熱屏結構對200 mm半導體級提拉單晶硅中氧含量分布的影響

芮 陽,王忠保,盛 旺,倪浩然,熊 歡,鄒啟鵬,3,陳煒南,3,黃柳青,3,羅學濤,3

(1.寧夏中欣晶圓半導體科技有限公司,寧夏半導體級硅晶圓材料工程技術研究中心,銀川 750021;2.廈門大學材料學院,廈門市電子陶瓷材料與元器件重點實驗室,廈門 361005; 3.廈門大學深圳研究院,深圳 518063)

0 引 言

二十一世紀以來,以云計算、大數據、智能制造、5G為代表的新一代信息通信科學技術發(fā)展迅速。集成電路產業(yè)作為信息技術產業(yè)的核心,是引領國民經濟發(fā)展的先導產業(yè),而硅基半導體材料作為集成電路產業(yè)的先鋒基礎,是集成電路技術不斷創(chuàng)新和產業(yè)可靠發(fā)展的重要基石。據統(tǒng)計,全球范圍內99%以上的集成電路和95%以上的半導體器件的基礎材料均為單晶硅[1]。隨著芯片尺寸不斷減小,對硅片質量提出了更高的要求,這就要求半導體材料行業(yè)能夠提供缺陷更少、質量更好的單晶硅。然而,隨著制備的單晶硅直徑越來越大,直拉單晶硅的實驗成本也越來越高,如果單純通過實驗來進行單晶硅生長和品質的研究,提拉單晶的時間較長,且操作復雜。由于直拉單晶硅的設備是一個包含很多元器件的復雜系統(tǒng),生產過程很難通過實際量測去確定爐內的溫度分布、流場分布。因此,計算機數值模擬技術得以迅速發(fā)展起來,成為研究提拉單晶硅的熱門方法[2]。200 mm半導體級單晶硅是我國現階段硅晶圓生產中量大面廣的產品,然而大尺寸、高品質的半導體單晶硅材料仍需大量進口,已成為制約我國芯片產業(yè)高質化發(fā)展的關鍵問題之一。針對200 mm半導體級單晶硅生產過程的雜質分布及缺陷形成等問題,將計算機數值模擬技術應用到生產研發(fā)過程中具有重要意義。

提拉單晶過程的熱場模擬計算廣泛應用于工藝開發(fā),研究人員通過計算機模擬計算來設計熱場元件及優(yōu)化提拉工藝參數,使系統(tǒng)的溫度分布達到最佳,以獲得低缺陷、高良率的晶圓產品。熱屏組件作為單晶硅提拉爐內的重要熱場元件,起到保溫、改善爐內流場和溫度分布均一性等作用。熱屏結構的變化會對單晶爐內熱場和流場產生影響,進而影響到晶體的缺陷及雜質分布。張西亞等[3]研究了下降式熱屏對太陽能級單晶硅提拉過程中溫度場及流場的影響,模擬計算結果表明可通過熱屏移動提升拉晶穩(wěn)定性,改善晶體質量及降低能耗。Song等[4]對雙層熱屏作用下重摻雜銻的太陽能級提拉單晶硅中氧含量的增加機制進行了模擬研究,結果顯示,相對于單層熱屏,雙層熱屏對避免晶體生長過程中的熱能損失起著重要作用。滕冉等[5]模擬了直壁式熱屏對大直徑單晶硅的品質影響,模擬結果表明,使用直壁式熱屏時能獲得更好的熔體溫度場分布和更低的氧含量。Kumar等[6]研究了熱屏對太陽能級晶體硅中碳和氧雜質的影響,結果表明,調整熱屏結構能有效地引導爐內的氬氣流,并將SiO帶離熔體自由表面,同時也減少了碳雜質從石墨爐元件中融入熔體。Zhang等[7]模擬了兩種熱屏結構對直拉單晶硅品質的影響,結果表明,采用復合式熱屏,熔體自由表面上的氣體流動速度得到提高,熔體自由表面的氣流速度增加,有利于SiO的揮發(fā),進而降低了熔體-晶體界面的氧濃度,從而改善晶體質量。上述研究表明,利用模擬計算技術可以研究熱場結構改變對直拉單晶硅生長的影響。然而,現有的文獻報道主要聚焦于熱場結構對太陽能級單晶硅晶體生長過程的影響,對于更高純度的半導體級單晶硅的研究較少。

