CN117535784A - 降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法 - Google Patents
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Abstract
一种降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，该方法包括以下步骤：步骤1：设计至少两种用于对200mm半导体级单晶硅进行拉制的热场，得到对应各热场的热场参数；步骤2：分别针对设计的每个热场，利用各热场的热场参数进行仿真模拟，得到仿真模拟结果；步骤3：对各热场的仿真模拟结果进行综合分析，从设计的至少两种热场中筛选出拉制200mm半导体级单晶硅时产生缺陷最少的最优热场；步骤4：按照最优热场的参数在单晶炉中进行热场部署，并进行200mm半导体级单晶硅的拉制。本方案能够节省拉晶时间和实验成本，同时能够大大降低半导体单晶硅中的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅生长技术领域，特别涉及一种降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法。
背景技术
半导体级单晶硅是微电子工业重要的基础材料，广泛应用于集成电路和功率半导体器件的制造中，已成为信息产业得到基石。作为半导体产业链中的重要原材料，200mm半导体级单晶硅是我国现阶段硅晶圆生产中量大面广的产品。然而，随着芯片尺寸不断减小，对硅片质量提出了更高的要求，这就要求半导体材料行业能够提供缺陷更少、质量更好的单晶硅。
氧杂质是半导体级单晶硅中的关键杂质，主要来源于单晶硅生长过程中与石英坩埚的接触及熔体的对流，直拉单晶过程中炉内的温度场和流场分布影响拉晶的效率和质量，晶体中氧含量控制不佳将对芯片制造工艺的合格率产生影响。目前，在研究半导体级单晶硅的缺陷时，主要通过实际的拉晶实验来研究单晶硅的生长和品质。然而，随着制备的单晶硅直径越来越大，直拉单晶硅的实验成本也越来越高，如果单纯通过实验来进行单晶硅生长和品质的研究，然后根据实验结果对拉晶的工艺进行调节来降低半导体级单晶硅的缺陷，这种方式不仅提拉单晶的时间较长、实验成本高、操作复杂，而且实际生产过程中单晶炉内的温度场分布、流场分布等也很难实际测量，因而无法准确的对工艺参数和设备参数做出准确的调节，进而对降低半导体级单晶硅缺陷的效果并不是特别显著。
发明内容
有鉴于此，针对以上不足，有必要提出一种成本较低的降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法。
本发明提供了一种降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，包括以下步骤：
步骤1：设计至少两种用于对200mm半导体级单晶硅进行拉制的热场，得到对应各热场的热场参数；
步骤2：分别针对设计的每个热场，利用各热场的热场参数进行仿真模拟，得到仿真模拟结果；
步骤3：对各热场的仿真模拟结果进行综合分析，从设计的至少两种热场中筛选出拉制200mm半导体级单晶硅时产生缺陷最少的最优热场；
步骤4：按照所述最优热场的参数在单晶炉中进行热场部署，并进行200mm半导体级单晶硅的拉制。
优选的，步骤2中，所述仿真模拟结果包括：单晶炉内的温度分布、硅熔体温度分布、单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布中的至少两种热场参量的分布结果。
优选的，所述单晶硅的等径过程划分为等径初期、等径中期和等径末期；所述仿真模拟结果中的每一种热场参量的分布结果还具体包括：该热场参量在等径初期、等径中期和等径末期三个阶段的分布结果。
优选的，所述步骤3具体包括：
根据各热场参量对200mm半导体级单晶硅产生缺陷的影响力，确定每种热场参量的影响因子；
