Enabling control of matter at the atomic level: atomic layer deposition and fluorocarbon-based atomic layer etching

Dallorto, Stefano GND

The diminishing size of devices has necessitated the development of new patterning, deposition and etch techniques at ever-finer resolution, now approaching the atomic scale. Current trends in device manufacturing impose stringent requirements on nanoscale processing techniques, in terms of material properties and dimensional control. At the required nanoscale dimensions, additionally, surface composition and damage will be as important as physical dimensions for the desired functionality. Ultimately, the deposition and removal of arbitrary materials with single atomic layer precision are required. In this work I will present the insights of my work into fabrication processes and characterization techniques needed in the era of controlling matter at the atomic level using atomic layer deposition (ALD) and atomic layer etching (ALE). To address the challenges in atomic scale manufacturing, a solid understanding of materials and their physical and chemical interactions is required. In this work, the synergy between materials and different fabrication processes is investigated. By studying how ALD performs on spacer defined double patterning (SDDP) I demonstrate the engineering of sub-10 nm features. SDDP is generally limited in resolution due to lack of nanoscale processes at sub-10 nm dimensions. Here, I establish how thermal ALD allows for conformal deposition of a titanium dioxide spacer layer without damaging or modifying any substrate. In conclusion, the first successful fabrication of 7.5 nm titanium oxide features using SDDP is made possible by atomic scaled processes. While ALD has become productive enough to become a mainstream technology, the etch counterpart ALE has been more challenging. Indeed, removing material one atomic layer at a time is a complex scientific problem, especially when directional etching is required. In my work, a major goal was to develop methodologies that would allow the use of existing plasma etching tools for ALE. In this context, this work establishes and evaluates a cyclic fluorocarbon (FC) based approach for ALE of silicon dioxide, characterizes the mechanisms involved, and evaluates the impact of processing parameters. Using a cyclical FC and argon plasma process it is possible to atomically etch silicon oxide in a conventional plasma etch tool with minimal modifications. Plasma-based ALE allows for the directional etching required for deep narrow structures. For the first time, using the FC-based ALE processes, aspect ratio independent etching and high fidelity pattern transfer have been achieved. This result is obtained through a detailed study of the impact of plasma parameters on the SiO2 etch performance and using this information to achieve self-limiting behavior. Overall, this work proves how new technology nodes are enabled by ALD and ALE as part of the increasing trend toward the atomic scale processing.

Die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterschaltkreisen erfordert die Entwicklung neuartiger Strukturierungs-, Abscheidungs- und Ätzmethoden. Die dafür erforderliche Auflösung nähert sich heutzutage atomaren Maßstäben. Die derzeitigen Trends in der Fabrikation von elektronischen Schaltkreisen stellen strenge Anforderungen an die verwendeten Nanostrukturierungsmethoden, in Bezug auf Kontrolle der Materialeigenschaften und der Strukturabmessungen. Für diese nanoskalige Strukturen sind außerdem Oberflächenzusammensetzung und Oberflächendefekte genauso wichtig wie die Strukturabmessungen, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Letztendlich ist es daher notwendig beliebige Materialien mit der Präzision einzelner atomarer Lagen abzuscheiden und abzutragen. Die vorliegende Arbeit untersucht geeignete Fabrikations- und Charakterisierungsprozesse für die Ära der atomar genauen Materialstrukturierung mittels sogenannter Atomic Layer Deposition (ALD) und Atomic Layer Etching (ALE). Um die Herausforderungen atomar genauer Materialstrukturierung zu adressieren ist ein tiefgehendes Verständnis der Materialien und ihrer physikalisch-chemischen Wechselwirkungen von Nöten. In der vorliegenden Arbeit wird die Synergie verschiedener Materialien und Fabrikationsprozesse untersucht. Durch Anwendung von ALD für die Doppelstrukturierung mittels Spacer-Technik (spacer defined double patterning, SDDP) wird gezeigt wie sich Strukturen mit Dimensionen unterhalb von 10 nm herstellen lassen. Generell ist die Auflösung von SDDP durch das Fehlen geeigneter Nanofabrikationsprozesse für Strukturen unterhalb von 10 nm limitiert. Die Arbeit etabliert, dass thermische ALD eine konforme Abscheidung einer Titandioxid-Spacer-Schicht erlaubt, ohne dabei das darunterliegende Substrate zu beschädigen oder zu modifizieren. Zusammenfassen lässt sich sagen, dass die erste erfolgreiche Fabrikation von 7.5 nm breiten Titanoxidstrukturen mittels SDDP nur durch die Anwendung von Prozessen auf atomarem Maßstab ermöglicht wurde. Während ALD bereits zu einer produktiven Standardtechnologie geworden ist, erweist sich die Etablierung des korrespondieren Ätzprozesses, nämlich ALE, als ungleich schwieriger. Tatsächlich ist die kontrollierte Materialabtragung um jeweils eine Atomlage ein komplexes wissenschaftliches Problem. Dies gilt besonders für direktionales Ätzen. Ein Hauptziel der Arbeit besteht in der Entwicklung von Methoden, die es erlauben existierende Plasmaätzanlagen für ALE zu verwenden. In diesem Zusammenhand etabliert und evaluiert diese Arbeit einen zyklischen Prozess basierend auf Fluorcarbonen (FC) für ALE von Siliziumdioxid. Es werden die beteiligten Reaktionsmechanismen charakterisiert und der Einfluss der Prozessparameter evaluiert. Mittels eines zyklischen FC- und Argon-Plasmas ist es möglich Siliciumdioxid atomar genau in einer minimal modifizierten, konventionellen Plasmaätzanlage zu ätzen. Plasma-basiertes ALE erlaubt direktionales Ätzen, das für tiefe, schmale Strukturen erforderlich ist. Zum ersten Mal werden hier sowohl seitenverhältnisunabhängiges Ätzen als auch hohe Zuverlässigkeit beim Strukturtransfer mittels FC-basiertem ALE erreicht. Das Resultat wird durch eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der Plasmaparameter auf das Ätzverhalten von Siliziumdioxid und Anwendung der gewonnenen Informationen auf ein selbstlimitierendes Verhalten ermöglicht. Zusammengefasst demonstriert die vorliegende Arbeit wie neue Technologieknoten, die Teil des zunehmenden Trends zu atomar genauer Halbleiterprozessierung sind, durch ALD und ALE ermöglicht werden.

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Dallorto, S., 2020. Enabling control of matter at the atomic level: atomic layer deposition and fluorocarbon-based atomic layer etching. Ilmenau.
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