磁场强度对12英寸Cz单晶硅COP缺陷均匀性的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0130

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (12): 2101-2111.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0130

磁场强度对12英寸Cz单晶硅COP缺陷均匀性的影响

王忠保¹(), 张友海¹, 刘天培², 倪浩然¹, 芮阳¹, 马成¹, 王黎光¹, 曹启刚¹, 杨少林²^,³()

1.宁夏中欣晶圆半导体科技有限公司，宁夏半导体级硅晶圆材料工程技术研究中心，银川 750021
2.北方民族大学材料科学与工程学院，宁夏硅靶及硅碳负极材料工程技术研究中心，银川 750021
3.贺兰山实验室半导体晶体与陶瓷材料研究所，银川 750021

收稿日期:2025-06-17 出版日期:2025-12-20 发布日期:2026-01-04
通信作者: 杨少林，博士，副教授。E-mail：slyang@nun.edu.cn
作者简介:王忠保（1991—），男，宁夏回族自治区人，助理工程师。E-mail：wangzb@ftwafer.com
基金资助:
2023年银川市科技支撑项目(2023GXHZC02);2024年宁夏回族自治区重点研发计划项目(2024BEE02012)

Effect of Magnetic Field Strength on the Uniformity of COP Defects in 12 Inch Cz Monocrystalline Silicon

WANG Zhongbao¹(), ZHANG Youhai¹, LIU Tianpei², NI Haoran¹, RUI Yang¹, MA Cheng¹, WANG Liguang¹, CAO Qigang¹, YANG Shaolin²^,³()

1. Ningxia Research Center of Semiconductor-grade Silicon Wafer Materials Engineering Technology，Ningxia Zhongxin Wafer Semiconductor Technology Co. ，Ltd. ，Yinchuan 750021，China
2. Ningxia Research Center of Silicon Target and Silicon-Carbon Negative Materials Engineering Technology，School of Materials Science and Engineering，North Minzu University，Yinchuan 750021，China
3. Institute of Semiconductor Crystals and Ceramic Materials，Helanshan Laboratory，Yinchuan 750021，China

Received:2025-06-17 Online:2025-12-20 Published:2026-01-04

摘要/Abstract

摘要： 在半导体制造中，直拉（Cz）法生长的单晶硅是微电子器件的核心基材，其晶体完整性及缺陷分布对芯片良品率和可靠性至关重要。然而，Cz法生长过程中晶体原生颗粒（COP）缺陷径向分布不均匀的问题亟待解决。本文通过数值模拟与实验研究，探讨了不同横向磁场强度（500和3 000 Gs）对12英寸（1英寸=2.54 cm）Cz单晶硅拉制过程中熔体对流、熔体温度分布及固液界面温度梯度的影响，并分析了磁场强度对COP分布均匀性的作用机制。结果表明：3 000 Gs磁场强度下的熔体流动、温度分布及固液界面温度梯度更加稳定，有利于形成低密度且均匀的COP分布；而500 Gs磁场强度下，晶棒从头到尾的COP均呈现出高密度且不均匀的分布。实验结果与数值模拟结果一致，验证了磁场强度对COP分布均匀性的显著影响。本研究为优化Cz法单晶硅生长工艺、提高晶体质量提供了理论依据和实践指导。

关键词: 单晶硅; 半导体; 磁场强度; 直拉法; COP; 均匀性

Abstract: In semiconductor manufacturing， monocrystalline silicon grown by Czochralski （Cz） method serves as the core substrate for microelectronic devices， with its crystal integrity and defect distribution being crucial for chip yield and reliability. However， the issue of non-uniform radial distribution of crystal originated particle （COP） defects during the Cz growth process urgently needs to be addressed. This paper investigates， through numerical simulations and experimental research， the effects of different transverse magnetic field strengths （500 and 3 000 Gs） on melt convection， melt temperature distribution， and the temperature gradient at the solid-liquid interface during the pulling of 12 inch （1 inch=2.54 cm） Cz monocrystalline silicon. It also analyzes the mechanism by which magnetic field strength influences the uniformity of COP distribution. The results indicate that under a 3 000 Gs magnetic field， the melt flow， temperature distribution， and the temperature gradient at the solid-liquid interface are more stable， facilitating the formation of a low-density and uniform COP distribution. In contrast， under a 500 Gs magnetic field strength， the COP distribution throughout the silicon ingot exhibits high density and non-uniformity. The experimental results are consistent with the numerical simulations， verifying the significant impact of magnetic field strength on the uniformity of COP distribution. This study provides a theoretical basis and practical guidance for optimizing the Cz monocrystalline silicon growth process and improving crystal quality.

