WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 8 01;06;12 Особенности роста пленок гидрированного аморфного кремния в PECVD-реакторах © Ю.Е. Горбачев, М.А. Затевахин, В.В. Кржижановская, В.А. Швейгерт Институт высокопроизводительных вычислений и баз данных, 198005 Санкт-Петербург, Россия E-mail: gorbachev@hm.csa.ru (Поcтупило в Редакцию 10 февраля 1999 г. В окончательной редакции 27 октября 1999 г.) Построена эффективная модель, позволяющая рассчитывать параметры роста кремниевых пленок в PECVD-реакторах диодного и триодного типов, а также анализировать причины, приводящие к изменению процесса осаждения кремнийсодержащих радикалов. Выяснены механизмы влияния разбавления силана молекулярным водородом на процесс роста пленки.

Введение экспериментальных данных, необходимых для верификации моделей.

Одним из наиболее широко распространенных спо- На основе модели [3] было проведено численное иссобов производства пленок аморфного гидрированного следование физико-химических процессов, протекающих кремния является технология, основанная на осаждении в диодном реакторе в чистой силановой плазме, подробиз газовой фазы кремнийсодержащих радикалов, полу- но проанализирована роль различных компонентов и ченных разложением силана в ВЧ разрядной плазме влияние параметров системы на рост пленки в основных в PECVD-реакторах (Plasma Enhanced Chemical Vapour рабочих режимах. При этом было обнаружено, что при Deposition). В настоящее время используются различные низких давлениях в камере наблюдается накопление схемы таких систем. В одной из них, диодной, подложка молекулярного водорода, так что силан перестает быть совмещается с одним из электродов. В другой схеме, единственным несущим компонентом. Кроме того, на относящейся к широкому классу систем с удаленной практике часто используется технология, основанная плазмой (remote plasma) и называемой обычно триод- на разбавлении силана водородом, позволяющая более ной, подложка вынесена за область плазменного разряда экономично расходовать силан и делающая производство (PECVD-реакторы). Такая схема была предложена и кремниевых пленок экологически более чистым. В этих подробно исследована в [1]. Оптимизация параметров условиях модель [3] становится некорректной.

PECVD-реакторов, нацеленная на увеличение скорости В настоящей работе представлена модель, в которой роста и качества пленки, позволяет достичь существенучтено происходящее в процессе роста пленки изменых технологических преимуществ. В связи с этим пронение концентрации силана. При этом диффузионный должают развиваться различные модели, с той или иной перенос определялся не постоянными коэффициентами степенью детальности описывающие процессы, протекадиффузии, а рассчитываемыми с помощью формулы Уилющие в ростовой камере, и позволяющие корректировать ке, являющейся первым приближением описания дифконструкции реакторов.

фузии в многокомпонетной среде. Показано, что дальПервая наиболее полная модель процесса роста плен- нейшая детализация описания диффузионных процессов ки аморфного кремния из ВЧ разрядной силановой не приведет к уточнению расчетов потоков компонент к плазмы в диодном реакторе была предложена в [2].

поверхности пленки. Расчет плазменного разряда произВ [3] была построена относительно простая, эффек- водился на основе жидкостной модели [5], позволяющей тивная модель, позволяющая проводить оперативные рассчитывать концентрации электронов. Кроме того, в оценки всех основных параметров процесса с достаточ- данной работе были получены выражения для констант ной точностью. В рамках этой модели помимо силана скоростей реакций, индуцированных электронным уда(SiH4), считавшегося несущим компонентом с неизмен- ром в силаново-водородных смесях. Это дало возможной концентрацией, учитывались 12 основных компо- ность исследовать протекающие в реакторах процессы в нентов, определяющих химический состав смеси: SiHn, гораздо более широком диапазоне параметров, а также n = 1-3, H, H2, Si2Hn, n = 3-6, Si3H8, Si2H и Si2H моделировать процессы в силане, разбавленном моле6 ( означает электронно-возбужденные состояния). Ана- кулярным водородом. Предложенная модель описывает логичная модель, но с несколько отличным набором процессы в реакторах триодной схемы, когда область химических компонентов и гораздо более детальным разряда отделена от подложки некоторым расстоянием.

