+ All Categories
Home > Documents > 131117 NCCAVS SEMI b

131117 NCCAVS SEMI b

Date post: 25-Nov-2021
Category:
Upload: others
View: 5 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
52
A.R. Ellingboe 1,2 1 Plasma Research Laboratory, School of Physical Sciences and NCPST Dublin City University 2 Semiconductor Processing Laboratory School of Advanced Materials Science & Engineering, Sungkyunkwan University, Korea
Transcript
Page 1: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� ������������������������� ��!� ��"��� �����#� �����������$%&������������

A.R. Ellingboe1,2

1Plasma Research Laboratory, School of Physical Sciences and NCPST

Dublin City University 2Semiconductor Processing Laboratory

School of Advanced Materials Science & Engineering, Sungkyunkwan University, Korea

Page 2: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Acknowledgements

��#���'���(���������)�����#*�����)�������'������#+�� ������',� �������)����+��)�(�,�)�#�������������������������

���,��� �����������-��.��/����01�+��2 ������,����.3� ���01�����3�����(�����3�������0*�+�����,������##��0,�����/������4����2����0 �� ���/����

Page 3: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Acknowledgements

•  3�������5������'6/����7����7���'������������"�������������5���5���!��+������

��#�������'������������#��������������8 ������ ����9������:�����#3��*�������5

•  ��#;��� �����#�"�������#�������'���–  /�����4�������������–  �#+�� �#(�����– 3*�)����������

Page 4: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

�������

�������'-•  (<��������������� ���������� ��� �������

–  !��"��0�#���;����0���������� �������'�����������'��"��� ������������������� �

�� ��#���'-•  ��� �������� �����

–  ����������'�����#���+����� ������ ��������

��� ������-����������������������� '��"��� ���'�����������+���� ����������0�+�������������������=

Page 5: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

,��#���������������� ��

•  All companies have the same technology •  Only difference in customer support and

system stability & understanding

HF LF

HF

LF LF

Dielectric

Plasma Diode Triode Plasma Source

Page 6: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

����5���2�%&&3�.���� �

•  ,���> ��� ���•  1�?�����,�@#�?����� ��������A

–  ��#���5,�0�������,�

••

Page 7: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Fig. 29. Etching profiles for TiN (500 A°)/Al (5000 A°)/TiN (1500 A°) fabricated in the Cl2 ICP and UHF plasma. In the ICP source, the Al etching was isotropically carried out and large side etching was observed. In the UHF plasma, the Al was anisotropically etched and the vertical etching profile was realized in pure Cl2 plasma. Source power: 1 kW, bias power: 100 V, pressure: 3.5 mTorr. Applied Surface Science 192 (2002) 216–243

Page 8: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

1���� ��� �� �

•  ICP vs CCP – Lam, TEL, & AMAT (for a while) – Dielectric etch with CCP no longer ICP

•  Frequencies? – 2002 � 2010

•  Lam Exelan 27MHz and Flex adds 60MHz •  TEL SCCM 60 & 100 MHz (depends on process) •  AMAT Enabler 162 MHz

Page 9: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

B���2��+�������C

•  Good and bad points •  ICP, diffusion, so distance from source to wafer only good for one

pressure: sol’n is inner/outer power •  CCP, increase ƒ for better process, bad uniformity: sol’n (watch this

presentation)

•  Lam: stable platform, - uniformity for some processes •  AMAT: highest frequency (162MHz), worst proces-window and

uniformity overlap •  TEL: 60 MHz, can get 100MHz, but uniformity is an issue particularly

for some processes. •  TEL: Radial Slot Antenna, loading by one slot affects power

distribution

Page 10: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

•  Advantages in peak performance with increasing frequency

•  We want present advantages to carry-forward to 450mm

•  But challenges in terms of process uniformity and tool stability/ chamber matching

Page 11: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Voltage non-uniformities at high f

Figure 6. Emission intensity profile of an argon plasma (55 W RF power, 0.1 Torr pressure) across the front full-width window for three frequencies. The intensity is integrated across the electrode gap and normalized to the maximum intensity. The position 0 cm corresponds to the side of the reactor where the RF is connected. @�����������0�����.��013����0���������0���������������#9�3� ���D0���������� ��� �6,� ����6E@FGGHAFH&IFHJA

