Picket Fences … ?

Jeder Prozessingenieur , der mit Halbleitertechnologie befasst ist, kennt das Problem, doch Beiträge sind selten im Internet zu finden.

Die Sprache ist von den sogenannten „fences“ oder auch „crowns“, die als Rückstände nach der Strukturierung vom Metall oder Dieelektrikumsschichten zu sehen sind.

FencesBild 1: besonders dichte zusammenhängende Seitenwände an den Leiterbahnen

Wie kommen diese Gebilde zustande, und woraus bestehen sie? Gefährden solche Reste das Prozessergebnis?

Fences oder Crowns sind die übriggebliebene Seitenwandpassivierung¹, die beim Trockenätzen im Plasma für die lateral nahezu verlustfreie Übertragung des Lackmasses ins Ätzmass ins Metall sorgt (im idealen Fall).

Um die Ätzmaske zu entfernen, folgt ein durchaus gründlicher Ablackschritt – warum bleiben trotzdem solche Gebilde nach dem „Resist-Strip“ noch übrig?

Sie bestehen zu einem sehr großen Anteil des Lackes, also Polymere, die mit den Bestandteilen der zu ätzenden Schicht (z.B. AlSiCu), des eingesetzten Gase (z.B. Chlor und Bortrichlorid), des angeätzten Untergrundes (z.B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid) sowie ihrer möglichen Kombinationen.

Mit dem einfachen „Ablacken“, einem Trockenätzvorhang , bei dem der überwiegende Anteil des Prozessgases Sauerstoff ist, werden lediglich die reinen Polymere verascht, nicht jedoch die „Fences“, weil sie weitaus ätzresistenter sind.

Sollte sich unter der zu ätzenden Schicht noch eine sogenannte Diffusions-Barriere, oder eine Haftvermittlungslage (meist Titan/Titiannitrid) befinden, die auch geätzt werden muss, entstehen besonders widerstandsfähige Seitenwände bzw. „Fences“.

Wie lassen sich diese „fences“ entfernen ?

Eine chemische Auflösung dieser „fences“ ist kaum möglich. Was bleibt, ist die Praxis, mithilfe einer alkalischen Lösung, die Zwischenräume der „fences“ und des Metalls zu unterkriechen, eine Art lift-off der Reste.  Einer der Hersteller für solche Reinigungschemikalien ist die Firma EKC Technology, die mehrere Produkte, je nach Anwendungsfall zur Verfügung stellt. Diese Plasmaätz-nachbehandlungsmittel bestehen aus Wasser, Alkanolamin, Katechol und Hydroxylamin. Sie sind gesundheitlich nicht ganz unbedenklich. Bitte hierzu das jeweilige Sicherheitdatenblatt beachten !

fences nach Nassbehandlung

Bild 2: Abgeschälte Seitenwände bzw. Polymerreste

Aber auch dieser nasschemische „Reinigungsschritt“  hat seine Tücken. Diese Produkte besitzen einen pH-Wert über 11 und können die korrosionsanfälligen Materialien wie Aluminiumverbindungen wie z. B. AlSiCu-,  oder Titannitrid- und Titan-Wolframschichten anätzen. Die genauen Prozessparameter sind zu beachten und für den jeweiligen Prozess zu optimieren. Wird dies nicht berücksichtigt, so kann der Fall eintreten, dass die Reste zwar entfernt wurden, das CD-Mass jedoch stark gelitten hat, weil das Metall ebenfalls angeätzt wurde.

Deshalb folgende Empfehlung:

Nach dem Einsatz dieses Lösungsmittels, einer IPA-Spülung, um die Reaktion zu stoppen und einer anschliessenden Wassernachbehandlung sind meist die „fences“ entfernt. Sollten es jedoch besonders hartnäckige „fences“  sein und auf der Waferoberfläche noch haften, hilft ein zusätzliches Sauerstoffplasma im Ablacker.

restefrei nach Nassbehandlung und O2-Schritt

Bild 3: Saubere Strukturen (Leiterbahnen) selbst auf topographisch schwierigem Untergrund.

Als ein gutes Inspektionstool für die Mikrostrukturierung hat sich ein CD-SEM erwiesen, mit dem man sowohl das CD-Mass als auch die Restefreiheit kontrollieren kann.

¹Seitenwandpassierung ist ein essentielles Merkmal der Mikrostrukturierungsprozesse mittel RIE-Ätzen. Sie verbessert die Anisotropie des Vorgangs durch Schutz der während der Ätzung freigelegten Seitenwände mittels Polymeren, die durch den gleichzeitigen Abtrag der Resistmaske entstehen.

Neue Artikelserie: Prozesse in der Mikro- und Nanotechnologie

 

Nachdem doch ein gewisses Interesse an unseren Posts über Halbleiter-Technologie besteht, haben wir uns entschlossen, eine Serie über die unterschiedlichen  Fertigungsschritte inklusive der dazu gehörenden begleitenden Verfahren in den Blogbereich unserer Seite einzustellen.

Wir werden zunächst die Prozesse und Probleme der leitenden Schichten betrachten:

Abscheidung:

  • PVD:  Kathodenzerstäubung und Aufdampfen

Strukturierung:

Später wird es noch mit Isolierschichten/Dielektrika weitergehen, schliesslich gibt es noch Informationen über Ionen-Implantation und Mikro-Lithografie.

Über Back-Endverfahren: Zusatzprozesse zur Veredelung, Vereinzeln, Die-Bonden, Drahtbonden, Gehäusen etc. wird es eine extra Artikelserie geben.

Z.B. Oberflächenbehandlung mit Plasma-Verfahren …

Hier geht es nicht um irgendwelches trockenpfurziges und formel-geschwängertes Gewabere, das kann man schliesslich in jedem Lehrbuch nachlesen – oder auch nicht, je nach Qualität des literarischen Erzeugnisses. Es sollen vielmehr die Prozesse aus einer „hands-on“ Perspektive gezeigt und die Mechanismen und Probleme anschaulich erklärt werden, samt der maschintechnischen Anforderungen und Lösungen, die eine derart komplexe Technologie mit sich bringt.

Wer dann unbedingt noch Formeln braucht – dem kann ich gerne persönlich auf die Sprünge helfen (konkrete Nachfrage an mich, per email). Da die Prozesse, besonders solche, die Plasma benötigen, allerdings häufig durch die vielen Synergien recht schnell in ein deterministisches Chaos übergehen, helfen einem analytische formale Beschreibungen nur bedingt zum Verständnis der Sachlage. Manchmal wäre eine Alchemistenausbildung vielleicht besser … keine Angst, nur ein Scherzchen.

Aber selbst Computermodelle sind hier oft überfordert, eine echte quantitative Vorhersage zu produzieren.

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Einen Vortrag über den Gesamtherstellungsprozess bieten wir auch an – ebenso ein Wochenend-Seminar.