описанием электронной подсистемы, была недавно пред- Наконец, в данной работе корректно учтено влияние ложена в [4]. Ее авторы провели достаточно подробные объема реактора, который в подавляющем большинстве измерения параметров системы, а также представили ряд реальных установок не совпадает с объемом разряда.

78 Ю.Е. Горбачев, М.А. Затевахин, В.В. Кржижановская, В.А. Швейгерт 1. Математическая модель Таблица 1. Параметры потенциала Леннарда–Джонса В предлагаемой модели PECVD-реактора газофазные Компонент i, i/k, K процессы в объеме описываются одномерными уравSiH4 4.084 207.нениями химической кинетики, в которых на основе SiH3 3.943 170.оценок [3] учитываются только процессы диффузионного SiH2 3.803 133.переноса SiH 3.662 95.ni ni H 2.5 30.= Di + Fi. (1) t x x H2 2.915 59.Si2H6 4.828 301.Здесь ni — численная концентрация i-го компонента;

Si2H 4.828 301.Fi — источниковый член, описывающий химические Si2H 4.828 301.превращения (подробнее см. [3]). Эффективный коэфSi2H5 4.717 306.фициент диффузии i-го компонента Di рассчитывается Si2H4 4.601 312.с помощью формулы Уилке [6], широко применяемой Si2H3 4.494 318.в практических расчетах многокомпонентных газовых Si3H8 5.562 331.смесей, Nk -Di =(n - ni) nk/Dki, (2) использовать следующиую связь между величинами конk=1, k =1 стант реакций kr и констант ионизации ki:

где n — суммарная численная концентрация смеси. 0 kr/kr =(ki/ki ) r/ i, (4) Коэффициент бинарной диффузии Dki рассчитывается где и — пороги химической реакции и ионизации по формуле молекулярно-кинетической теории газов [7] r i силана соответственно [11], а индекс 0 относится к некос использованием потенциала (6-12) Леннарда–Джонса торым фиксированным условиям, для которых известно значение этих констант (в дальнейшем будем называть T /2µki cmDki = 0.002628. (3) эти условия ”базовыми”).

s pki(1.1) (Tki ) ki Тогда из предположения, что плазма в целом квазинейтральна и частота ухода электронов равна частоте ухода Здесь µki = mkmi/(mk + mi) — эффективная масса ионов, которые в основном представлены ионом SiH+, частиц k-го и i-го сортов; mi — молекулярный вес а несущая смесь состоит из силана и молекулярного i-й частицы; ki = (k + i)/2 — эффективный диаводорода, можно, используя формулу (2), получить метр столкновения;ki = kT /ki — характеристическая T температура; ki = ki — параметр потенциала межnki nt SiH= молекулярного взаимодействия (глубина потенциальной 0 nSiHki nt ямы); k — постоянная Больцмана; (1.1) (Tki ) —приki веденный -интеграл столкновений для переноса массы, n0 /D0 SiH2 + n0 /D0 SiH2 l0 SiH4 SiH4 H2 H. (5) нормированный на -интеграл для модели твердых сфер.

(nSiH4/DSiH4 SiH2 + nH2/DH2 SiH2) l Значения функции (1.1) (Tki ) в широком диапазоне изki Здесь nt и nt — численная концентрация смеси — менения характеристической температуры Tki приведены в монографии [7], при расчетах использовались аппрок- текущая и в ”базовых” условиях соответственно. В качестве ”базовых” выбраны условия в силано-водородной симирующие формулы из [8]. Значения параметров в смеси с парциальными давлениями водорода и силана потенциала Леннарда–Джонса i и i взяты из [9] и p0 = p0 = 0.125 Torr при температуре T = 520 K приведены в табл. 1.

H2 SiHВ работе [10] было проведено экспериментальное и межэлектродным расстоянии l0 = 2.5 cm, поскольку определение коэффициентов бинарной диффузии силила соответствующие данные о константах приведены в работе [2].

