[論文レビュー] Reactor scale simulations of ALD and ALE: ideal and non-ideal self-limited processes in a cylindrical and a 300 mm wafer cross-flow reactor

Ángel Yanguas-Gil, Joseph A. Libera+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021

Semiconductor materials and devices参考文献 27被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、複雑なリアクターゲオメトリにおける自己制限的原子層成長（ALD）および原子層エッチング（ALE）プロセスをモデル化するための計算流体力学（CFD）ベースのシミュレーションツールを提示する。円筒形および300 mmウェーパークロスフローキャビティリアクタで、厚さプロファイルおよびインライン測定の正確な予測を示し、非理想的動態（例：ソフトサチュエート反応および副生成物の競合的吸着）が非均一性を引き起こすメカニズムを明らかにした。結果は解析的モデルおよびインライン測定データと整合的である。

ABSTRACT

We have developed a simulation tool to model self-limited processes such as atomic layer deposition and atomic layer etching inside reactors of arbitrary geometry. In this work, we have applied this model to two standard types of cross-flow reactors: a cylindrical reactor and a model 300 mm wafer reactor, and explored both ideal and non-ideal self-limited kinetics. For the cylindrical tube reactor the full simulation results agree well with analytic expressions obtained using a simple plug flow model, though the presence of axial diffusion tends to soften growth profiles with respect to the plug flow case. Our simulations also allowed us to model the output of in-situ techniques such as quartz crystal microbalance and mass spectrometry, providing a way of discriminating between ideal and non-ideal surface kinetics using in-situ measurements. We extended the simulations to consider two non-ideal self-limited processes: soft-saturating processes characterized by a slow reaction pathway, and processes where surface byproducts can compete with the precursor for the same pool of adsorption sites, allowing us to quantify their impact in the thickness variability across 300 mm wafer substrates.

研究の動機と目的

• 任意の幾何形状におけるALDおよびALEプロセスのリアクタスケールシミュレーションツールの開発。
• 反応輸送および非理想的表面反応速度定数が300 mmウェーパー上の膜厚均一性に与える影響の調査。
• QCMおよびQMSなどのインライン測定を用いて、理想的および非理想的表面反応速度定数を区別可能にする手法の確立。
• 軸方向拡散およびプロキシミティ・パルスのダイナミクスが成長プロファイルに与える影響のモデル化。
• コミュニティ利用を想定し、GPLv3ライセンスの下でオープンソースのシミュレーションコード（aldFoam）を公開すること。

提案手法

• 等温条件下での不圧縮性ナビエ＝ストークス方程式を用いて、キャリアガスの速度場を計算。
• 種別に異なる拡散係数を有する時間依存質量輸送方程式を解き、プロキシミティおよび副生成物種の濃度分布を計算。
• 壁反応確率（βi）および脱吸フラックス（Fi）を用いた境界条件を設定し、表面反応速度定数をモデル化。
• 調節可能な応答時間（tr）を有するパルス供給法を導入し、現実的なインレット濃度パルスを再現。
• 理想的自己制限プロセスおよび非理想的ケース（ソフトサチュエート反応速度定数および副生成物による競合的吸着）を両方モデル化。
• フルリアクタスケールシミュレーションおよび3次元可視化の実行に、オープンソースのCFDおよびメッシュ生成ツール（OpenFOAM、Gmsh）を活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軸方向拡散および非理想的表面反応速度定数は、ALD/ALEリアクタ内の厚さプロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 QCMおよびQMSなどのインライン測定は、理想的および非理想的表面反応速度定数を区別できるか？
• RQ3 非理想的表面挙動（例：遅い反応経路、副生成物の競合的吸着）は、300 mmウェーパー上の膜の均一性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 シミュレーションされた成長プロファイルは、円筒形リアクタにおいて解析的プラグフロー予測とどの程度一致するか？
• RQ5 プロキシミティパルスの形状およびパージダイナミクスは、表面被覆度および厚さの時間的変化にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 円筒形リアクタのシミュレーションは、解析的プラグフロー・モデルと良好に一致しており、軸方向拡散が成長プロファイルをわずかになだらかにしていることが判明。
• 非理想的ソフトサチュエート反応速度定数は、300 mmウェーパー全体で成長速度が低下し、厚さの非均一性が増加することを引き起こす。
• 副生成物による競合的吸着は、吸着サイトの競合に起因し、ウェーパー端縁部で顕著な厚さのばらつきを引き起こす。
• インライン測定のQCMおよびQMS信号は、反応輸送および表面反応速度定数に強く依存しており、理想的および非理想的メカニズムの区別が可能である。
• 本シミュレーションツールは、プロキシミティの吸着および副生成物の脱吸ダイナミクスを正確に予測でき、プロセス最適化への応用が妥当であることを裏付けた。
• オープンソースのシミュレーションコード（aldFoam）は、複雑なリアクターゲオメトリにおけるALDおよびALEの再現性があり高精度なモデリングを可能にしている。