氧雜質是半導體級單晶硅中的關鍵雜質,主要來源于單晶硅生長過程中與石英坩堝的接觸及熔體的對流[8]。直拉單晶過程中爐內的溫度場和流場分布影響拉晶的效率和質量,晶體中氧含量控制不佳將對芯片制造工藝良率產生影響[9]。由于實際的爐內溫度分布和熔體流速變化很難通過實驗觀察得到,可以通過數值模擬來預測直拉單晶硅系統(tǒng)中的整體溫度場和流場,并探究其對直拉單晶硅中氧含量分布的影響[10]。為了研究熱屏結構對200 mm半導體級直拉單晶硅氧雜質分布的影響,本文以目前商用的兩種典型熱屏結構(一段式、二段式)為研究對象,使用ANSYS有限元分析軟件模擬計算對比了半導體級直拉單晶硅的生長過程中不同熱屏結構對溫度場、流場及氧分布的影響,獲得了更優(yōu)的熱屏結構,研究了熱屏結構對半導體級直拉單晶硅氧分布的影響機制。

1 模型與計算方法

本文采用ANSYS晶體生長模擬有限元軟件進行分析。采用的網格劃分方式為懸掛節(jié)點適應法,為ANSYS軟件中使用的默認程序。懸掛式節(jié)點適應方法使用各種預定義的模板來遞歸地細化網格中的單元[11]。本文模擬采用的商用直拉單晶爐體結構如圖1所示,盛裝在石墨坩堝內的多晶硅原料通過石墨加熱器加熱到熔點溫度以上后熔化成液態(tài)硅熔體,通過具有一定晶向的籽晶向上提拉冷卻成為硅晶體。熱屏結構如圖1所示,其中,熱屏A的斜面采用一段式設計,其高度為390 mm,寬度為130 mm,熱屏B斜面則采用二段式設計,整體高度為406 mm,寬度為135 mm。模擬采用二維軸對稱結構。

圖1 一段式熱屏A(a)和二段式熱屏B(b)對應的單晶硅提拉設備結構和網格劃分Fig.1 Structure and meshing of monocrystalline silicon furnace corresponding to single-section heat shield A (a) and two-section heat shield B (b)

由于氧在單晶硅棒軸向分布上的特點,通常在實際生產過程中會檢測不同等徑階段的氧含量,本文將對等徑階段的初期、中期和后期的三種情況進行模擬。設定在等徑階段長度為300、800和1 000 mm時,分別對單晶爐內整體和熔體的溫度場、流場分布及固液界面處的徑向氧含量分布進行模擬計算。

模擬過程中綜合考慮了傳熱、湍流建模和質量傳輸有關的守恒方程[12]。模擬過程中建立的二維軸對稱準穩(wěn)態(tài)數學模型包括質量守恒、動量守恒和能量守恒方程,其中式(1)為質量守恒方程的一般形式,對不可壓縮流和可壓縮流都成立。對于二維軸對稱幾何結構,連續(xù)性方程用式(2)表示。

(1)

(2)

式中:ρ為密度;x是軸向坐標;r是徑向坐標;vx是軸向速度;vr是徑向速度;Sm是指分散的第二相(例如氣態(tài)硅)和任何用戶定義的源添加到連續(xù)相的質量。

慣性(非加速)參考框架內的動量守恒由式(3)描述,和質量守恒方程類似,也需考慮二維平面上的徑向和軸向[13]。

(3)

導熱和對流熱傳輸方程可用式(4)表示。

(4)

(5)

式中:h為顯焓系數。

在固體區(qū)域,ANSYS使用的能量傳輸方程用如式(6)描述:

(6)

式中:k為導熱系數。式(6)左側的第2項表示由固體的旋轉或平移運動引起的對流能量傳遞,速度場是根據固體區(qū)域的運動規(guī)律而計算得到的。式(6)右側2項分別為固體內部的傳導熱源和體積熱源帶來的熱通量。

