Plasmaätzen von Siliziumgräben mit extrem hohen Aspektverhältnissen : Grundlagen, Effekte, grundlegende Untersuchungen

Abstract

Für die Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es bei bestimmten Konzepten notwendig, mittels reaktiven Ionenätzen (Plasmaätzen) genau definierte, tiefe Gräben in Siliziumwafer zu ätzen.<br />Das Ziel dieser Arbeit ist es · die Grundlagen der Plasmaätzung darzustellen, · den HBr/NF3/HeO2-Trenchätzprozeß auf einer Magnetfeld verstärkten Plasmaätzanlage sowie den HBr/SF6/O2-Trenchätzprozeß auf einer Ätzanlage mit hochdichtem Plasma zu charakterisieren, · sowie den Einfluß von Geometrie, Strukturbreite und Belegungsgrad auf das Ätzergebnis zu untersuchen.<br />In den Grundlagen der Plasmaätzung wird die Erzeugung der Ätzreaktanten in einer Gleichstrom, Niederfrequenz- und einer Hochfrequenz-Entladung dargestellt. Nach einem kurzen Abriß über die Wechselwirkungen im Dunkelraum und den Wechselwirkungen mit dem strukturierten Substrat wird auf die prinzipiellen Anregungs- und Ätzmechanismen eingegangen.<br />Im weiteren werden die, bei der Arbeit verwendeten Plasmareaktoren vorgestellt.<br />Daraufhin wird die Wirkung der einzelnen Prozeßparameter · Leistung, Druck, Magnetfeld, Gasgesamtfluß · Chemie der Gase · Temperatur des Chucks, Druck der Heliumrückseitenkühlung auf das Ätzergebnis untersucht.<br />Bei der Trenchätzung wird die Passivierung direkt aus dem geätzten Material gebildet. Damit werden unter anderen Parameter wie · die kritische Strukturabmessung · das Verhältnis von ätzbarer und nicht ätzbarer (geschützter) Oberflächen · die Geometrie der Ätzstrukturen · die Anzahl an direkten Nachbarn und · die Aspektverhältnisse zu bestimmenden Größen. Der Einfluß dieser Parameter auf das Ätzergebnis wurde daher Gegenstand dieser Arbeit.<br />Zufolge dieses Passivierungskonzeptes besteht ein Gegensatz zwischen der Forderung nach spitzen Trenchen, welche einen hohen Passivierungsgrad erfordern, und rauher Trenchoberflächen (Black Silicon), welche sich eben bei diesem hohen Passivierungsgrad bilden. Die Einflußgrö auf das Phänomen Black Silicon wurden untersucht.<br />

In the fabrication of semiconductor devices it is sometime necessary to etch deep trenches into the siliconwafer. This is often done by dry etching.<br />The aim of this work is to · outline the basics of plasma etching, · characterize for trench etch a HBr/NF3/HeO2-process on a magnetical enhanced reactive ion etch-system and a HBr/SF6/O2-process on a high density plasma-system, · investigate the impact of geometry, critical dimension and open area on the etching result.<br />In the outline of plasma etching, the generation of the etch species in a direct current, low- and radio frequency-discharge is explained.<br />Followed by the interactions in the dark sheath, the interactions of the etching chemistries with the structured substrate and the generation- and etch mechanisms.<br />The plasma reactors used in this work are explained.<br />The influence of · power, pressure, magnetic field, total gas flow · the chemical action of the gases · temperature of the chuck, pressure of the helium backside cooling on the etching result is presented.<br />The passivation for trench etch is build up directly out of the etched silicon. So, parameters like critical dimension, open area, geometry, number of trenches in the direct neighbourhood and aspect ratio has an influence on the process result. The effects of these parameters on the process result are investigated.<br />Due to this concept of passivation, there is a discrepancy between the demand of tapered trenches and the occurrence of black silicon. The influence of the key parameters on black silicon are investigated.