Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Simulierter Partialdruck von SiH3-Spezies unter stationären Prozessbedingungen.
Simulation von HWCVD-Siliziumabscheidung mittels Direct Simulation Monte Carlo
Chemische Gasphasenabscheidung mittels des Heißdraht-CVD-Verfahrens (HWCVD-Siliziumabscheidung) bietet die Möglichkeit, sowohl amorphe als auch nanokristallin dotierte und intrinsische Siliziumschichten mit hohen Raten bis zu 2 nm / s auf großen Oberflächen von bis zu 800 x 665 mm2 herzustellen. In diesem Verfahren gibt es im Gegensatz zu anderen Technologien keinen hochenergetischen Ionenbeschuss, daher ist die resultierende Schichtspannung erheblich geringer. Dennoch können sehr hochwertige, kompakte Schichten realisiert werden. Die Optimierung dieser Prozesse hinsichtlich Schichteigenschaften und Homogenität ist aufgrund der komplexen Wechselwirkungen im Prozess und der Reaktionschemie vergleichsweise aufwendig. Am Fraunhofer IST wurde daher ein detailliertes Simulationsmodell der Gasphasen- und Oberflächenreaktionen in HWCVD-Siliziumabscheidungsprozessen mit Silan (SiH4) und Wasserstoff (H2) erstellt, um die Schichteigenschaften, insbesondere die Verteilung schnell und für den Anwender einfach optimieren zu können.
3D-HWCVD-Kammergeometrie.
Simulierte Speziesadsorption am Substrat als Funktion von Wasserstoff.
Simulierter Partialdruck von SiH3-Spezies unter stationären Prozessbedingungen.
Der Lösungsansatz
Am Fraunhofer IST wurde eine kinetische Simulationssoftware entwickelt, bei der die Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Methode eingesetzt wird, um Strömungs- und Transportprozesse in Niederdruck-Beschichtungsprozessen abzubilden. Basierend auf dieser Software und auf Daten aus zahlreichen HWCVD-Experimenten wurde ein detailliertes Modell des Silizium-Abscheideprozesses entwickelt. Dieses zielt insbesondere auf ein Verständnis des Einflusses der Prozessparameter auf die Schichtmorphologie (amorph oder mikrokristallin) ab. Das neue Modell berücksichtigt neben den Prozessgasen SiH4 und H2 auch atomaren Wasserstoff sowie Silanradikale wie SiH3 oder SiH2, wobei insbesondere der atomare Wasserstoff die Kristallinität der abgeschiedenen Schichten beeinflusst. Neben der Gasphasenchemie wurde zusätzlich ein Oberflächenmodell bestehend aus atomar gebundenem Silizium, Dangling Bonds und Wasserstoffpassivierung aufgestellt.
Validierung des Simulationsmodells
Das neue Modell wurde mit einer experimentellen Parameterstudie verglichen. Die gemessenen Daten umfassen den Totaldruck, die Abscheiderate sowie massenspektrometrische Messungen des Silan-Umsatzes. Nach erfolgreicher Validierung des Simulationsmodells wurde in weiteren Simulationsläufen der Einfluss des Wasserstoffpartialdrucks auf die Adsorptionsdynamik spezifischer Silanspezies an der Substratoberfläche untersucht.
Die Ergebnisse der Simulationsserie und zugehöriger Experimente bestätigen die bisherige Theorie, wonach Spezies mit höherer Oberflächenbeweglichkeit wie SiH3 und Si2H4 zu kristallinen Schichten führen, während Spezies mit geringerer Oberflächenbeweglichkeit wie SiH, SiH2 und Si2H2 zu einem amorphen Schichtenwachstum führen. Experimentell führt eine Zunahme des Drucks oder Wasserstoffstroms zu einer Zunahme der Kristallinität der Schichten, wobei die Simulation auch eine entsprechende Zunahme der SiH3- und eine Abnahme der Si2H2-Konzentrationen zeigt.
Ausblick
Diese Arbeit demonstriert ein virtuelles Werkzeug zur Prozessverbesserung der Siliziumabscheidung mittels HWCVD unter Minimierung zeit- und kostenaufwendiger experimenteller Studien. Weitere Verfeinerungen des Modells bzgl. wasserstoffbasierter Ätzreaktionen sowie der Integration von Dotierstoffen wie Bor oder Phosphor in die Prozesschemie sind in Planung. Ziel ist es, ein virtuelles Abbild einer vollständigen Prozesskette für siliziumbasierende pin-Strukturen im industriellen Maßstab zu erstellen.
Das Projekt
Das Projekt wurde im Rahmen der internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert, Fördernummer MAVO 831 409.
Dieser Beitrag ist Teil des Jahresberichts 2019.