WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 6 04;06;12 Роль олигомеров в процессе роста пленки аморфного кремния в PECVD-реакторе © Ю.Е. Горбачев Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия e-mail: gorbachev@csa.ru (Поступило в Редакцию 21 марта 2005 г.) Построена расширенная плазмохимическая модель процессов в PECVD-реакторе, являющаяся развитием предложенной в работах [1,2] и учитывающая образование олигомеров SinHm (до n 5). Разработана соответствующая схема химических реакций, и проведено моделирование процесса роста пленки. Обнаружен эффект сильного влияния компонентов Si2H5 и Si3H7 на рост пленки. Интерес представляет получение более надежных экспериментальных данных, связанных с выявлением этих эффектов.

PACS: 81.20.-n, 81.05.Gs Введение „пыли“. Как показали исследования [11,12], крупные частицы образуются в виде полисиланов с малым содерИнтерес к моделированию процессов в силан-содер- жанием водорода и полностью заполненными связями.

жащих (SiH4) смесях обусловлен тем, что они наиболее В связи с этим механизм их влияния на растущую широко используются в плазмохимических, PECVD- поверхность существенно отличается от влияния радиреакторах, для выращивания полупроводниковых крем- калов олигомеров. Целью настоящей работы является ниевых пленок. Достаточно полная модель плазмохи- построение схемы образования олигомеров и выявление мических процессов в ВЧ разрядной плазме впервые их влияния на процесс роста пленки.

была построена в работе Кушнера [3], однако в связи с ее сложностью (электронная концентрация и соотМодель образования олигомеров ветствующие константы скоростей рассчитывались методом прямого моделирования Монте-Крало) расчеты Анализ, выполненный как в [1,2], так и в работах проводились лишь на очень малых временах (порядка других авторов, показал, что концентрация кремний20 миллисекунд), когда процессы в реакторе еще не водородных молекул (SinH2n+2) существенно превышает успевают выйти на стационарные режимы. С тех пор концентрации соответствующих радикалов–частиц, имепоявились новые данные о химических реакциях в ющих свободные связи (SinHm с m < 2n + 2). В основу силановой плазме. В серии работ Перрина с соавторамодели роста полисиланов в [3] был положен следуюми были собраны сведения о путях реакций в такой щий набор реакций молекул с силилом (SiH3), силиплазме и соответствующих константах скоростей. Наиленом (SiH2) и высокоактивным радикалом дисилана более полный обзор этих результатов дан в статье [4].

H3Si-SiH =, имеющим две свободные связи на одном В связи с продемонстрированной в последнее время атоме кремния и радикалов с атомарным водородом:

эффективностью кластерного осаждения [5–7], попытками получения полиморфных пленок и тенденцией к SinH2n+2 + SiH3 Sin+1H2(n+1)+1 + H2, (1) увеличению площадей выращиваемых пленок, возрос SinH2n+2 + SiH2 Sin+1H2(n+1)+2, (2) интерес к исследованию процесса образования высших силанов (олигомеров — частиц SinHm с промежуточныSinH2n+1 + H SinH2n+2, (3) ми значениями n, а также полисиланов (большие n) или SinH2n+2 + Si2H4 Sin+2H2(n+2)+2. (4) „пыли“ в терминологии [3]).

В работах [1,2] была построена упрощенная модель В этом механизме наибольшее сомнение вызывает процесса роста пленки из ВЧ разрядной силановой первая реакция, поскольку она имеет низкую скорость, плазмы для одномерной модели реактора и выпол- как при n = 1 (см. [3] и таблицу, реакция R9), так и нен ряд расчетов, показавших удовлетворительное со- в пределе больших n. В [13] эта реакция учитывается гласие с экспериментальными данными. В работе [8] только при n = 1 (с той же, что и в [3], достаточно эта модель была обобщена на двумерный случай, а малой константой скорости), и не учитывается ни для в [9] — на трехмерный, и создан программный ком- ди-, ни для трисланов. Ситуация при очень больших n плекс REAF-3D [9,10]. Рассмотренный в [1,2,8,9] состав соответствует взаимодействию радикала силила с образполисиланов ограничивался дисиланами и трисиланом цом гидрированного кремния, поверхность которого (S) (Si3H8), что не позволило корректно описать влияние представляет собой в основном силановые связи, заполвысших силанов ни на рост пленки, ни на образование ненные пассивирующими их атомами водорода (S-H), 56 Ю.Е. Горбачев а также, в небольшой части, оборванные силановые у реакции SiH2 + Si2H6 Si3H8 [3]. Роль этих реакций связи (S-): S = S-H + S-. В работе [14] описан меха- при образовании частиц вида Sin+1H2(n+1)+2, при уходе низм роста пленки при взаимодействии силила с такой частиц SinH2n+2 повышается с уменьшением давления поверхностью, осуществляющийся по сценарию: и становится определяющей при давлениях, меньших 0.2 Torr.