)��K�<��������������'��������#��#�+�����'��"��� �6 �������6����6��D60���6JL04�6M0F$9���M&&L�6������0�6�������096��6:����0969����096/������0��#��6��+��������������#������ �� �����#���;���0�6�60 ��M@M��������� ������������+����("6NF=O6B� ����������������������������������������������������������������� �!""����"#��$ ��M@M������$�����������

Wavelength effects occur when rsubstrate>λvac/4/√ε ≈ λvac/15

Page 12: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

�' ������

,����M�������� ����•  �������� ���•  (3�•  �����������•  3�� ����< ���� ���

����� ����#������)� �������'��"��� �

Page 13: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

���������� �����

���������� ���#�0��������������������•  )���#�� �� ������FP����•  )� �������Q������#�#��� ���#������� ��������������'

G&�#������-+��� �����������'�������0�������������> ��� �0����������������������+����'�����#���+���

3��������P��#����#����'�����#���+��������•  )���#�� ��'�� ���� �������0�������������������0

����#�� ����� ���� �������6•  ��� ������ ������������0�'��������> ��� �������0����

����������������+����'����������

Page 14: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

������ ������#

•  What we want is arbitrary frequency – Use frequency for process improvement

•  And scalable to large size (including 450mm)

Page 15: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

3����������������� �

•  Scalable plasma source with arbitrary frequency –  Pick the frequency that gives you the best process –  Deploy on system that has best economic value

–  Checkerboard with neighboring tiles out-of-phase –  No wavelength effects

•  Wavelength effects occur when rtile>λvac/4/√ε ≈ λvac/15

Page 16: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

CCP: Increased efficiency with frequency

•  rf power driving into a dielectric-loaded (plasma) capacitor

•  Impedance drops with frequency

•  For fixed power: –  Frequency �, |z| �, Current � , Voltage � –  Ohmic power into plasma (I2R) Increases –  Ion energy drops in-scale with Voltage

zc =− jωc

Page 17: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

‘Hawaii’ Plasma Source

Radius

Diameter: 300 mm quartz wafer facing plasma

Electrodes: 55mm wide 65mm high 10mm gap

Power: Checkerboard Vacuum: 400 mm diameter

300 mm long

Langmuir probes: Scanned across the diameter of the chamber across the 4 electrode direction Distance to quartz wafer of 3.5 cm Ion Flux proportional to voltage across a sense-resistor

Page 18: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

400 MHz 500 W max

power Splitting and Distribution

3-stub tuner

400 MHz Operation in ‘Hawaii’

2-D electrode array 300mm diameter source size ƒ ≈ 400 MHz

λvac/4/√ε ≈ 5 cm

Page 19: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Higher frequency delivers more power into the electrons: - lower power, larger area, yet higher Ion-current 20x (+) increase in ion flux efficiency

(88eV / e-ion pair)

(repeat of the old data for comparison)

, Z=3.5 cm

•  '�����#��+��������#���� ��� ����#�#@������A ��� ����

•  )���#�� �#��������'��"��� �

•  ��;<�#�����-–  ��"��� ��0R.R�0��������0��������–  ���� ���������������@)MA)� ������–  )��������#�������� ��������������–  @����������������� ������#������0��������������

'����������'�������������� ���#���� ������� ����������A

Page 20: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Multi-tile Plasma Source

•  Operates at 400 MHz, no wavelength effects! •  Power division / distribution technique demonstrated. •  Breakdown at 100 mTorr - 3 mBar below 200 W •  Operation between 0.5 mTorr – 7 mBar •  High-frequency reduces voltage (and power into ion

energy), increases current (and power into plasma electrons), therefore more ion flux per watt rf power.

Page 21: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

So what’s next?

•  ������� ��!� ���5����#•  B����������C

F6  ��������������S�����������–  )����-�������� ���.�#������������C

M6  ���#���������������������C

Page 22: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Using conventional rf-power splitters we need: ÷ 64 rf power splitter ÷2 @ 180º Followed by 5-banks of ÷2 splitters � Followed by 64 match-boxes!

Page 23: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Tile layout for round substrates?

•  This requires ÷24 (/2/2/2/3) ÷3 is new technology, more parts, more problems.

