Removal of sidewall passivation film after deep reactive ion etching
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Author
Date
2017-12-12
Department
Major/Subject
Functional Materials
Mcode
CHEM3025
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
102 + 11
Series
Abstract
In this master's thesis the passivation polymer stripping ability of a deep reactive ion etching (DRIE) plasma cluster tool was assessed. DRIE is based on the passivation of sidewalls via the deposition of a plasma polymer from C4F8 to allow high-aspect ratio (HAR) etching of silicon. This polymer film is removed after DRIE as it may cause problems in following process steps, including the formation of silicon spikes on structure edges. The removal is currently achieved by the combination of oxygen plasma mixtures in a dedicated stripper tool, wet chemical cleans by Piranha and SC-1, and annealing. These cleaning methods increase the lead time of products, and the extent of their polymer removal ability is not fully understood. Suitable process parameters for oxygen plasma stripping of sidewall polymer in DRIE plasma chamber are assessed in this work. This process could be executed directly after DRIE, removing the need to manually transfer wafers from one machine to another. Effects of source and platen bias power, as well as pressure and additional CF4 gas flow were assessed by the use of DOE matrix to find effects which result in polymer removal. Also the effect of reducing helium backside pressure on the wafer surface temperature and its effect on polymer removal were studied. The treatments are assessed with comparisons to the dedicated oxygen plasma stripping instrument and wet chemical cleans by SEM and EDX analyses. Furthermore, the applicability of a cluster-tool compatible heat treatment on polymer removal was investigated. Several adverse effects of oxygen plasma exposure in the DRIE chamber were found. The effects were governed by the incorporation of aluminium in the sidewalls, which was suspected to be caused by sputtering from the chamber walls and fixtures. This sputtering also resulted in increased surface roughness of processed wafers, with AlFx particles found on the peripheral areas. This effect was seen linked to the used plasma step time and CF4 flow, where a short process time and the addition of this gas work to inhibit the formation of and remove these residues. The severity of the residual passivation polymer had a weak correlation to the detected amount of aluminium in the sidewall, indicating the presence of a threshold value from which oxygen plasma exposure is inefficient to strip the contaminated polymer. The polymer removal efficiency of a heat treatment done in an IR powered heat station up to 700 °C was found to positively affect polymer removal.Tässä diplomityössä arvioitiin reaktiiviseen ionisyväetsaukseen (eng. DRIE) tarkoitetun plasmalaitteen sekä siihen liitettävän lämmitysaseman toimivuutta passivointipolymeerin poistossa. Reaktiivinen ionisyväetsaus perustuu plasmapolymeerikalvon kasvatukseen C4F8 kaasusta etsattavan rakenteen sivuseinille, joka sallii isojen aspektisuhteiden etsaamisen. Tämä passivointipolymeeri poistetaan prosessin jälkeen, sillä jäljelle jäänyt passivointi voi aiheuttaa ongelmia seuraavissa prosessivaiheissa, kuten piitikkujen muodostumista rakenteiden reunoille. Polymeerin poistossa käytetään tällä hetkellä happiplasmasekoitusta plasmastripperi-laitteessa, kemiallisia märkäpesuja Piranhalla ja SC-1 seoksella sekä lämpökäsittelyjä. Nämä prosessivaiheet kasvattavat tuotteiden läpimenoaikaa, eikä käytettävien vaiheiden polymeerin poistotehokkuus ole täysin tiedossa. Mahdollisia prosessiparametreja jotka soveltuvat passivointipolymeerin poistoon DRIE-laitteessa arvioitiin tässä työssä. DRIE-laitteella tehtävä polymeerin poisto vähentäisi kiekkojen siirtelytarvetta laitteelta laitteelle. ICP-tehon, CCP-tehon sekä CF4 kaasuvirtauksen ja kammion paineen vaikutuksia arvioitiin polymeerin poistossa. Lisäksi kiekon helium taustapaineen vaikutusta kiekon pintalämpötilaan ja sen vaikutusta polymeerin poistoon tutkittiin. Polymeerin poistoastetta arvioitiin vertaamalla käytössä olevaan plasmastripperiin sekä pesuihin pyyhkäisyelektronimikroskopialla sekä EDS:llä. Lisäksi, lämpökäsittelyn tehokkuutta polymeerin poistossa analysoitiin massaspektroskopialla. Useita haitallisia vaikutuksia happiplasman käytöstä DRIE-kammiossa löydettiin. Hallitsevana tekijänä oli alumiinin sisältyminen sivuseinän polymeeriin, jonka ajateltiin johtuvan alumiinin sputteroitumisesta kammion seiniltä ja osista. Tämä sputteroituminen johti myös lisääntyneeseen pinnankarheuteen sekä AlFx yhdisteiden syntymiseen kiekon reuna-alueille. Tämän ilmiön löydettiin linkittyvän käytettyyn prosessiaikaan sekä CF4 kaasun lisäykseen, jotka estävät ja poistavat näitä ilmiöitä. Jäljelle jääneen passivointipolymeerin ja havaitun alumiinin väliltä löydettiin heikko korrelaatio, joka viittaa kynnysarvon olemassaoloon polymeerin sisältämälle alumiinille, jonka jälkeen nähdään yhtä paksuja polymeerijäännöksiä. IR-lampuilla johdetun lämpökäsittelyn 700 °C asti löydettiin vaikuttavan positiivisesti polymeerin poistoon.Description
Supervisor
Franssila, SamiThesis advisor
Ikonen, JanneKeywords
plasmastrippaus, sivuseinän passivointi, fluoropolymeeri, alumiinikontaminaatio
