Dreidimensionale Topographiesimulation der ionisierten Metallplasma-Abscheidung in der Halbleitertechnologie

Three-dimensional topography simulation of Ionized Metal Physical Vapor Deposition in the semiconductor industry

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-4600
  • In dieser Arbeit wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das die dreidimensionale Form der Oberfläche von Strukturen nach einer physikalischen Schichtabscheidung - auch mit Rücksputtern - vorhersagen kann. Als Grundlage dient ein physikalisches Modell zur Beschreibung der Vorgänge an der Strukturoberfläche. Es berücksichtigt energiereiche Teilchen, wie sie gezielt bei der ionisierten Metallplasma-Abscheidung (IMPVD) erzeugt werden, um die Konformität der abgeschiedenen Schicht zu verbessern. Ohne die energiereichen Teilchen beschreibt das Modell herkömmliche physikalische Schichtabscheidung. Die Energie- und Winkelverteilung der auftreffenden Teilchen und deren Haftwahrscheinlichkeit sindIn dieser Arbeit wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das die dreidimensionale Form der Oberfläche von Strukturen nach einer physikalischen Schichtabscheidung - auch mit Rücksputtern - vorhersagen kann. Als Grundlage dient ein physikalisches Modell zur Beschreibung der Vorgänge an der Strukturoberfläche. Es berücksichtigt energiereiche Teilchen, wie sie gezielt bei der ionisierten Metallplasma-Abscheidung (IMPVD) erzeugt werden, um die Konformität der abgeschiedenen Schicht zu verbessern. Ohne die energiereichen Teilchen beschreibt das Modell herkömmliche physikalische Schichtabscheidung. Die Energie- und Winkelverteilung der auftreffenden Teilchen und deren Haftwahrscheinlichkeit sind Parameter des Modells. Die behandelten Teilchensorten sind Atome und Ionen des sich abscheidenden Materials sowie Ionen des Trägergases. Die Ionen können durch Rücksputtern wieder Material aus der Schicht entfernen und innerhalb der Struktur umlagern. Die Abhängigkeit dieses Vorgangs von der Energie und dem Einfallswinkel des Ions wird berücksichtigt. Die Topographie der Struktur wird durch Unterteilung in ebene Dreiecke diskretisiert. Basierend auf dem physikalischen Modell wurde für die 3D-Simulation ein lineares Gleichungssystem zur Bestimmung der Abscheideraten an verschiedenen Stellen der Oberfläche aufgestellt. Alle auftretenden Größen wie Teilchenaustausch, Abschattung und gegenseitige Sichtbarkeit von Oberflächenelementen werden in drei Dimensionen behandelt. Mit dem Programm lassen sich erstmals die Topographieänderungen dreidimensionaler Strukturen bei der ionisierten Metallplasma-Abscheidung simulieren. Zur Erzeugung der Struktur nach der simulierten Abscheidung wird ein bestehendes Programm benutzt, das die Dreiecke gemäß den Abscheideraten verschiebt. Der 3D-Simulator wurde anhand von 2D-Simulationen aus der Literatur validiert, die wiederum mit Experimenten verglichen worden waren. Die 3D-Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den 2D-Simulationen, sowohl mit als auch ohne Rücksputtern. An einer nur dreidimensional behandelbaren Struktur wurden die Einflüsse verschiedener Modellparameter untersucht. Zur weiteren Validierung wurden eigene Experimente zur physikalischen Schichtabscheidung durchgeführt. Dazu wurden trocken geätzte Grabenstrukturen und quadratische Kontaktlöcher bei verschiedenen Argondrücken mit Titan und Tantal beschichtet. Die Strukturen wurden danach präpariert und zur Anwendung des 3D-Simulators digitalisiert. Für die Simulationen wurden die Modellparameter bestimmt, um die Experimente mit den 3D-Simulationen zu vergleichen. Der Einfluss der Streuung der gesputterten Atome im Reaktor wurde in dieser Arbeit durch die Bestimmung eines isotropen Anteils der Winkelverteilung aus den Simulationen abgeschätzt. Auftretende Effekte wie nicht massive Seitenwandschichten oder die verringerte Dichte von Metallatomen zum Rand des Reaktorvolumens hin konnten zumeist quantitativ erfasst werden. Die Simulationen beschreiben konsistent die durchgeführten Experimente, aber eine genaue Nachbildung der Unebenheit der Oberfläche der Grabenseitenwände ist nicht möglich, ebenso kann die Bildung unregelmäßiger Strukturen im Nanometerbereich, wie sie bei den Titan-Seitenwandschichten beobachtet wurden, nicht nachgebildet werden.show moreshow less