•  3-rows is ÷54! (/2/3/3/3)

Page 24: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

)����'������+���������'� ������

•  ��J<J�����������<������� ��������� �������#�'-•  TM0FJ&U����D��•  %��������'TM0&U����D���

•  ��#����0�� �����D����%&������0%&�������0���� �������#��������� ����<@=A

•  ���������V��� �������WP�LU0WP�LX–  4������������� ���#��+��������'-

•  F%U0H%X+�FM%X������������ �

•  ����� �����������#�?��������� ������������#E<F&�����–  TM0FJ&U����D��–  TL0&U����D��0���T%0&U����D��@=A�����������@=A

Page 25: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Motivation

@3����������� �������#���������������������'����'� ������������A%�����&'�&�(�'��)�(��!�����*+,•  :���� �#�������������������'��.������ ������•  #�+�#�������������4

–  J<J����������� ���������E<F&�����•  �����������������Y�� ���

–  ��������� ����<'�� �����#�����������"���������•  ���+�#�������������������������������

–  ������'���������������#���������#��������•  1������������������� ��� �������#�#•  :���#���#

–  ������ �������'��E&3�.I%&&3�.

Page 26: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

The PSTLD

PSTLD: Power Splitter and Transmission Line Driver •  Single stage power splitter for arbitrary-N output push-pull

pairs

Single point rf-power in

N push-pull pairs output

Page 27: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Coaxial transmission line with a short

Modeled using TRLine, Trueman IEEE Trans of Education 2000

Z1 ≈ 0 Ohms Plot the voltage and current vs position

Page 28: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

The PSTLD

����������� ������� �

��������� ���� ����������� ���������������������

����������������������������� ������

���������������

����

�� �� ��� ��������

The standing wave Current (Iz) profile Produces a standing wave Bt Place loops in the Bt to couple power to the output ports.

Page 29: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Properties of The PSTLD

•  Fully differential rf current and voltage –  Zero net current at all rf phases

•  Provides DC isolation •  Arbitrary N output ports

–  One solution independent of number of tiles

•  Non-50-Ohm –  Post match, so only one match for the whole system

•  Auto-transformer –  I/V on output ports match the load

Page 30: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

FEM Modelling of The PSTLD

•  15 Winding PSTLD Modelling –  EM wave propagation inside a PSTLD. •  E/H fields in various scenarios (winding spacing, density, length, etc.) •  Reflection losses (VSWR) vs. frequency •  Minimum applicable winding proximity •  Input impedance estimation

Page 31: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

•  45 Winding PSTLD Modelling –  EM wave propagation inside a PSTLD.

•  50 Ohm Characteristic Impedance •  32 cm Outer Diameter, 14 cm Inner

•  23 cm axial extent (ZPJ��FEM3�.A

Page 32: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

�������������+�������������

•  -30 dB isolation between 2 output ports

•  Maintains high isolation for 45-winding PSTLD

•  (dk-blue, nearest neighbors, li-blue furthest separation)

Isolation (SXY)

Page 33: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

�'������������

Page 34: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

3�����5�

•  ����������������������"-� ������ ��������#���**!6

•  E&&��<HM&��@����������-/��L6%A

•  3����������������� �����������FEM3�.–  ����E&&<HM&��M– �������#����������� ��;�������-.������ ������

Page 35: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

���,������������������� ��

•  ��������� ��������� �����������������������M&�����#�#'���������'����� �, ,���#��#��+���<������3���(1#�������6– �����������'� �����������'����#������������ ��������.�����'������������(��1

– 1��� �#���������'�,��������#+�� �#�(��1����#��+����� �����+����

Page 36: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

���+�������5�,��

•  :����#[):3FGGM0)"���[\��� �FGJM-–  ��#�����#��������� ������� ������������

•  /��������������������0���������������� I��-��+��F&&������6

•  3����������� ����'�����������������0������0]

•  ��+�������+���������'��'����������������� ���-�@TF&������K���A

Page 37: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

�,��������������

•  (<�� ������-–  ����������#������

•  �������#�� ���������������� ������ ������•  ���� ��+������'�� ����'����������;��

–  �����^#������•  ���'��������'���L

^@���$W�����LW�MA–  ���L����������'� ���������0;�#����������#�����

•  ��#����������� ���'���������'� �•  1����� �� ������������'���� �����������'� �'��+��������

�������������

� � ���-�������

–  �����•  4��������.�����'����� ����������;��

Page 38: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

F&&��� ��-�@�,��A

•  ��� ��� ��#�����-,_MM&U�F%&IL&&�,���FE&&IM$&&B�D�@FEM3�.A

@&6$�&6EBP �MA

LX������K��0F&&&� ������K��/�������#�� ����0H%�F&&���� E&&��<HM&��������������������0F6%IM6& �

Page 39: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

F&&��� ��-�

&

&6F

&6M

&6L

&6$

&6%

&6E

&6H

&6J

&6G

F

&

F

M

L

$

%

E

H

JD

ep-r

ate

Å/s

ec

Crystalinity (%

) (Volume Averaged)