根据所述仿真模拟结果中各热场参量的分布结果，对各热场参量进行评分；其中，对单晶炉内的温度分布和硅熔体温度分布进行评分的标准包括：温度梯度的大小；对单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布进行评分的标准包括：促进氧化硅挥发的能力；
根据每种热场参量的影响因子和对应该热场参量的评分，确定每种热场对降低半导体级单晶硅缺陷的适用度值；
将各热场中适用度值最高的热场确定为所述最优热场。
优选的，所述每种热场参量的影响因子均包括：当前热场参量的全局影响因子和该当前热场参量中每个阶段对应的局部影响因子；每种热场参量的评分均包括：当前热场参量的全局评分和该当前热场参量中对应每个阶段的局部评分；
所述根据每种热场参量的影响因子和对应该热场参量的评分确定每种热场对降低半导体级单晶硅缺陷的适用度值，包括：
利用如下计算式计算每种热场的适用度值：
其中，S用于表征热场的适用度值，P用于表征热场的全局评估系数，Q用于表征热场的局部评估系数，Mi用于表征第i个热场参量的全局影响因子，Ai用于表征第i个热场参量的全局评分，mij用于表征第i个热场参量中的第j个阶段的局部影响因子，aij用于表征第i个热场参量中的第j个阶段的局部评分，N用于表征当前热场的仿真模拟结果中的热场参量的数量。
优选的，所述硅熔体温度分布基于如下传输方程组给出：
其中，t用于表征时间，ρ为密度，h为显焓系数，p为静压力，v为速度，keff为有效电导率，为有效应力，T为热力学温度，Jl为第l种物质的扩散通量，Sh为体积热源带来的热通量，I(r,s)表征辐射强度，r表征位置矢量，s表征方向矢量，a表征吸收系数，σs表征辐射系数，n表征折射率，Φ(s)表征相位函数，Ω′表征实心角。
优选的，所述步骤1中，设计的至少两种用于对200mm半导体级单晶硅进行拉制的热场中，包括至少两种具有不同结构热屏的热场。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法中，在拉晶之前先设计若干个热场，然后利用每个热场的热场参数进行仿真模拟，进一步对各热场的仿真模拟结果进行综合分析，并根据分析结果从设计的热场中选择出拉制200mm半导体级单晶硅时产生缺陷最少的最优热场，如此按照该最优热场的参数在单晶炉中进行热场布置，即可进行半导体级单晶硅的拉制实验。由于直拉单晶过程中炉内的温度场和流场分布会影响半导体级单晶硅的杂质和缺陷含量，而本方案设计新型的热场后进行了仿真模拟，基于仿真模拟可以准确的得到温度场和流场分布等数据，并据此筛选得到对拉制半导体级单晶硅来说最优的热场，因此按照该最优热场的参数布置热场后进行拉晶，能够大大降低半导体级单晶硅中的缺陷。此外，本方案采用对热场进行模拟的方式，避免了针对设计的每个热场进行实际的拉晶实验，从而能够节省拉晶的时间和实验成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案和技术效果作进一步的详细阐述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：设计至少两种用于对200mm半导体级单晶硅进行拉制的热场，得到对应各热场的热场参数；
步骤2：分别针对设计的每个热场，利用各热场的热场参数进行仿真模拟，得到仿真模拟结果；
步骤3：对各热场的仿真模拟结果进行综合分析，从设计的至少两种热场中筛选出拉制200mm半导体级单晶硅时产生缺陷最少的最优热场；
步骤4：按照最优热场的参数在单晶炉中进行热场部署，并进行200mm半导体级单晶硅的拉制。
由于氧杂质是半导体级单晶硅中的关键杂质，主要来源于单晶硅生长过程中与石英坩埚的接触及熔体的对流，因此直拉单晶过程中炉内的温度场和流场分布会对半导体级单晶硅的杂质和缺陷含量产生重要影响。基于此，本方案考虑在设计出新型的热场后进行仿真模拟，基于仿真模拟可以清楚的得到温度场和流场分布等数据，并据此筛选得到对拉制半导体级单晶硅来说最优的热场，因此按照该最优热场的参数布置热场后进行拉晶，能够大大降低半导体级单晶硅中的缺陷。此外，本方案采用对热场进行模拟的方式，避免了针对设计的每个热场进行实际的拉晶实验，从而能够节省拉晶的时间和实验成本。
