[논문 리뷰] 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. Libera외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 14.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 27인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 복잡한 반응기 기하구조에서 자가제한적 원자층증착(ALD) 및 원자층 에칭(ALE) 공정을 모델링하기 위한 유체역학기반(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션 도구를 제시한다. 원통형 및 300 mm 웨이퍼 교류 반응기에서 두께 프로파일과 현장 측정치를 정확하게 예측함으로써, 부드럽게 포화되는 반응 및 경쟁적 부산물 흡착과 같은 비이상적 동역학이 비균일성을 유도하는 방식을 규명하였으며, 분석 모델 및 현장 데이터와의 비교를 통해 결과의 타당성을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임의의 기하구조에서 ALD 및 ALE 공정을 위한 반응기 척도 시뮬레이션 도구 개발
• 반응물 이동 및 비이상적 표면 동역학이 300 mm 웨이퍼 전역의 필름 두께 균일성에 미치는 영향 탐구
• QCM 및 QMS와 같은 현장 측정치를 활용하여 이상적 및 비이상적 표면 동역학 간의 구별 가능성을 확보
• 축방향 확산 및 프리커서 펄스 동역학이 성장 프로파일에 미치는 영향 모델링
• 공개 소스 시뮬레이션 코드(aldFoam)를 GPLv3 라이선스 하에 커뮤니티 사용을 위해 배포

제안 방법

• 등온 조건 하에서 압축성 없는 나비에-스토크스 방정식을 사용하여 운반 기체 속도장을 계산
• 종류별 확산도를 갖는 프리커서 및 부산물 종의 시간에 따라 변화하는 질량 이동 방정식을 해석
• 표면 동역학을 모의하기 위해 벽 반응 확률(βi) 및 탈착 유량(Fi)을 이용한 경계 조건 적용
• 조절 가능한 반응 시간(tr)을 통해 실제 입구 농도 펄스를 시뮬레이션할 수 있도록 펄스형 프리커서 공급 구현
• 이상적 자가제한 공정과 비이상적 경우(부드럽게 포화되는 동역학 및 부산물에 의한 경쟁적 흡착) 모두 모델링
• 전체 반응기 척도 시뮬레이션 및 3D 시각화를 위해 오픈소스 CFD 및 메시 생성 도구(OpenFOAM, Gmsh) 활용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축방향 확산 및 비이상적 표면 동역학은 ALD/ALE 반응기의 두께 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 QCM 및 QMS와 같은 현장 측정치는 이상적 및 비이상적 표면 동역학을 구별하는 데 유용한가?
• RQ3 비이상적 표면 거동(예: 느린 반응 경로 또는 부산물 경쟁)은 300 mm 웨이퍼의 필름 균일성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 원통형 반응기에서 시뮬레이션된 성장 프로파일은 분석적 플러그 플로우 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 프리커서 펄스 형상 및 퍼지 동역학은 표면 피복도 및 두께 변화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 원통형 반응기의 시뮬레이션 결과는 분석적 플러그 플로우 모델과 뛰어난 일치를 보이며, 축방향 확산이 성장 프로파일을 약간 부드럽게 만든다.
• 비이상적 부드럽게 포화되는 동역학은 성장 속도를 감소시키고 300 mm 웨이퍼 전역의 두께 비균일성을 증가시킨다.
• 반응 부산물에 의한 경쟁적 흡착은 특히 웨이퍼 가장자리에서 표면 부위 경쟁으로 인해 두께 변동성이 크게 증가한다.
• 현장 QCM 및 QMS 신호는 반응성 이동 및 표면 동역학에 의해 크게 영향을 받으며, 이상적 및 비이상적 메커니즘 간의 구별이 가능하다.
• 이 시뮬레이션 도구는 프리커서 흡착 및 부산물 탈착 동역학을 정확히 예측하여 공정 최적화에의 활용 가능성을 입증한다.
• 공개 소스 시뮬레이션 코드(aldFoam)는 복잡한 반응기 기하구조에서 ALD 및 ALE를 재현 가능하고 고정밀도로 모델링할 수 있도록 한다.