Key words: monocrystalline silicon; semiconductor; magnetic field strength; Czochralski method; COP; uniformity

中图分类号:

O782

王忠保, 张友海, 刘天培, 倪浩然, 芮阳, 马成, 王黎光, 曹启刚, 杨少林. 磁场强度对12英寸Cz单晶硅COP缺陷均匀性的影响[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(12): 2101-2111.

WANG Zhongbao, ZHANG Youhai, LIU Tianpei, NI Haoran, RUI Yang, MA Cheng, WANG Liguang, CAO Qigang, YANG Shaolin. Effect of Magnetic Field Strength on the Uniformity of COP Defects in 12 Inch Cz Monocrystalline Silicon[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(12): 2101-2111.

图/表 14

图1 单晶模拟用热场结构图及对应网格图1-熔体；2-热屏；3-加热器；4-断热材；5-晶体；6-石墨坩埚；7-石英坩埚

Fig.1 Thermal field structure diagram and corresponding grid diagram for single crystal simulation

表1 模拟和实验所用晶体生长参数

Table 1 Crystal growth parameters used in simulations and experiment

Parameter	Value	Unit
Body length	2 100	mm
Pulling rate	0.5	mm/min
Crystal rotation	8	r/min
Crucible rotation	1.5	r/min
Diameter	308	mm
Liquid port distance	80	mm
Furnace pressure	7	Torr
Ar flow rate	100	L/min
Magnetic center position	40	mm

表2 模拟晶体生长物性参数

Table 2 Physical properties of material in crystallizing simulation

Material	Heat capacity/（J·K^-1·kg^-1）	Heat conductivity/（W·K^-1·m^-1）	Emissivity	Density/（kg·m^-3）
Si （melt）	975	66.5 3.28×10⁵×T-1.341 0	0.33	2 520
Si （crystal）	715		0.60	2 330
Quartz crucible	1 100		0.85	2 200
Graphite	1 650	122	0.80	1 750
Graphite felt	1 800	0.3	0.86	140
Stainless steel	500	30	0.38	7 930

图2 拉晶长度为200 mm时熔体流场图（上）和对应流速方向矢量图（下）

Fig.2 Melt flow field diagrams （top） and corresponding flow velocity direction vector diagram （bottom） when the crystal pulling length is 200 mm

图3 拉晶长度为1 400 mm时熔体流场图

Fig.3 Melt flow field diagrams when the crystal pulling length is 1 400 mm

图4 拉晶长度为2 000 mm时熔体流场图

Fig.4 Melt flow field diagrams when the crystal pulling length is 2 000 mm

图5 拉晶长度为200 mm时熔体温度分布图

Fig.5 Melt temperature distribution diagrams when the crystal pulling length is 200 mm

图6 拉晶长度为1 400 mm时熔体温度分布

Fig.6 Melt temperature distribution diagrams when the crystal pulling length is 1 400 mm

图7 拉晶长度为2 000 mm时熔体温度分布

Fig.7 Melt temperature distribution diagrams when the crystal pulling length is 2 000 mm

图8 拉晶长度为200 mm时固液界面处G/Gc随径向位置的变化

Fig.8 Variation of G/Gc at the solid-liquid interface with radial position when the crystal pulling length is 200 mm

图9 拉晶长度为1 400 mm时固液界面处G/Gc随径向位置的变化

Fig.9 Variation of G/Gc at the solid-liquid interface with radial position when the crystal pulling length is 1 400 mm

图10 拉晶长度为2 000 mm时固液界面处G/Gc随径向位置的变化

Fig.10 Variation of G/Gc at the solid-liquid interface with radial position when the crystal pulling length is 2 000 mm

图11 3 000 Gs磁场强度下硅棒等径200 mm（a）、1 400 mm（b）和2 000 mm（c）处切出的硅片的COP分布图

Fig.11 COP distribution maps of silicon wafers cut from the silicon rod at 200 mm （a）， 1 400 mm （b）， and 2 000 mm （c） of the constant diameter under a magnetic field strength of 3 000 Gs

图12 500 Gs磁场强度下硅棒等径200 mm（a）、1 400 mm（b）和2 000 mm（c）处切出的硅片的COP分布图

Fig.12 COP distribution maps of silicon wafers cut from the silicon rod at 200 mm （a）， 1 400 mm （b）， and 2 000 mm （c） of the constant diameter under a magnetic field strength of 500 Gs

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磁场强度对12英寸Cz单晶硅COP缺陷均匀性的影响

Effect of Magnetic Field Strength on the Uniformity of COP Defects in 12 Inch Cz Monocrystalline Silicon

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