Numerical and Experimental Studies of Pristine and Cluster containing Silane-Hydrogen Capacitively Coupled Plasmas Used for Silicon Epitaxial Growth
Études numériques et expérimentales de plasmas de Silane et Hydrogène utilisés pour la croissance épitaxiale de silicium
Résumé
Based on the existed fluid model in our group , a 1D fluid model of radio-frequency (RF) capacitively-coupled silane/hydrogen plasmas that includes a detailed chemistry for silane-hydrogen discharge as well as the surface reactions to account for deposition and etching processes has been developed and tested against the experimental results. In particular, the surface chemistry including recombination, etching, and deposition reactions is coupled to the fluid model via a set of reaction probabilities. The 1-D fluid model was also coupled with a sectional model and transport equations to account for the formation of nanoparticles within plasma and the evolution of both size and charge distributions of the nanoparticles. To make the coupled 1-D fluid-sectional model computationally efficient, a time-splitting method was employed. Two groups of the fast and slow variables were defined depending on the characteristic time scale of their dynamics with respect to the period of RF field oscillations. The governing equations for two groups were solved in alteration by keeping the variables from another group as the “frozen” ones and using a smaller time step for the fast variable group compared to the time step for the slow variable group. The time averaged values of the fast variables (e.g. electrical potential, electron temperature, gas species densities, fluxes of species onto particles, nucleation rate, ion drag force) were used as the input values for the block of slow variable equations. The parametric tests were performed to find the optimal time-splitting conditions (fast and slow time steps, number of RF cycles for the fast variable block). The time-splitting approach was validated with the fully coupled code by using the same time step for both fast and slow variables. Also, the contribution of nanoparticles to the total deposition rate of silicon thin films was estimated and compared with experiments.Both numerical and experimental studies of the effects of gas pressure (1 to 3.5 Torr) and silane concentration (2 to 10%) on the deposition rate of silicon thin films in a standard plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor demonstrated that the deposition rate as determined from the optical modelling of UV-visible spectroscopic ellipsometry measurements agrees well with the modeling results. SiH3 radicals are found to be the main contributor to the computed deposition rates, whereas H3+ ions play the main role in the etching process.The developed 1-D fluid model can be used for the studies of complex silane/hydrogen plasma properties at different process conditions, thus, predicting the behavior of plasma species and nanoparticles at nanoscale that is not accessible with the direct in-situ measurement techniques.
Sur la base d’un modèle fluide développé dans notre groupe, un modèle fluide 1D de plasmas silane/hydrogène dans des décharges RF à couplage capacitif comprenant une chimie détaillée du plasma ainsi que des réactions de surface pour tenir compte des processus de dépôt et de gravure a été développé et testé par rapport aux résultats expérimentaux. En particulier, la chimie de surface, y compris les réactions de recombinaison, de gravure et de dépôt, est couplée au modèle de fluide via un ensemble de probabilités de réaction. Le modèle fluide 1-D a également été couplé à un modèle sectionnel et à des équations de transport pour tenir compte de la formation de nanoparticules dans le plasma et de l'évolution des distributions de taille et de charge des nanoparticules. Pour rendre le modèle fluide-sectionnel couplé 1-D efficace du point de vue informatique (réduire le temps de calcul), une méthode de fractionnement du temps a été utilisée. Deux groupes de variables (rapides et lentes) ont été définis en fonction de l'échelle de temps caractéristique de leur dynamique par rapport à la période des oscillations du champ RF (74 ns). Les équations régissant les deux groupes ont été résolues de façon itérative en gardant les variables d'un autre groupe comme « figées » et en utilisant un pas de temps plus petit pour le groupe de variables rapides par rapport au pas de temps pour le groupe de variables lentes. Les valeurs moyennes dans le temps des variables rapides (par exemple le potentiel électrique, la température électronique, la densités d'espèces gazeuses, le flux d'espèces sur les particules, le taux de nucléation, ou la force de traînée ionique) ont été utilisées comme valeurs d'entrée pour le bloc d'équations de variables lentes. Les tests paramétriques ont été effectués pour trouver les conditions optimales de répartition dans le temps (pas de temps rapides et lents, nombre de cycles RF pour le bloc variable rapide). L'approche de fractionnement du temps a été validée avec le code entièrement couplé en utilisant le même pas de temps pour les variables rapides et lentes. De plus, la contribution des nanoparticules au taux de dépôt total des films minces de silicium a été estimée et comparée à des expériences.Des études numériques et expérimentales sur les effets de la pression du gaz (1 à 3,5 Torr) et de la concentration de silane (2 à 10 %) sur la vitesse de dépôt de films minces de silicium ont démontré que la vitesse de dépôt déterminé à partir de la modélisation des mesures de la fonction diélectrique pare ellipsométrie dans le domaine UV-visible concorde bien avec les résultats de la modélisation. Les radicaux SiH3 s'avèrent être le principal contributeur aux taux de dépôt calculés, tandis que les ions H3+ jouent le rôle principal dans le processus de gravure.Le modèle fluide 1-D peut être utilisé pour étudier les propriétés complexes du plasma silane/hydrogène dans différentes conditions de procédé, et prédire ainsi le comportement des espèces réactives et des nanoparticules, ce qui n’est pas facilement accessible avec des techniques de mesure caractérisation in situ.
Origine : Version validée par le jury (STAR)