在步骤1中，在设计热场时，可以从功率、材料、结构设置位置等方面进行设计，例如可以设计至少两种具有不同结构热屏的热场，如一段式结构的热屏、两段式结构的热屏等。当然在实际设计时，可以对之前拉制过程中产生的问题进行分析，并分析出可能存在的问题，然后基于分析出的问题，对应的设计可行性热场。
在步骤2中分别针对设计的每个热场，利用各热场的热场参数进行仿真模拟时，其仿真模拟的结果可以包括单晶炉内的温度分布、硅熔体温度分布、单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布中的至少两种热场参量的分布结果。
对于单晶炉内的温度分布和硅熔体温度分布等温度场分布来说，由于不同热场结构会对温度分布产生影响，因此可以将单晶炉内的温度分布和硅熔体温度分布作为仿真模拟的研究对象。比如，不同结构热屏构成的热场可能会在坩埚外侧和底部产生明显的差异，温度梯度也存在明显的差异。而较大的热对流会使熔体内的温度波动幅度增大，从而使得熔体内的氧浓度更高，不利于单晶硅内的氧含量控制。由此可见，对单晶炉内的温度场分布和硅熔体温度分布的仿真模拟是降低半导体级单晶硅缺陷的重要参考量。
具体的，在对硅熔体温度分布进行仿真模拟时，可以基于如下传输方程组给出：
其中，t用于表征时间参量，ρ为硅熔体密度，h为显焓系数，p为静压力，v为硅熔体的流动速度，keff为有效电导率，为有效应力，T为热力学温度，Jl为第l种物质的扩散通量，Sh为体积热源带来的热通量，I(r,s)表征辐射强度，r表征位置矢量，s表征方向矢量，a表征吸收系数，σs表征辐射系数，n表征折射率，Φ(s)表征相位函数，Ω′表征实心角。
对于传输方程组中的第一个方程来说，等号右边的前3项分别对应的是由热传导、物质扩散和粘性耗散引起的能量传递，即该方程组考虑了硅熔体中的导热、对流、扩散和损耗等多种因素，从而能够更加准确的反应硅熔体中的温度分布。
进一步，高温条件下与对流或热传导的传导率相比，辐射热通量很大，这是因为辐射热通量与温度的四次方成正比，意味着高温下辐射将占主导地位。因此传输方程组中给出的第二个方程组考虑了高温条件下的辐射传热，以求更加全面和准确的描述硅熔体的温度分布情况。
对于单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布等流场分布来说，由于不同热场结构会对流场分布产生影响，因而可以将单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布等作为仿真模拟的研究对象。比如，不同热场结构可能会改变氩气的流动方式和速度，从而促进SiO气体的挥发或者抑制SiO气体的挥发；再比如，不同热场结构可能改变硅熔体内部的流速分布、矢量分布和剪切对流的情况，而这些都会对硅熔体固液界面的氧含量产生影响。由此可见，对单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布进行仿真模拟也是降低半导体级单晶硅缺陷的重要参考量。
由于通常在单晶硅的等径过程中会划分为等径初期、等径中期和等径末期三个阶段。比如，在拉制直径为200mm，长度为1400mm的半导体级单晶硅过程中，通常将0-300mm划分为等径初期，300mm-800mm划分为等径中期，800mm-1000mm划分为等径末期。而在不同阶段，温度场分布和流场分布可能会呈现不一样的结果，而且在不同阶段，氧含量的分布趋势也是不同的，比如通常会呈现头部高、尾部低的趋势。因此，为了更加准确的对热场进行分析和研究，考虑在仿真模拟中也对拉制单晶硅时的等径阶段进行区分，即得到的仿真模拟结果中的每一种热场参量的分布结果还具体包括该热场参量在等径初期、等径中期和等径末期三个阶段的分布结果。
当然需要指出的是，具体对等径过程中进行划分时，还可以根据拉制的单晶长度等具体情况和需求划分不同数量的阶段，即不仅限于等径初期、等径中期和等径末期三个阶段。
