Process simulation and model development in ViennaPS

Abstract

In fast allen Geräten, befinden sich mikroelektronische Bauteile. Der stetige Trend der Miniaturisierung von Transistoren und Gehäusen der letzten Jahrzehnte führt zu immer komplexer werdenden Herstellungsverfahren. Diese fortschreitende Erhöhung der Komplexität führt zu steigenden Kosten bei Experimenten, welche zum besseren Verständnis der Herstellungsschritte dienen. Die steigenden Kosten machen verhältnismäßig günstige Computersimulationen für den Produktentwicklungszyklus unverzichtbar. Diese Simulationen werden sowohl zur Verbesserung der Herstellungsprozesse (Process TCAD) als auch zur Analyse der resultierenden Bauteileigenschaften (Device TCAD) eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Prozesssimulator ViennaPS, welcher Monte-Carlo ray tracing und eine auf Level Sets basierende Oberflächenbeschreibung verwendet, verbessert und mit physikalischen Modellen erweitert, wobei der Schwerpunkt auf ionenunterstützten Plasma ätzprozessen liegt. Da SF6/O2 die am häufigsten verwendete Plasmaätzchemie ist, wurde ihr physikalisches Modell implementiert und validiert. Aufgrund der komplexen Herstellungsprozesse unterscheiden sich die Eigenschaften der für das Ätzen verwendeten Masken voneinander. Eigenschaften wie die Ätzrate, der Verjüngungswinkel und die Dicke der verwendeten Masken haben jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Abmessungen der finalen Struktur. Um diesen Einfluss zu quantifizieren, wird das implementierte SF6/O2-Modell angewandt. Es wird gezeigt, dass der optimale Verjüngungswinkel der Maske zur Erzielung der höchsten vertikalen Ätzrate und damit der maximalen Tiefe 0.5° ist und dieser sich mit zunehmender Konzentration der passivierenden Spezies zu größeren Winkeln verschiebt. Bei der maximalen Tiefe ist die beobachtete Krümmung minimal und umgekehrt - bei minimaler Tiefe ist sie maximal. Bei der Facettierung dünner Masken wurde festgestellt, dass die maximale Tiefe mit dem Facettierungswinkel zunimmt und die Krümmung am größten ist, wenn dieser Winkel zwischen 15° und 20° liegt. Zusätzlich zu dem physikalischen Modell wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kompaktes Modell entwickelt, welches die Parameter für die Plasmakammer direkt auf die resultierenden Merkmale der Geometrie abbildet. Dieser geometrische Ansatz zeigte für eingeschränkte Eingabeparameter eine gute Übereinstimmung mit den physikalischen Simulationen.

Microelectronics are present in almost all of the devices we use. Transistor and packaging miniaturization over the last several decades have resulted in highly complex fabrication. Since experiments which are required to understand the fabrication steps are becoming increasingly more expensive, computer simulations have become indispensable in the product design cycle. Simulations are used to enhance both fabrication processes (process TCAD) and analyze final device characteristics (device TCAD). In this work, ViennaPS, a process simulation library which includes Monte Carlo ray tracing and a surface description based on level sets, is improved upon and enriched with physical models, with a focus on ion-enhanced plasma etching processes.Since SF6/O2 is the most frequently applied plasma etching chemistry, its physical model was implemented and validated. Due to complex fabrication processes, variations in masks used for etching are frequent. Therefore, mask properties such as etch rate, tapering angle, and thickness significantly impact the dimensions of the final structure. The implemented SF6/O2 model is applied to quantify this impact. The optimal mask taper angle for achieving the highest vertical etch rate and thereby the maximum depth was found to be at 0.5° and shifts to larger angles with the increase in the concentration of passivating species. At the peak depth, the bowing is minimal and vice-versa. For the faceting of thin masks, it was found that maximum depth increases with the faceting angle, and bowing is at the peak when this angle is between 15° and 20°. In addition to the SF6/O2 physical model, a compact model which maps the plasma chamber parameters directly to the final geometry features was developed within the scope of this work. This geometric approach showed a firm agreement with the physical simulations, albeit with limitations in the input parameters which it is able to consider.