當高溫條件下時,在模擬中需考慮輻射傳熱[15]。高溫下,與對流或傳導的傳熱率相比,輻射熱通量很大。這是因為輻射熱通量與溫度的四次方成正相關,意味著在高溫下輻射將占主導地位[16]。輻射傳輸方程用式(7)描述:

(7)

式中:r為位置矢量;s為方向矢量;a為吸收系數;σs為輻射系數;I為輻射強度;n為折射率;Φ為相位函數;Ω′為實心角。折射率在考慮半透明介質的輻射時是一個非常重要的參數。

直拉過程中的工藝參數設置為:晶體直徑200 mm,晶體長度1 400 mm,晶轉數為16 r/min,坩堝轉數為1 r/min,晶體提拉速度是0.92 mm/min,爐體內充有氬氣作為保護氣體,氬氣流速設置為70 L/min,晶體生長過程中,規(guī)定標準溫度為 300 K,標準壓強為101.325 kPa,爐壁充入冷卻水(設置爐壁溫度為300 K),硅熔體假設為牛頓流體,晶體的熔點為1 685 K。在此條件下,通過單一變量改變熱屏對等徑階段中不同晶棒長度下爐體的溫度場及流場進行分析。

ANSYS軟件模擬過程所用材料物性參數設定值如表1所示。

表1 模擬過程中使用的材料物性參數Table 1 Physical parameters of materials used in the simulation

2 結果與討論

2.1 熱屏結構對不同等徑階段的溫度場影響

圖2模擬了兩種熱屏條件下在等徑初期(300 mm)、等徑中期(800 mm)和等徑末期(1 000 mm)三個階段的爐內整體溫度分布情況。對比兩種熱屏條件下的溫度場分布情況發(fā)現,二者均在石墨加熱器附近的溫度最高,遠離石墨加熱器溫度逐漸降低,這與Kalaev等[17]采用CGSim軟件對300 mm單晶硅爐內熱傳輸的三維模擬結果一致。本文進一步模擬了兩種熱屏結構下單晶爐內的溫度場分布。其中,在等徑初期與中期時,在熱屏B條件下石墨加熱器附近的高溫區(qū)域分布面積與熱屏A條件下的相近;在等徑末期時,熱屏A條件下的熔體區(qū)域溫度分布更加均勻,推測其一段式熱屏設計使石英坩堝、石墨坩堝、石墨加熱器等元件在垂直于硅熔體方向上的輻射熱損失較少,這同Smirnov等[18]使用CGSim軟件模擬單晶硅氧傳輸時的爐內溫度的分布一致。本文模擬兩種熱屏的結果表明,不同熱屏設計對爐內的溫度分布有不同的影響。隨著拉晶過程的進行,熱屏A下的坩堝外側的溫度分布整體較為均勻,而熱屏B下的坩堝外側及底部的溫度分布具有明顯的分界線,推測其溫度梯度較大,可能會對晶棒中的氧含量分布產生一定影響。已有研究表明,硅熔體內的溫度分布直接影響直拉單晶硅的固液界面形狀及氧濃度分布[19]。此外,較小的溫差有利于降低熔體的氧含量,從而控制晶棒中的氧含量[20]。因此,本文進一步模擬了不同熱屏條件對硅熔體熱對流的影響,從而研究熱屏條件改變對硅熔體溫度場的影響。

圖2 不同等徑階段單晶爐內的溫度分布情況Fig.2 Temperature distribution inside the monocrystalline furnace at different body growth stages

圖3模擬了兩套熱屏條件下不同等徑階段的硅熔體溫度分布情況。對比得出,熱屏A條件下的硅熔體固液界面溫度分布較均勻,且在不同的等徑階段溫度波動較低,明顯優(yōu)于熱屏B條件。在熱屏A條件下,熔體固液界面的溫差較小,尤其在單晶硅晶棒的中心軸位置附近;在熱屏B條件下,硅熔體的固液界面中心到邊緣的溫度波動較大,溫度梯度隨著晶體增長而增大。較大的熱對流會使熔體內的溫度波動幅度增大,從而使得熔體內的氧濃度更高,更不利于單晶硅內的氧含量控制。綜上分析,通過對比兩種熱屏結構在不同等徑階段的溫度場分布情況,無論是爐內整體溫度分布還是硅熔體內的溫度分布均一性,熱屏A條件下的溫度場分布均一性優(yōu)于熱屏B條件。