步骤2中在进行仿真模拟时，每次模拟时应保证拉制的工艺参数一致，拉过程中的工艺参数可以按照实际中的工艺参数进行设置。比如，工艺参数可以设置为：晶体直径200mm，晶体长度1400mm，晶转为18rpm，锅转为2rpm，晶体拉速为0.9mm/min，氩气流速设置为72L/min。
其中，在进行仿真模拟时，可以利用ANSYS大型通用有限元分析软件进行仿真模拟。
步骤3在对各热场的仿真模拟结果进行综合分析，从设计的至少两种热场中筛选出拉制200mm半导体级单晶硅时产生缺陷最少的最优热场时，具体可以通过如下方式实现：
根据各热场参量对200mm半导体级单晶硅产生缺陷的影响力，确定每种热场参量的影响因子；
根据仿真模拟结果中各热场参量的分布结果，对各热场参量进行评分；其中，对单晶炉内的温度分布和硅熔体温度分布进行评分的标准包括：温度梯度的大小；对单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布进行评分的标准包括：促进氧化硅挥发的能力；
根据每种热场参量的影响因子和对应该热场参量的评分，确定每种热场对降低半导体级单晶硅缺陷的适用度值；
将各热场中适用度值最高的热场确定为最优热场。
本实施中，在对各热场的仿真模拟结果进行分析时，首先可以各热场参量对半导体级单晶硅产生缺陷的影响力，确定每种热场参量的影响因子，当然该影响因子可以通过专家经验给出，也可以通过对样本数据的统计给出。然后根据仿真模拟结果中各热场参量的分布结果，对各热场参量进行评分。比如，在对温度场分布进行评分时，可以根据温度梯度的大小、温度场分布的均一性等进行评分；再比如，对流场分布进行评分时，可以根据该参量对促进SiO挥发的能力进行评分。进一步，根据每种热场参量的影响因子和热场参量的评分，可以确定每种热场对降低半导体级单晶硅缺陷的适用度值，进而可以根据适用度值确定出适用度值最高的最优热场。由此可见，本方案依据各热场参量半导体级单晶硅产生缺陷的影响力、温度梯度、促进氧化硅挥发的能力等方面综合考虑，从而对各热场进行筛选，使得筛选出的热场对降低半导体级单晶硅的缺陷更加有效。
由于单晶硅在等径过程中划分了多个阶段，而不同阶段温度场分布和流场分布会存在不同，从而各个阶段对降低半导体级单晶硅缺陷的影响力也可能不同，对应的其所仿真模拟出的结果也会存在变化。为了进一步提高筛选最优热场的准确性，本实施例考虑同时将每个阶段的差异性也分析在内。具体的，每种热场参量的影响因子可以均包括：当前热场参量的全局影响因子和该当前热场参量中每个阶段对应的局部影响因子；每种热场参量的评分可以包括：当前热场参量的全局评分和该当前热场参量中对应每个阶段的局部评分；如此，在根据每种热场参量的影响因子和对应该热场参量的评分确定每种热场对降低半导体级单晶硅缺陷的适用度值时，可以利用如下计算式计算每种热场的适用度值：
其中，S用于表征热场的适用度值，P用于表征热场的全局评估系数，Q用于表征热场的局部评估系数，Mi用于表征第i个热场参量的全局影响因子，Ai用于表征第i个热场参量的全局评分，mij用于表征第i个热场参量中的第j个阶段的局部影响因子，aij用于表征第i个热场参量中的第j个阶段的局部评分，N用于表征当前热场的仿真模拟结果中的热场参量的数量。
由此可见，上式同时考虑了全局项和局部项，从而能够从全局和局部两个维度对热场的适用度进行评估，进而能够使得筛选出的最优热场准确性更高。
在确定出最优热场后，步骤4中基于确定出的最优热场的参数在单晶炉中进行热场部署，并进行200mm半导体级单晶硅的拉制。
由此可见，本方案提供的半导体级单晶硅的拉晶方案中，通过对热场的模拟仿真和设计，对设计的热场进行模拟计算，模拟研究了各热场结构对温度场分布和流场分布的影响，进而确定出最优热场。如此确定出的热场不仅能够大大降低拉制过程中半导体级单晶硅中产生的缺陷，而且能够有效降低实验成本，降低实验周期，有效快速得出量产条件。
