Aging and process performance predictions for epitaxial silicon chemical vapor deposition reactors

The adoption of transistor-based electronic devices transformed human habits. Small chips substituted vacuum tubes, providing the computational resources demanded to accomplish unexpected tasks during the last 70 years. This revolution has been empowered by the advancements done in electronics and in the study of semiconductors, similarly to what is taking place today in photovoltaics. Silicon is the leading player for both applications, providing low-cost access to the required characteristics. Integrated circuits are built on epitaxial silicon wafers, undergoing thousands of production steps. The first one is raw material conditioning, essential to assure an acceptable overall production yield. Chemical Vapor Deposition (CVD) is a widespread process to accomplish this task. Reactors are designed to establish the conditions to favour epitaxial growth on the raw material, depositing a layer of almost perfectly crystalline silicon. A subsequent deep cleaning cycle of the deposition chamber must be done to ensure quality standards. This alternation causes reactor materials wearing out. Due to CVD operating conditions variability, the unit need of refurbishment is not straightforwardly identifiable. In the present work, a global process simulator has been developed to meet this technological need. It determines machine aging Key Performance Indicators (KPIs) within a broad range of operating conditions. The core is a first principles based model designed to predict silicon deposition and etching rates. Material transformations are determined by the interplay between gas-phase and surface-phase reactivities. Even if silicon trichloride (𝑆𝑖𝐻𝐶𝑙3, TCS) is the most used silicon precursor, its decomposition chemistry is still an open problem. This work has thus given the chance to determine which kinetic mechanism better describes industrial-scale CVD performances. Those units are employed even for wafers doping. Phosphine (𝑃𝐻3) reactivity on silicon surface has been studied through Density Functional Theory (DFT). Those simulations provided the required insights to set up a kinetic mechanism able to predict the number of phosphorus atoms incorporated in the silicon lattice adopting TCS precursor.

L’introduzione di dispositivi elettronici basati sui transistori ha avuto un impatto rivoluzionario sulla società. Oggi svolgono compiti considerati essenziali in settori molto distanti da quello di riferimento, un processo che non ha conosciuto rallentamenti negli ultimi 70 anni. A renderlo possibile sono stati gli avanzamenti scientifici e tecnologici compiuti nei campi dell’elettronica e nella scienza dei materiali semiconduttori. Il silicio, grazie al suo basso costo, viene comunemente associato a questo tipo di industria, capace di gestire le migliaia di fasi di lavorazione necessarie per ottenere un circuito integrato. La resa finale dipende non solo da quella dei singoli step ma, anche, dalla qualità del materiale di partenza: i circuiti elettrici vengono creati alla scala nanometrica, richiedendo una struttura cristallina priva di difetti conformazionali. La deposizione chimica in fase vapore, nota anche con l’acronimo CVD, è il processo maggiormente impiegato per migliorare la qualità del materiale di partenza. Le condizioni instaurate all’interno della camera di deposizione favoriscono l’interazione fra la fase gassosa, in cui si trova il precursore, e la superficie, crescendo un cristallo dalle opportune caratteristiche partendo da un substrato. Al termine di questa fase l’unità dev’essere sottoposta a pulizia, sì da garantire il rispetto degli standards qualitativi. Le condizioni richieste a tal scopo promuovono la corrosione dei materiali, costringendo a periodiche manutenzioni. Data la variabilità dei parametri operativi e la crescente necessità di prevedere i fermi macchina per migliorare l’affidabilità delle linee di produzione, è stato sviluppato un software per la stima deterministica dei parametri indicatori dell’invecchiamento di questi reattori. Motore del programma è un modello ai principi primi in grado di prevedere la velocità di deposizione e rimozione del silicio al variare di temperatura del suscettore, composizione e portata del gas in un reattore ad uso industriale. Per garantire l’accuratezza fra i valori misurati sperimentalmente e le performances previste, ruolo determinante l’ha il meccanismo cinetico impiegato per descrivere le trasformazioni materiali nella fase gassosa e sulla superficie. Per quanto la reattività della decomposizione del triclorosilano (SiHCl_3, TCS) sia oggetto di studio da anni, rimangono delle incertezze sui parametri cinetici delle reazioni chimiche superficiali, nonché dell’importanza dell’interazione fra fase gassosa e superficie. Dato lo scopo di questo lavoro la tematica è stata sistematicamente affrontata. Parimenti, visto l’impiego di questi reattori non solo per depositare silicio ma, anche, per drogarlo, la dinamica della decomposizione della fosfina (PH_3) sulla superficie è stata studiata applicando la teoria funzionale della densità (DFT). I risultati ottenuti, uniti ai dati sperimentali disponibili, hanno consentito di implementare il meccanismo cinetico con le razioni necessarie per determinare quanti atomi di fosforo siano efficacemente incorporati nella struttura cristallina del silicio utilizzando TCS quale precursore.