圖3 不同等徑階段的硅熔體溫度分布情況Fig.3 Temperature distribution of silicon melt at different body growth stages

2.2 熱屏結構對不同等徑階段的流場影響

直拉單晶硅生長過程中的流體現象不僅影響固液界面的形狀,也影響熔體內部氧含量的分布[21]。圖4模擬了熱屏A和B在不同等徑階段時的爐腔內氬氣流場分布。兩種熱屏條件下的氬氣流場分布的共同規(guī)律在于爐體上腔室的渦流強度最大。上腔室的流速最大的原因是其在側壁安裝了氬氣吹氣管,其入口附近即為流速最大的地方。熱屏的加入能改變氬氣的流動方式與速度,氬氣被迫快速流過硅熔體上方,從而有效地帶走SiO氣體。

圖4 不同等徑階段單晶爐內的氬氣流場分布情況Fig.4 Flow field distribution inside the monocrystalline furnace at different body growth stages

硅熔體中超過95%的氧將從熔體自由表面揮發(fā)[22]。為了分析熱屏結構對SiO氣體揮發(fā)的影響,對比了兩種熱屏條件下不同等徑階段的熔體自由表面上方的流速矢量分布。由圖5可知,在等徑初期,兩種熱屏條件下均出現平行于熔體自由表面上方的氬氣流,熱屏B的氬氣流速要高于熱屏A,且熱屏B下方作用于三相點的氬氣流速及流量明顯高于熱屏A條件;在等徑中后期,位于熱屏B下方熔體自由表面的氬氣流速均高于熱屏A。由于氬氣流速存在一個最佳范圍,增加流速可以促進SiO的揮發(fā),當熔體自由表面的氬氣流速過高時,過大的氬氣剪切應力影響熔體自由表面的運動,反而抑制了SiO氣體的揮發(fā)。熱屏B的二段式設計導致氬氣流在經過熱屏與晶棒最窄處的位置時速度大幅增加,熱屏B結構下的自由液面上方的氬氣流速要明顯高于熱屏A。

圖5 不同等徑階段的硅熔體上方的流向圖(a)和流速圖(b)Fig.5 Velocity vectors (a) and velocity distribution (b) above silicon melt at different body growth stages

直拉單晶硅熔體內流場會影響晶體中的氧含量分布[23]。圖6模擬了兩種熱屏條件下不同等徑階段的坩堝內熔體的流速矢量分布。結果表明,熱屏B條件下的等徑初期(300 mm)熔體自由液面下方出現較為明顯的剪切對流。為了進一步探究熱屏結構對流場的影響,對比了兩種熱屏結構下的熔體自由液面上方1 mm和下方1 mm的流速分布情況,如圖7所示。熱屏B結構下的自由液面上方1 mm的氬氣流速要明顯高于熱屏A,其流速最大值約為熱屏A的2倍;熱屏A結構下的自由液面下方1 mm的熔體流速要略高于熱屏B,且在等徑初期較為明顯。據此推測,熱屏B結構下的氬氣流對自由液面產生的剪切力要對高于熱屏A,由于剪切對流的產生,自由液面下方的熔體流速要低于熱屏A。參考Chen等[22]的研究結果,熔體流動強度會影響硅熔體固液界面的氧含量。參考Geng等[24]關于不同等徑階段的對流現象研究結果,等徑初期流場主要受到浮力的影響。當熱屏A條件的固液界面下方熔體的浮力得到抑制,在氧的擴散方向上會形成一定的阻礙作用。因此,在熱屏A條件下能夠獲得更大的SiO氣體揮發(fā),并阻礙氧從熔體向晶體的擴散。

圖6 不同等徑階段硅熔體的流速矢量分布情況Fig.6 Distribution of flow velocity vectors in silicon melt at different body growth stages