S-H + SiH3 (S-H - SiH3)ph S- + SiH4, (5) Реакции (3), как показали проведенные расчеты, несущественны ни для ухода компонентов вида SinH2n+1, S-H + SiH3 (S-H - SiH3)ph S-SiH3, (6) ни для образования частиц с заполненными связями (SinH2n+2), поэтому они не будут включены в схему т. е. через образование промежуточного комплекса (физроста олигомеров.

адсорбированного силила на пассивированной водороРеакции (4) оказались существенными только при дом части поверхности). Мигрирующий по поверхности образовании Si3H8, поскольку одним из реагентов в физадсорбированный силил либо просто десорбируется, этом случае является силан, концентрация которого либо отрывает атом водорода от поверхности с образоочень высока. На уход компонентов SinH2n+2 эти реакции ванием газофазной молекулы силана и оборванной связи также не влияют, поэтому их мы не будем учитывать при на поверхности (образуя, таким образом, вакансии для образовании олигомеров.

присоединения силила), либо попадает на оборванную В связи с тем что преобладающим кремнийсодерсвязь, что приводит к росту пленки. Этому процессу жащим компонентом является силан, существенными соответствует последняя стрелка в выражении (6).

оказываются реакции олигомеров с силаном, несмотРост кластеров в объеме реализуется по сценарию, ря на малые значения соответствующих констант скоотличающемуся от роста пленки. Это в сильной стерости реакций. К ним относятся реакции SinH2n+1 + пени связано с тем, что наиболее химически активные + SiH4 SinH2n+2 + SiH3, отвечающие за уход компоэлементы (радикалы с двумя свободными связями типа нентов SinH2n+1. Соответствующие константы скорости SinH2n и др.) не достигают поверхности, а успевают будем брать по аналогии с реакцией Si2H5 + SiHпрореагировать в объеме. Количественными характери Si2H6 + SiH3 [3].

стиками, позволяющими разделять компоненты по разАналогом реакций силана с SiH2 и Si2H4 являются мерам областей их химического воздействия, являются реакции вида SinH2n + SiH4 Sin+1H2(n+1)+2. Константы диффузионно-реакционные длины, подробное описание скорости таких реакций будем брать такими же, как для которых дано в следующем разделе. Высокая химическая реакции SiH2 + SiH4 Si2H6 [13]. Эти реакции являютактивность радикалов приводит к их низкой концентрася основными в формировании частиц Sin+1H2(n+1)+2 и ции, поэтому наиболее существенными оказываются их важными для ухода радикалов SinH2n.

реакции с силаном, концентрация которого, как правило, Другой канал реакции силана с SinH2n был предложен на много порядков превосходит концентрации остальных в [15]: SinH2n + SiH4 Sin+1H2(n+1) + H2. Для оценки компонентов.

вклада этих процессов будем использовать значение В связи со сказанным, вместо канала реакции констант скорости реакций 10-11 cm3/s. Эти реакции силила с SinH2n+2 (1) будем учитывать другой каопределяют образование радикалов Sin+1H2(n+1) и игранал этой реакции, идущий по схеме (5): SinH2n+2 + ют важную роль в уходе радикалов Si2H2n, т. е. являются + SiH3 SinH2n+1 + SiH4, а константы скорости буосновным каналом формирования олигомеров с двумя дем брать по аналогии с реакцией Si3H8 + SiHоборванными связями.

Si3H7 + SiH4 [13]. Эти реакции являются основными, Суммируя результаты проведенного аналаза, предпообеспечивающими уход компонентов вида SinH2n+2 и ложим, что рост олигомеров происходит в результате образование компонентов вида SinH2n+1 при n > 2.

следующей схемы реакций:

Реакции (2) учитывались также в работе [15]. Возможно, такие реакции идут через образование проSinH2n+2 + SiH3 SinH2n+1 + SiH4, (7) межуточного комплекса аналогично схеме образования Si2H6 в [3]: SiH4 + SiH2 Si2H с дальнейшей его 6 SinH2n+2 + SiH2 Sin+1H2(n+1)+2, (8) дезактивацией через столкновения Si2H + M Si2HSinH2n+1 + SiH4 SinH2n+2 + SiH3, (9) или в результате распада Si2H Si2H4 + H2. В то же время в [3] реакция образования Si3H8 путем присоедиSinH2n + SiH4 Sin+1H2(n+1)+2, (10) нения SiH2 к Si2H6 рассматривалась без образования SinH2n + SiH4 Sin+1H2(n+1) + H2. (11) промежуточного комплекса. С ростом числа атомов в реагирующих частицах вероятность влияния избыточной Концентрации радикалов с большим числом свобод энергии на эволюцию формирующейся частицы быстро ных связей малы и их образованием будем пренебрегать.

