In-situ Ätztiefenkontrolle mit Genauigkeiten um 1 nm mittels Reflektivitätsanisotropie-Spektroskopie (RAS) beim Reaktivionenätzen von einkristallinen III/V-Halbleitern
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In Halbleiter-Herstellungsprozessen müssen sehr häufig Schichten sehr genau dünner geätzt werden, was oft in ionisierten Gasen (Plasmen) mit chemischem Ätzanteil geschieht; es ist hierbei vom Reaktivionenätzen (RIE = „reactive ion etching“) die Rede. Meistens werden die erzielten Ätztiefen erst nach der Ätzung außerhalb der RIE-Plasmakammer bestimmt. Etwaige unerwünschte Schwankungen im Ätzprozess können dadurch erst nach dem Ätzen erkannt und für die gesamte Probencharge zu Ausschuss führen. Ein Reflektivitätsanisotropie-Spektroskopie (RAS)-Gerät erlaubt aber, auch während des Ätzens Informationen über die Vorgänge an der geätzten Oberfläche zu gewinnen. So kann auch die Ätztiefe in Echtzeit und in-situ während des Ätzens, d.h. ohne die Probe aus der RIE-Plasmakammer nehmen zu müssen, bestimmt und in ihrem zeitlichen Verlauf verfolgt werden. Bei RAS wird Licht auf die Halbleiterprobe geschickt, um aus den Eigenschaften des reflektierten Lichts Informationen über die Probenoberfläche zu extrahieren. Alle im Rahmen dieses Projektes erzielten Genauigkeiten in der Ätztiefenbestimmung lagen bei Werten unter ±20 nm und sind damit für die allermeisten denkbaren Plasmaätzanwendungen bei weitem ausreichend. 20 nm entsprechen etwa nur einem Dreitausendstel der Dicke eines typischen menschlichen Haares oder dem 140-fachen des Abstands zweier benachbarter Atomlagen in den Halbleiterkristallen. Zur Verbesserung der Genauigkeit wird aus dem RAS-Lichtspektrum mehr als eine Wellenlänge/Farbe verwendet. Dadurch kann das optische Analogon zu einer mechanischen Nonius-Skala (an einer Schieblehre) realisiert werden. Im Projekt wurden sogar fünf Wellenlängen simultan verwendet, also eine Skala plus vier leicht unterschiedliche Nonius-Skalen. Dadurch wurde eine Genauigkeit von ±0,8 nm erzielt, das sind nur ±5,2 Abstände benachbarter Atomlagen im Halbleiterkristall. Und absichtlich schon während der Herstellung der Halbleiterkristalle eingebrachte Änderungen in der Zusammensetzung können mit Hilfe von RAS genutzt werden, um sehr genau ein Signal zum Stoppen der Ätzung zu erhalten. Im Projekt wurden als Halbleiter typische Materialien der Optoelektronik, wie GaAs, verwendet. Das sind sogenannte III/V-Halbleiter, weil Atome ihrer Zusammensetzungen aus den Gruppen III und V des Periodensystems der Elemente stammen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Doped or quantumdot layers as in situ etch-stop indicators for III/V semiconductor reactive ion etching (RIE) using reflectance anisotropy spectroscopy. Micromachines, special issue on “Etching for Semiconductor Nanofabrication” 12 (2021) 502 (14 pages)
G. Sombrio, E. Oliveira, J. Strassner, J. Richter, Chr. Doering, H. Fouckhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/mi12050502) - Interferometric in-situ III/V semiconductor dry-etch depth-control with ±0.8 nm best accuracy using a quadruple-Vernier-scale measurement. J. Vac. Sci. Technol. JVST-B 39, 5 (2021) 052204 (7 pages)
G. Sombrio, E. Oliveira, J. Strassner, Chr. Doering, H. Fouckhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1116/6.0001209)