в силане и молекулярном водороде, которые составили соответственно 140 ± 30 и 580 ± 140 cm2/s при темпе- Другими замыкающими соотношениями для системы (1) являются граничные условия [3], учитывающие ратуре 320 K и давлении 1 Torr. Формула (3) дает для наличие скачка концентраций вблизи поверхности осаэтих условий значения 111 и 536 cm2/s соответственно, ждения, который при рассматриваемых условиях может что хорошо согласуется с данными измерений.

иметь значительную величину, Для замыкания постановки задачи необходима зависимость констант скоростей химических реакций, инni sici -Di = ni. (6) дуцированных электронным ударом, от давления p и x 2(2 - si) межэлектродного расстояния l. Для определения этой зависимости без вычисления конкретных значений элек- Здесь /x — производная по нормали, внешней к тронной температуры в работе [3] было предложено поверхности; ci = 2 2kT /mi — тепловая скорость;

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Особенности роста пленок гидрированного аморфного кремния в PECVD-реакторах ложка удалена от зоны разряда, как о схеме с удаленной Таблица 2. Список химических реакций и констант скоростей плазмой.

При численном решении поставленной задачи испольКонстанты, Номер Реакции зовался метод, описанный в работе [3].

cm3/s Список основных химических реакций и константы их R1 SiH4 + e SiH3 + H 3.000 · 10-скоростей приведены в табл. 2. Кроме того, учитываR2 SiH4 + e SiH2 + 2H 1.500 · 10-лись реакции пиролиза силана и дисилана, которые, как R3 SiH4 + e SiH + H + H2 9.340 · 10-показали расчеты, дают незначительный вклад в общий R4 SiH4 + e SiH2 + H2 7.190 · 10-химический баланс.

R5 H2 + e 2H 4.490 · 10-R6 Si2H6 + e SiH3 + SiH2 + H 3.720 · 10-R7 Si2H6 + e Si2H4 + 2H 3.700 · 10-2. Аналитические результаты R8 SiH4 + H SiH3 + H2 2.530 · 10-R9 SiH4 + SiH2 Si2H 1.000 · 10-Ассимптотический анализ, основанный на различии R10 SiH4 + SiH Si2H3 + H2 1.700 · 10-масштабов различных процессов, позволил получить неR11 SiH4 + SiH Si2H5 2.500 · 10-которые аналитические формулы и объяснить взаимоR12 SiH4 + Si2H5 SiH3 + Si2H6 5.000 · 10-связь между условиями в камере и различными параR13 SiH4 + Si2H4 Si3H8 1.000 · 10-метрами процесса. Если в [3] такие соотношения были R14 SiH3 + H SiH2 + H2 1.000 · 10-приведены для случая диодной схемы, то в настоящей R15 SiH3 + SiH3 SiH4 + SiH2 1.500 · 10-работе такой анализ проведен и для триодной схемы.

R16 SiH3 + SiH3 Si2H 1.000 · 10-При этом вся расчетная область 0 < x < L разбивалась R17 SiH3 + Si2H5 SiH4 + Si2H4 1.000 · 10-на две зоны: 0 < x < l, в которой концентрация R18 SiH3 + Si2H5 Si3H8 1.000 · 10-электронов ne, инициирующих химические реакции, приR19 SiH3 + Si2H6 SiH4 + Si2H5 3.270 · 10-нималась равной соответствующей величине в межэлекR20 SiH2 + H SiH + H2 7.960 · 10-тродном пространстве, и l < x < L, в которую плазма R21 SiH2 + Si2H6 Si3H8 1.200 · 10-хотя и проникает, но энергии электронов не хватает для R22 Si2H3 + H2 Si2H5 1.700 · 10-инициирования реакций. В этой зоне размером d = L - l R23 Si2H4 + H2 + SiH4 + SiH2 1.000 · 10-R24 Si2H5 + H Si2H4 + H2 1.000 · 10-10 предполагалось протекание только реакций, обусловленR25 Si2H6 + H SiH4 + SiH3 7.160 · 10-ных межмолекулярными столкновениями, или мономоR26 Si2H6 + H Si2H5 + H2 1.430 · 10-лекулярных реакций.

