Simulation von HWCVD-Silizium- Beschichtungsprozessen

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.