圖7 不同等徑階段自由液面上方1 mm氬氣流速分布(a)和自由液面下方1 mm熔體流速分布(b)Fig.7 Argon flow velocity distribution of 1 mm above the free liquid surface (a) and melt flow velocity distribution of 1 mm below the free liquid surface (b) at different body growth stages

2.3 熱屏結構對不同等徑階段的氧含量分布影響

直拉單晶硅中氧傳輸過程包括兩部分,從石英坩堝高溫溶解析出的氧和在硅熔體-氣體界面處與硅結合生成SiO氣體揮發(fā)[20]。在本文的模擬模型中,單晶硅固液界面處的氧含量近似為假定溶解于硅熔體的恒定氧含量減去從液氣界面以SiO氣體形式揮發(fā)的氧含量。

為了對比熱屏結構對于直拉單晶硅氧含量分布的影響,本文模擬計算了不同等徑階段固液界面處的徑向溫度梯度與徑向氧含量的分布情況。如圖8所示,在熱屏A條件下晶體生長過程的固液界面中心到邊緣的溫度梯度均低于熱屏B,較小的徑向溫度梯度可以提高晶體生長穩(wěn)定性。圖9模擬了兩套熱屏下不同等徑階段的熔體自由表面上方8 mm范圍內的氧含量分布及氧含量的差值圖,A-B表示熱屏A條件熔體自由表面上方8 mm范圍內的氧含量減去熱屏B條件下相同區(qū)域的氧含量。圖9(b)的氧含量差值圖表明,熱屏A熔體自由表面上方的氧含量高,熱屏B熔體自由表面上方的氧含量低。結合上述分析,熱屏A條件下的流場更利于SiO氣體的揮發(fā)。如圖10所示,兩套熱屏結構在不同等徑階段的氧含量的分布趨勢相同,即單晶硅棒中心位置的氧含量低,單晶硅棒邊緣位置的氧含量高。無論是熱屏A還是熱屏B,氧含量的分布趨勢均為等徑[300 mm]>[800 mm]>[1 000 mm],該“頭部高、尾部低”的分布情況符合氧雜質在硅中的偏析行為。參考Teng等[25]關于熱屏位置調整對固液界面處氧分布的模擬研究結果,晶體中的氧含量與剩余熔體量和坩堝深度有關。值得注意的是,熱屏B在3種等徑階段的氧含量分布均高于熱屏A,這與上述溫度場和流場的分析推測一致?？赏茰y,在熱屏B條件下,氬氣流場不利于SiO氣體的擴散,固液界面前端擴散向固液界面的氧濃度增大,從而使固液界面處的氧含量增多。兩種熱屏結構相比,一段式熱屏結構下的溫度場均勻性較好,氬氣剪切應力較小,熔體內固液界面的氧擴散得到抑制,固液界面的溫度梯度小,可獲得較低的氧含量和較為均勻的徑向氧含量分布。

圖8 固液界面的徑向溫度梯度分布情況Fig.8 Radial temperature gradient distribution at the solid-liquid interface

圖9 不同等徑階段的硅熔體自由液面上方8 mm范圍內的氧含量分布圖(a)和氧差值圖(b)Fig.9 Oxygen distribution (a) and oxygen difference distribution (b) within 8 mm above silicon melt at different body growth stages

3 結 論

本文采用ANSYS有限元分析軟件,研究了熱屏結構對200 mm半導體級直拉單晶硅氧含量分布的影響?；谝欢问胶投问綗崞两Y構,通過對不同等徑階段的溫度場、流場、固液界面溫度梯度及徑向氧含量分布進行模擬計算,得到以下結論:

1)一段式熱屏的爐腔內部和熔體的溫度場均勻性更好。

2)二段式熱屏條件下,熔體自由表面上方氬氣流速過大,氬氣流場不利于SiO氣體的擴散,固液界面前端擴散向固液界面的氧濃度增大,從而使固液界面處的氧含量增多。

3)一段式熱屏的晶體生長過程固液界面溫度梯度較小,氧含量較低、徑向氧含量分布較為均勻。