R27 Si2H Si2H4 + H2 5.000 · 106 c-Оценки эффективностей основных процессов, аналоR28 Si2H + M Si2H6 + M 1.000 · 10-6 гичные проведенным в [3], позволили получить следу(M — частица, ющее упрощенное уравнение, описывающие поведение сталкивающаяся с Si2H) силила, R29 Si2H SiH4 + SiH2 2.300 · 107 c-R30 Si2H Si2H4 + H2 2.300 · 107 c-DSiH3d2nSiH3/dx2 = 2k8nHnSiH4 - k32nSiH3nSi3H8, (7) R31 Si3H8 + H Si2H5 + SiH4 2.170 · 10-где ki —константа i-й реакции (i — порядковый номер R32 Si3H8 + SiH3 Si4H9 + H2 1.000 · 10-реакции в табл. 2); в качестве граничных условий к этому уравнению взято условие (6) с коэффициентом Данные приводятся при межэлектродном расстоянии l0 = 2.5 cm, парциальных давлениях молекулярного водорода и силана осаждения sSiH3 = 0.15.

p0 = 0.125 Torr и температуре T0 = 520 K.

Соответствующий анализ для атомарного водорода, являющегося основным инициатором возникновения силила, приводит к следующему уравнению баланса в si — коэффициент осаждения частиц сорта i. Значения области разряда 0 < x < l:

этих коэффициентов взяты из работы [2]: si = 0.-DHd2nH/dx2 = 2k2nenSiH4 - k8nSiH4nH. (8) для SiH3 и Si2H5, si = 1 для SiH, SiH2, Si2H3 и Si2H4, si = 0 для остальных компонентов. Концентрация элекВне области разряда при l < x < L поведение тронов в межэлектродном пространстве рассчитывалась атомарного водорода описывается таким же уравнением, в рамках жидкостного приближения по модели, подробно но с отсутствующим первым членом в правой части описанной в работе [5]. При моделировании плаз- (ne = 0), т. е. в область вне разряда атомарный водород поступает только за счет диффузии. Решая эти уравнения мохимических процессов предполагалось, что горячие с граничными условиями (6) при отсутствии осаждения электроны, приводящие к диссоциации, находятся только (sH = 0) и с условием гладкой сшивки решений на в межэлектродном пространстве. При удалении от него границе зон (при x = l), для профиля концентрации энергия диффундирующих из зоны разряда электронов атомарного водорода получим аналитическое выражение падает экспоненциально и ее становится недостаточно для инициации химических реакций. В этом смысле 2k2ne sh(d/LH) x nH = 1 - ch, 0 < x < l, (9) можно говорить о технологической схеме, в которой подk8 sh(L/LH) LH Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 80 Ю.Е. Горбачев, М.А. Затевахин, В.В. Кржижановская, В.А. Швейгерт 2k2ne sh(l/LH) L - x 3. Обсуждение результатов nH = ch, l < x < L. (10) k8 sh(L/LH) LH 1) Ср а в н е н и е с э к с п е р и ме н т о м. СравУравнение (7) после подстановки в него выраженение с имеющимися в литературе экспериментальными ний (9) и (10) позволяет получить следующую аналиданными затруднено, поскольку они состоят из далеко не тическую зависимость потока силила на поверхность от полного набора характеризующих систему параметров.

параметров системы:

В связи с этим для анализа были выбраны результаты работы [4]. В этой работе приведена исчерпывающая 2k2nenSiH4L3 l L2 H SiH3 = 2sh2 + информация об условиях проведения эксперимента, а sh(L/L3) 2L3 3 - L2 sh(L/LH) L2 H также результаты численных расчетов.

Установка представляла собой камеру объемом 10 l, l L L l d ch sh - ch sh - sh, внутри которой располагались два электрода радиL3 LH L3 LH LH усом 8 cm на расстоянии 2.7 cm друг от друга.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.