duì)晶體生長(zhǎng)特性的影響,確定了晶體制備的工藝條件;采用28inch和32inch熱場(chǎng)制備出400mm和450mm無(wú)位錯(cuò)硅單晶;通過(guò)分析單晶樣片的電學(xué)性質(zhì)和化學(xué)成分,研究了晶體的生長(zhǎng)特性及晶體生長(zhǎng)的影響因素。具體如下:(1)利用數(shù)值分析技術(shù)研究了熱屏對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明,直壁式熱屏在降低晶體內(nèi)應(yīng)力和熔體中氧含量方面具有一定的優(yōu)勢(shì),但直壁式熱屏的使用會(huì)極大增加熔體邊緣區(qū)域過(guò)冷的風(fēng)險(xiǎn),在后續(xù)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中均使用斜壁式熱屏。此外,計(jì)算了液面位置對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明,隨著液面位置的升高,晶體內(nèi)熱應(yīng)力增加,固液界面更加凸向熔體,界面上的v/G比值略有下降。(2)利用數(shù)值分析技術(shù)研究了控制參數(shù)(提拉速率、氬氣流量、晶體轉(zhuǎn)速和坩堝轉(zhuǎn)速)對(duì)晶體制備的影響。拉速的變化將改變爐體內(nèi)的溫場(chǎng)分布和加熱器功率。加熱器功率的下降不僅是因?yàn)榻Y(jié)晶潛熱釋放的增加,還與固液界面上的熱平衡及三相點(diǎn)的溫度有關(guān)。氬氣流量的變化直接影響晶體內(nèi)的溫度分布以及熔體內(nèi)的氧含量。晶體轉(zhuǎn)速和坩堝轉(zhuǎn)速的變化直接影響熔體內(nèi)流場(chǎng)和溫場(chǎng)的分布,精確控制晶體轉(zhuǎn)速和坩堝轉(zhuǎn)速的比值可以在晶體生長(zhǎng)的各個(gè)階段獲得平坦的固液界面。(3)應(yīng)用優(yōu)化過(guò)的熱場(chǎng)和工藝控制參數(shù)進(jìn)行了晶體制備實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行氧、電阻率、微缺陷類型的測(cè)試。結(jié)果表明,利用28inch熱場(chǎng)可制備400mm直徑,輕摻硼,100硅單晶。該熱場(chǎng)的采用不僅可以節(jié)約能源消耗,而且降低硅單晶制備成本。氧含量徑向分布的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的變化趨勢(shì)能很好地吻合,為進(jìn)一步優(yōu)化熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)及控制參數(shù)指明方向。缺陷分析測(cè)試表明,晶體中未發(fā)現(xiàn)氧化誘生層錯(cuò);通過(guò)FPDs及銅墜飾實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明晶體內(nèi)部為富空位型缺陷。(4)利用32inch熱場(chǎng)和磁場(chǎng)拉晶工藝制備出450mm無(wú)位錯(cuò)單晶。整根硅單晶電阻率與預(yù)期值相符,晶體的生長(zhǎng)過(guò)程完全可控。通過(guò)對(duì)比分析不同磁場(chǎng)條件下硅單晶內(nèi)氧含量的實(shí)驗(yàn)值,在等徑末期磁場(chǎng)對(duì)降低晶體內(nèi)氧含量的作用更加明顯。進(jìn)一步計(jì)算了磁場(chǎng)強(qiáng)度和等高斯面的位置對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響,隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,熔體湍流程度大幅度降低,但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)500Gs后,磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)熔體對(duì)流抑制作用的邊際效應(yīng)開(kāi)始體現(xiàn)出來(lái),需要平衡磁場(chǎng)拉晶的效果與能耗之間的關(guān)系。在磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到1OOOGs的過(guò)程中,熔體中氧含量的最小值下降了 27.4%,固液界面上氧濃度的平均值下降了 25%,固液界面上氧含量的徑向均勻性提高了 35%。等高斯面的位置對(duì)熔體中的溫場(chǎng)、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)影響較小,等高斯面在熔體自由液面上方時(shí)固液界面上氧含量及其徑向均勻性都達(dá)到最佳值。
[Abstract]:Large diameter silicon single crystal material is the foundation of the microelectronics industry, widely used in integrated circuit parts and wafer manufacturing field, is the cornerstone of today's information society. According to the international semiconductor equipment and Materials Industry Association (SEMI) report, the global large diameter silicon single crystals are in high demand, continued research and development of 450mm single crystal silicon integrated circuit to the mainstream. Urgent need for components of 400mm silicon crystal and put forward the requirements of low cost, process development and research of 400mm silicon crystal crystal preparation, undoubtedly has important theoretical significance and realistic demand. At the same time, the development of next generation 450mm integrated circuit silicon crystal, study the effect of magnetic field to improve the quality of the crystal, which has a strategic significance for the the manufacturing of 450mm chip in our country in the future. The basic theory of growth physics and fluid mechanics from the crystal, the preparation process of combined heat and mass transport in silicon single crystal The analysis, by means of experiment and numerical analysis are combined, with large diameter silicon single crystal preparation as the main research object, research on thermal field structure, effect of control parameters and external magnetic field on the growth of large diameter silicon single crystal. By the means of numerical analysis, the influence of structural parameters and control parameters on the crystal growth characteristics the process conditions of crystal preparation, determination of 28Inch and 32inch; the thermal field of prepared 400mm and 450mm dislocation free silicon single crystal; the electrical properties and