падает. Таким образом, при больших n реакции (2) могут Для замыкания постановки задачи необходимо опредереализовываться напрямую. В этой связи в настоящей лить взаимодействие различных компонентов с поверхработе мы не будем рассматривать возможность фор- ностью, тем более что речь идет об их участии в росте мирования промежуточного комплекса в этих реакциях, пленки. В связи с тем что поверхностные химические а константы скорости будем считать теми же, что и реакции могут приводить к скачку концентраций на Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Роль олигомеров в процессе роста пленки аморфного кремния в PECVD-реакторе поверхности, будем для них использовать граничное из (12) получаем, что при sg,2g l (mg/mgf )1/2/L веf g условие в виде [1] (подразумевается, что производная личина коэффициента прилипания несущественна для вычисляется по нормали к поверхности, направленной граничных условий. Поскольку lgf l0(g0/g)2/3 (здесь внутрь пленки): индекс 0 означает некоторый фиксированный размер, начиная с которого можно выделять поверхностные чаdi/ si ci i стицы, будем полагать g0 5), sg,2g = 1 при малых g, и -Di =, (12) dx 2(2 - si) можно считать sg,2g s0(g0/g)2/3, то влияние величины коэффициента прилипания будет сказываться лишь при где Di, i, si, ci = 2(2kT/mi)1/2, mi — коэффициент g g0(s0/Kn0)2. Таким образом, в широком диапазоне диффузии, массовая плотность, коэффициент осаждения, параметров системы нет необходимости уточнять коэфтепловая скорость, масса частицы i-го сорта, k — фициент прилипания для радикалов с числом свободных постоянная Больцмана, T — температура, = i — i связей не менее двух.

полная массовая плотность смеси (i = mini).

В качестве первого этапа развития модели рассмотПрилипанием молекул SinH2n+2 к поверхности будем рим процесс роста пленки с участием олигомеров с пренебрегать, полагая sn,2n+2 = 0. Это связано с тем, что g 5. Список используемых в расчетах реакций и сомолекулы могут образовывать предхемосорбционные соответствующих констант скоростей приведен в таблице.

стояния только на оборванных силановых связях, а в Значения констант скоростей брались из [3,4,13,16] и режимах, когда идет рост пленок аморфного кремния, корректировались на основании анализа, проведенноих число достаточно мало [14]. Для радикалов с одной го в [1] и рассуждений, приведенных в начале этого свободной связью SinH2n+1 при малых n в [3] предлагараздела.

лось использовать sn,2n+1 = 0.15 (индекс соответствует В рамках модели [1,2,8], основанной на полных уравсодержанию атомов кремния и водорода соответственнениях Навье-Стокса для смеси химически реагируно). Это условие будем использовать и для высших ющих газов, с новым набором констант, приведенным силанов.

в таблице была выполнена серия расчетов процесса Для радикалов с двумя и более свободными связями роста пленки в камере плазмохимического реактора в [3] предлагалось использовать sn,2n = 1. Рассмотрим в двумерной постановке. Поскольку основной задачей адсорбцию таких радикалов несколько подробнее. Они исследования была апробация модели, то использовапереходят в хемосорбированное состояние в результате лась модель с простейшей геометрией. Камера предзахвата атома водорода поверхности на одну из свополагалась в форме параллелепипеда со вдувом и выбодных связей радикала при одновременном замыкании дувом на противоположных стенках (площадь входа образовавшейся свободной связи поверхности на вторую и выхода совпадает с поперечным разрезом камеры).

свободную связь этого радикала. Для столь эффективноЭлектроды предполагались расположенными на стенках го прилипания этих радикалов необходимо, чтобы обе вдоль направления течения на равном расстоянии от свободные связи были расположены рядом (как в случае входа и выхода. Параметры модели подбирались таким H3Si–SiH =). Число таких g-меров (частиц, содержащих образом, чтобы они соответствовали реальной устаg атомов кремния) обратно пропорционально числу новке, описанной в [17]. Межэлектродное расстояние поверхностных атомов соответствующего радикала (при фиксированном количестве g-меров с двумя оборванны- выбиралось равным L = 0.05 m, как и в экспериментах.

Электрод выбирался в виде квадрата со стороной 0.13 m, ми связями), которые для достаточно больших g может что соответствует площади электрода экспериментальбыть оценено как g2/3, а следовательно, коэффициент ной установки (где электрод имеет форму круга). Это прилипания sg,2g g-2/3. Как было показано в [1], определило эффективную ширину камеры, необходимую при s Knf g = l /L (Knf g —число Кнудсена, l — f g f g для определения скорости вдува (0.13 m), а ее длина длина свободного пробега g-меров в фоновом газе, L — характерный линейный размер) ни граничные условия, определялась из условия равенства объемов реальной и ни скорость роста пленки не зависят от величины s. виртуальной камер и составила 1.4 m. Мощность разряда Поэтому для достаточно больших s погрешность в полагалась равной W = 0.05 W/cm2. Давление в камере его определении будет несущественной. Уточним ряд менялось в диапазоне p = 20-100 Pa. Скорость прокачвыполненных в [1] оценок, выходя за рамки сделанного ки полагалась равной 10 стандартным сантиметрам в там предположения о том, что сечения и массы при- минуту. Температура подложки, совпадающей с одним месных частиц являются величинами того же порядка, из электродов, полагалась равной 520, а остальных стечто и частиц фонового газа. Для оценки характера нок 300 K. Предполагалось, что вдувается смесь силана поведения граничных условий (12) найдем отношение с водородом в равных молярных долях.

коэффициента диффузии и тепловой скорости g-меров:

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.