  • Within this work, a simulation program has been developed which can predict the three-dimensional topography of structures after processes of physical vapor deposition, including resputtering. Basis of the simulator is a physical model from literature which describes the processes on the substrate surface. It considers energetic particles which are created intentionally by Ionized Metal Physical Vapor Depositon (IMPVD) for improved conformity of the deposited layer. Without the presence of energetic particles the model describes conventional physical vapor deposition. Energy and angular distribution of impinging particles are parameters of the model. The particle species addressed are atomsWithin this work, a simulation program has been developed which can predict the three-dimensional topography of structures after processes of physical vapor deposition, including resputtering. Basis of the simulator is a physical model from literature which describes the processes on the substrate surface. It considers energetic particles which are created intentionally by Ionized Metal Physical Vapor Depositon (IMPVD) for improved conformity of the deposited layer. Without the presence of energetic particles the model describes conventional physical vapor deposition. Energy and angular distribution of impinging particles are parameters of the model. The particle species addressed are atoms and ions of the depositing material and ions of the carrier gas. The ions can resputter some material from the deposited layer and redeposit it within the structure. The description of resputtering accounts for its dependence from the energy and the incident angle of the incoming ion. The topography of the structure ist discretized by flat triangles. Starting with the physical model, a system of equations has been set up which provides the deposition rate at different positions of the surface. All occuring values like particle exchange terms, shadowing and mutual visibility of surface elements are treated in three dimensions. With the software, three-dimensional changes of topography during the IMPVD process can be simulated for the first time. An existing software modul is used for creating the structure after deposition. It moves the triangles according to the deposition rates. The 3D simulator has been validated by comparison with 2D simulations from literature which in turn have compared with experiments. The 3D simulations with and without resputtering show good agreement with the simulations done in two dimensions. Simulating the deposition of an IMPVD process into a structure which can be treated only in three dimensions, the influences of various model parameters were examined. Own experiments using physical vapor deposition were carried out for further validation. Dry etched trench structures and quadratic contact holes were deposited with titanium and tantalum using varying argon pressures. After deposition, the structures have been prepared for the raster electron microscope and were digitized for comparing the experiments with 3D simulations. The model parameters for the simulations were determined. The influence of scattering of sputtered atoms from the target was estimated by identifying an isotropic fraction of the angular distribution. It was possible to describe effects like not massive sidewall layers or reduced density of metal atoms at the border of the gas volume quantitatively for the most part. The simulations are consistent with the conducted experiments. Restricitions of the simulations have also been seen: the exact reproduction of the sidewall surface of the trenches for the whole simulation region ist not possible, as well as the creation of irregular structures in the nanometer range which are observed at the sidewall layers of titanium.show moreshow less

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Metadaten
Author:Siegbert Kistler
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-4600
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2006
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2006/07/31
Release Date:2006/11/15
Tag:Damascene-Prozess; Haftwahrscheinlichkeit; Kontaktloch; Raumwinkel; Strukturzone; Tantal; Teilchenfluss; Titan; Topographiesimulation
radiosity; sputter deposition; sticking coefficient; topography simulation; via
SWD-Keyword:Beschichten; Computersimulation; Metallisieren; Winkelverteilung; Abscheidung; Hochfrequenzsputtern; Sputtern; Zerstäubung; Dünnes Plasma; Ho
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
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