chemical composition analysis of single crystal samples, the crystal growth characteristics and the effects of growth factors. The details are as follows: (1) studied the effect of heat on the screen the crystal growth by using numerical analysis technology. The results show that the straight wall heat shield has certain advantages in reducing the oxygen content in the melt and crystal stress, but the use of straight wall heat shield will greatly increase the edge weld area The risk is too cold, use inclined wall heat shield in calculation and subsequent experiments. In addition, effects of surface position on crystal growth were calculated. The results show that with increasing the liquid level, the heat stress increases, the solid-liquid interface is more convex to melt, the ratio of v/G on the interface (2) decreased slightly. Study on the technical analysis by numerical control parameters (pull rate, argon flow rate, crystal and crucible rotation speed) influence on the crystal preparation. The change of casting speed will change the temperature distribution inside the furnace and heater power. The power of the heater is not only decreased because of the increased latent heat release, and heat balance on the solid-liquid interface and the triple point temperature. Direct effects of temperature distribution inside the crystal and melt in the oxygen argon flow. The rotation of crystal and crucible rotation speed changes directly affect the distribution of flow field and temperature field in the melt, fine The ratio accurately control the rotate of crystal and crucible can obtain flat solid-liquid interface in various stages of crystal growth. (3) thermal field and process parameters are optimized for the application of crystal preparation experiment and oxygen, resistivity, test micro defect types. The results show that the diameter of 400mm can be prepared using the 28Inch light field, boron doped silicon crystal, 100. The thermal field can not only save energy consumption, but also reduce the cost of preparation of single crystal silicon. The oxygen content of the radial distribution of experimental values and the calculated values of the trend are in good agreement, to further optimize the thermal structure and control parameters of defect analysis tests show that the direction., OSFs was not found in the crystal by FPDs; and the experimental results show that the crystal pendant copper rich vacancy type defects. (4) using 32inch thermal field and magnetic field pulling technology to prepare 450mm dislocation free single crystal silicon single whole. The crystal resistivity is consistent with the expected value, fully controllable crystal growth process. Through the comparative analysis of the oxygen content of silicon in different magnetic field conditions, etc. in the end diameter magnetic field on reducing the oxygen content in the crystal effect more obvious. Further calculation of magnetic field intensity and the position of the Gauss effect on crystal growth, with the increase of the magnetic field strength, melt turbulence is greatly reduced, but when the field strength exceeds 500Gs, the magnetic field strength to reflect marginal effect on the inhibition of melt convection between the magnetic field and the effect of pulling the need to balance the energy consumption between. Increased to 1OOOGs in the process of magnetic field strength, the minimum value of the oxygen content in melt down 27.4%, on the solid-liquid interface the average oxygen concentration decreased by 25%, the radial oxygen content on the solid-liquid interface uniformity improves the position of Gauss 35%. in the melt temperature The field, the flow field and the concentration field have little influence, and the oxygen content and the radial uniformity at the solid liquid interface of the Gauss surface all reach the best value when the melt surface is above the melt surface.

【學(xué)位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN304.12

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本文編號(hào)：1475690