[논문자료] 대형 화학기상증착 반응기 내의 Si 에피택셜 성장에 대한 수치해석 연구

출처: 픽사베이

대형 화학기상증착 반응기 내의 Si 에피택셜 성장에 대한 수치해석 연구

 

화학증기증착(CVD) 공정으로 생산되는 실리콘 에피 증착은 반도체 업계에서 가장 중요한 기술 요건 중 하나이다. CVD 프로세스는 화학적 운동역학, 열전달 및 질량 전달의 상호 작용에 의해 결정되며 공정변수인 유속, 압력, 온도 및 화학종의 농도와 같은 조건에 의해 결정된다. CVD 프로세스 개발 및 최적화는 일반적으로 경험적 방법과 시행 착오적 실험에 기초한다. 이 방법은 고품질 박막 제작에 대한 수요 증가를 충족시킬 수 없다. 따라서 이론적 최적화 기법에 의한 공정의 분석과 최적화가 프로세스 개발이나 공정 조건의 최적화에 많은 도움이 된다. 이 논문에서는 planetary type CVD 반응기 내의 DCS-H2-HCl 시스템의 Si 에피성장에 대해 3차원 CFD 해석과 최적화 기법인 Response Surface Method를 사용하여 공정변수를 최적화하였다. CFD 해석을 통해 웨이퍼의 회전 속도, 화학종 농도, 작동 온도 및 압력과 같은 다양한 조건의 영향을 고려하여 성장 속도와 균일성에 영향을 미치는 핵심 요소를 판단하였다. 그 결과 성장률은 총 유량, 종의 농도, 공정압력과 크게 관련이 있지만, 높은 유속일 경우 위성 회전속도는 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 그러나 CFD 해석 연구의 주요 장애물은 다양한 운용 변수 간의 상호작용을 고려하지 않고 단일 매개변수에 집중한다는 것이다. 최적의 증착 프로파일을 얻기 위해서는 작동 매개변수의 영향도와 매개변수의 최적화된 조합이 매우 중요하다. 따라서 최적의 공정 매개변수를 예측하기 위해 RSM 모델을 사용했다. RSM 모델의 정확성을 확인하기 위해 네 번의 확인 작업이 수행되었으며 RSM 모델의 정확도는 높은 것으로 확인되었다. 이렇게 확인한 RSM 모델을 사용하여 온도, 압력, 웨이퍼의 회전수, DCS의 몰분율 등이 막 두께의 균일도에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 각 공정변수의 영향을 평가하기 위해서는 Analysis of variance (ANOVA)를 수행하였다. ANOVA 해석 결과는 RSM 모델로부터 얻은 식이 정확함을 보여주었다. 또 RSM 모델로부터 얻은 최적 변수의 조합에 대해 CFD 해석을 수행하였으며 해석결과 막 두께의 균일도가 좋아졌음을 확인할 수 있었다. 이렇게 얻은 최적의 작동 조건은 1122.2K 서셉터 온도, DCS의 몰 분율 0.01186, 112 Torr 작동 압력, 23.72 rpm으로 확인되었다.

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Silicon epitaxy deposition produced by chemical vapor deposition (CVD) process is one of the most important technological requirements in the semiconductor industry. CVD process characteristics are determined by the interacting influences of chemical kinetics, heat transfer, and mass transport. In turn, mass transport, heat transfer, and chemical kinetics are determined by process conditions such as flow rate, pressure, temperature, and species concentrations. CVD process development and optimization generally relies on empirical colorations and based on trial-and-error experiments. This method cannot fulfill the increasing demands on producing high-quality thin films. The analysis of the CVD processes includes the understanding of the thermodynamics, the chemical kinetics and the mass transport of fluid dynamics phenomena involved in the deposition process. The knowledge of the deposition rate and the rate controlling step are basic for the design and optimization of the CVD reactor. In this study, a three-dimensional CFD model of multi-wafer planetary CVD reactor has been developed to study epitaxial silicon growth for the DCS-H2-HCl system. A chemical reaction model using temperature dependent reaction rate is proposed and validated using experimental data. Based on the model, the effect of various operating conditions such as satellite rotational speed, species concentration, operating temperature, and pressure is considered to determine the key factor influencing the growth rate and uniformity. The results reveal that the growth rate and uniformity are strongly related to total flow rate, species concentration, and operating pressure, but are not affected by the rotational speed of the satellite in case of high flow rates. This parametric study is important to predict the effect of CVD process parameters on the silicon uniformity. However, the major obstacle of the parametric study is that it focuses in a single parameter without considering the interaction between the various operating parameters. To obtain the optimum deposition profile, the influence degree of the operating parameters and optimized combination of the parameters are very important. In this work, response surface methodology (RSM) is used to analyze the complex coupling effects of different operating parameters on silicon deposition uniformity. Based on computational fluid dynamics (CFD) model, an accurate RSM model is obtained to predict non-uniformity with different parameters, including temperature, pressure, the rotation speed of a wafer, and mole fraction of dichlorosilane. The analysis of variance (ANOVA) is conducted to estimate the contribution of process parameters and their interaction. The results of ANOVA analysis prove the goodness of the regression model. RSM model was used to predict the optimum process parameters. Then the optimum operating conditions and corresponding uniformity were confirmed by the CFD model. The results showed that the RSM model was in a very good agreement. Furthermore, four confirmation runs were carried out to verify the accuracy of the RSM model. The accuracy of the RSM model was found to be high and it can be used to optimize the process parameters. In this study, the optimized operating conditions, in this specific range of variables, were determined to be 1122.2 K susceptor temperature, 0.01186 mole fractions of DCS, 112 torr operating pressure and 23.72 rpm wafer rotation. Under these operating conditions, deposition non-uniformity was 21.13 %.

 

출처: www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/article/articleSearchResultDetail.do?cn=DIKO0015072084

 

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