Profile simulations of plasma etching of silicon under consideration of charging effect and cryogenic condition

Ishchuk, Valentyn GND

Diese Arbeit befasst sich mit der Simulation von Plasmaätz-Prozessen zur Erzeugung vonHAR-Strukturen (engl.: "high aspect ratio") in Silizium. Plasmaätz-Technologie spielt eine kritischeRolle für die Herstellung mikroelektronischer Geräte und mikro-/nano-elektromechanischerSysteme (M(N)EMS). Aufgrund der Komplexität physikalischer und chemischer Phänomene,welche während der Prozessierung im Plasmareaktor auftreten, ist die Technologie noch nichtvollständig verstanden. Simulationssoftware kann einen wesentlichen Beitrag zu deren Untersuchungleisten, indem sie Zeit und Kosten für eine Vielzahl von Experimenten zur Entwicklung vonPlasmaätz-Prozessen reduziert. Der ViPER Simulator, der am Fachgebiet MNES der TechnischenUniversität Ilmenau entwickelt wurde, ermöglicht die Durchführung virtueller Experimente, indenen verschiedene sekundäre Effekte des Plasmaätzens zum besseren Verständnis des Prozessesberücksichtigt und analysiert werden können. In der vorliegenden Arbeit wurden neue Modellefür ViPER entwickelt, die folgenden Zielstellungen hatten: 1) Simulation des Einflusses von lokalerAufladung (engl.: "charging effect") auf das entstehende Oberflächenprofil; 2) Simulationvon kryogenischem HAR-Plasmaätzen von Silizium.Erstmalig wurde der Einfluss der lokalen Aufladung an dielektrischen Oberflächen der Mikrostrukturenauf das entstehende Oberflächenprofil über die gesamte Dauer des Ätzprozessessimuliert und gleichzeitig mit den Ergebnissen realer Experimente validiert. Das Modell simuliertden Transport von geladenen Teilchen im Bereich der prozessierten Mikrostruktur unter Berücksichtigunglokaler elektrischer Felder, die durch den erwähnten Aufladungseffekt erzeugt werden.Durch die Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Berechnung des elektrischenFeldes kann das Modell sehr gut mit komplexer Geometrie des betrachteten Bereichs umgehen,welche häufig während der Simulation auftritt. Falls nötig, kann das Modell elektrische Felderauch in dielektrischen Materialien der prozessierten Probe berücksichtigen. Teilchentrajektorienwerden analytisch anhand des FEM-Netzes berechnet. Zur Validierung des Modells wurde einHAR-Ätzexperiment auf Basis eines SF6/C4F8-Gas-Chopping-Prozesses genutzt. Das Modellist allgemein und kann auf viele Ätzchemien angewendet werden.Zum ersten Mal wurde ein Niedertemperatur-SF6/O2-Plasmaätzprozess von Nanostrukturen(Linienbreite 35 nm) in Silizium unter Verwendung eines im Rahmen dieser Arbeit entwickeltenKryo-Ätzmodells simuliert. Die Ergebnisse boten eine gute Übereinstimmung mit experimentellenDaten. Das entwickelte Modell ist folglich ein sehr attraktives Werkzeug für die weitere Erforschungund Entwicklung der HAR-Nanostrukturierung unterhalb 10 nm. Es liefert Simulationenim Mikrostrukturbereich ohne das Plasma in der gesamten Reaktorkammer zu modellieren. Daherwurden viele Modellparameter geschätzt und kalibriert (die entstehenden Plasmaspezies undderen Flüsse zur Waferoberfläche, Winkel- und Energieverteilungen von einfallenden Ionen ander Probenoberfläche, etc.). Zu diesem Zweck wurde in Kooperation mit dem Lawrence BerkeleyNational Lab (Kalifornien, USA) eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt. Die internen Modellparameterwurden bestimmt, indem kryogenisches HAR-Ätzen (-120C, Linienbreite 1,5–0,5um) mit verschiedenen Ätzrezepten simuliert und mit Experimentaldaten verglichen wurde.

This work focuses on simulations of plasma etching of high aspect ratio (HAR) structures insilicon. Plasma etching technology plays a critical role for the production of microelectronic devices,and micro- and nanoelectronic systems (M(N)EMS). Due to the great complexity of physicaland chemical phenomena occurring in the plasma reactor during the processing, plasma etchingtechnique is still not fully understood. Economizing time and costs needed for numerous experimentsin the context of the process development, simulation software can significantly help in thedetailed investigation of the technology. ViPER simulator, developed by the MNES group at IlmenauUniversity of Technology, allows conducting virtual experiments where various secondaryeffects of plasma etching can be considered and analyzed for better insight into the process. In terms of the presented work, new models were developed for the ViPER, to address the followingtwo objectives: 1) simulation of the influence of local surface charging (charging effect) on theevolving feature profile; 2) simulation of cryogenic HAR silicon plasma etching.For the first time, by utilizing the charging effect simulation model developed in this work, theinfluence of local charging of the microstructure insulating surfaces on the evolving feature profilewas simulated over the entire course of the etching process and, at the same time, the obtainedresults were validated by comparison with real plasma etching experiment. The model simulatestransport of charged particles in the intra-feature area accounting for the influence of local electricfield induced by the local surface charging. By using finite element method (FEM) for electric fieldcalculation, the model is able to handle complicated geometry of the area of interest which canoften arise during the simulations. If needed, the developed model can also allow for electric fieldin the insulating materials of the sample. The particle trajectories are analytically calculated usingthe FEM mesh. A HAR etching experiment, employing a SF6/C4F8 gas chopping process, wasused for the validation. The model is general and can be applied across many etching chemistries.For the first time, by using the developed in this work cryogenic silicon etching model, alow-temperature SF6/O2 plasma etching of nano-features (linewidth 35 nm) in silicon was simulated.The obtained results were tested with the real experimental data, showing a good agreement.Hence, the developed model is a very attractive tool for further research and developmentof sub-10 nm HAR nano patterning. The model provides feature scale (in the microstructure area)simulations without modelling the plasma within the entire reactor chamber. Thus, many of themodel parameters (the arising plasma species, the plasma species’ fluxes to the wafer, ion angularand energy distributions at the sample, sticking coefficients of plasma species arriving at the targetsurface, etc.) were assessed and calibrated. To this end, a large number of experiments wasconducted in cooperation with the Lawrence Berkeley National Laboratory, California, USA. Theinternal model parameters were estimated by calibrations, where, using different configurations ofplasma etch equipment parameters, cryogenic (-120C) HAR etching of micro-features (1.5–0.5um) was simulated and tested with the corresponding experimental data.

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Ishchuk, Valentyn: Profile simulations of plasma etching of silicon under consideration of charging effect and cryogenic condition. 2015.

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