本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计至少两种用于对200mm半导体级单晶硅进行拉制的热场，得到对应各热场的热场参数；
步骤2：分别针对设计的每个热场，利用各热场的热场参数进行仿真模拟，得到仿真模拟结果；
步骤3：对各热场的仿真模拟结果进行综合分析，从设计的至少两种热场中筛选出拉制200mm半导体级单晶硅时产生缺陷最少的最优热场；
步骤4：按照所述最优热场的参数在单晶炉中进行热场部署，并进行200mm半导体级单晶硅的拉制。
2.根据权利要求1所述的降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，其特征在于，步骤2中，所述仿真模拟结果包括：单晶炉内的温度分布、硅熔体温度分布、单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布中的至少两种热场参量的分布结果。
3.根据权利要求2所述的降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，其特征在于，所述单晶硅的等径过程划分为等径初期、等径中期和等径末期；所述仿真模拟结果中的每一种热场参量的分布结果还具体包括：该热场参量在等径初期、等径中期和等径末期三个阶段的分布结果。
4.根据权利要求3所述的降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
根据各热场参量对200mm半导体级单晶硅产生缺陷的影响力，确定每种热场参量的影响因子；
根据所述仿真模拟结果中各热场参量的分布结果，对各热场参量进行评分；其中，对单晶炉内的温度分布和硅熔体温度分布进行评分的标准包括：温度梯度的大小；对单晶炉内氩气流场分布、硅熔体液面上方的氩气流速分布、硅熔体液面下方熔体流速分布以及硅熔体液面下方熔体流场矢量分布进行评分的标准包括：促进氧化硅挥发的能力；
根据每种热场参量的影响因子和对应该热场参量的评分，确定每种热场对降低半导体级单晶硅缺陷的适用度值；
将各热场中适用度值最高的热场确定为所述最优热场。
5.根据权利要求4所述的降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，其特征在于，所述每种热场参量的影响因子均包括：当前热场参量的全局影响因子和该当前热场参量中每个阶段对应的局部影响因子；每种热场参量的评分均包括：当前热场参量的全局评分和该当前热场参量中对应每个阶段的局部评分；
所述根据每种热场参量的影响因子和对应该热场参量的评分确定每种热场对降低半导体级单晶硅缺陷的适用度值，包括：
利用如下计算式计算每种热场的适用度值：
其中，S用于表征热场的适用度值，P用于表征热场的全局评估系数，Q用于表征热场的局部评估系数，Mi用于表征第i个热场参量的全局影响因子，Ai用于表征第i个热场参量的全局评分，mij用于表征第i个热场参量中的第j个阶段的局部影响因子，aij用于表征第i个热场参量中的第j个阶段的局部评分，N用于表征当前热场的仿真模拟结果中的热场参量的数量。
6.根据权利要求2所述的降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，其特征在于，所述硅熔体温度分布基于如下传输方程组给出：
其中，t用于表征时间，ρ为密度，h为显焓系数，p为静压力，v为速度，keff为有效电导率，为有效应力，T为热力学温度，Jl为第l种物质的扩散通量，Sh为体积热源带来的热通量，I(r,s)表征辐射强度，r表征位置矢量，s表征方向矢量，a表征吸收系数，σs表征辐射系数，n表征折射率，Φ(s)表征相位函数，Ω′表征实心角。
7.根据权利要求1所述的降低200mm半导体级单晶硅缺陷的拉晶方法，其特征在于，所述步骤1中，设计的至少两种用于对200mm半导体级单晶硅进行拉制的热场中，包括至少两种具有不同结构热屏的热场。
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