Spatial position across tiles (cm) 0 4 8 -4 -8

Reasonable uniformity High crystallinity across tile boundary

Page 40: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

������� '���,�� �� �������•  � ���+��������'� ���-�•  ��������������������0#����� ��������#������0���������������� ���

•  ,��������������'���������� ���+����������0`%&a

•  $&�%%X�'����������� ��������#����;��

•  3� ����<�� ��#'���� ������•  bF����c��FEM3�.������������D�����������.�#E&3�.������

Page 41: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

•  1������<�� ��#'���� •  ���b������� c����������D��

����E&3�.

From: Li, Juan, et al. "VHF PECVD Micro-crystalline Silicon Bottom Gate TFT With Thin Incubation Layer." Thin Film Transistor Technologies (TFTT VII): Proceedings of the International Symposium. Vol. 2004. The Electrochemical Society, 2005.

�F&&&

$&&&

G&&&

F$&&&

FG&&&

M$&&&

$M& $$& $E& $J& %&& %M& %$& %E&

��

�����������

���������

L�#���5@�����������A

(����^%&&

Page 42: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

����

•  HJ%��������< ������� ����������#����# ������������'� ���#��6

•  ���������#���$J& ��F���d–  ��������#���%FH ��F���d– N%&J ��F���5- ���0���'� ������#��������#�–  �� ����� ����������'�� ���

��#e ���� ��'�������� ���������������0�����e_F

– ���+�������;������f.�/�+-0$ 36B�g#��096����6�����6$L0FFME�FFMJ@M&F&A

XC = A518 + A508A518 + A508 +αA480

Page 43: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

� ��)-�'��,���� ������� �������

•  ,��#��� �������#��������> ��� �•  � ���������������� ���� 5��•  ����1�������'��� ���-��� ��� ��

Page 44: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

����-�#�������#�

FROM SMETS, MATSUI AND KONDO; OPTIMIZATIONOF THE HIGH RATE MICROCRYSTALLINE SILICON DEPOSITION CONDITIONS OF THE MUHOLE-CATHODE VERY HIGH FREQUESiH4/H2 PLASMA

Page 45: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

1��������,��� ��������3�������

•  ����-���#h ���-�;��#������������� ���������''��"��� �����0��������03�����0��#*��#�@)(((0F&6FF&GPB��(�6M&&E6MHGHG&A

Cel

l Effi

cien

cy

(Film

qua

lity)

3 7 14 19

Å/sec

13 MHz 40 MHz, Oerlikon, dielectric lense

75 MHz, UniSolar, 20cm x 20cm test-cell 95 MHz, FZK Julich, ~2cm x 2cm test-ce

� How far will ƒ-scaling go?

Page 46: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

����-�#�������#�S������� ��������

66

Differential-fed multi-tile plasma source trending above the line

60 MHz, HPD, 12A/s, 0.1 W/cm2

FROM SMETS, MATSUI AND KONDO; OPTIMIZATIONOF THE HIGH RATE MICROCRYSTALLINE SILICON DEPOSITION CONDITIONS OF THE MUHOLE-CATHODE VERY HIGH FREQUESiH4/H2 PLASMA

162 MHz, ~HPD, 18A/s, 0.24 W/cm2

Page 47: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

•  ����� �������� ����J&������������J����������� ������'������-F&X��d���������L&X���������D��

600mm, (almost) no tile-2-tile boundary

720

mm

, som

e “b

andi

ng” i

n de

posi

tion

prof

ile

Page 48: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

���������;����'�����������������

•  E&&��<HM&��•  FEM3�.

Page 49: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

,���#���������'�� �����K��

•  ,�����������<������ �������F&&&�

•  X����������;��i%&X•  ��������������� ����������

#� �������������K�������•  )�� ���-�������������0��+�

���# ���������������'��������#�*;�����'������

Page 50: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

,���#����'�����

•  ,�����������<������ �������F&&&� •  )� �����#�'������� ���������� ��

#�������0��#j

•  )� �����#�'�������������� �����##��������'� ���-�

•  )�� ���-�������������0��+����# ���������������'��������#�*;�����'������

Page 51: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

������� '������������ ���-�

•  ���� �����+����5��<�� ��#– ��#�����#������–  �'������

•  B��5�����������������1�������•  /�������'������������;����� 5������# ������������@����������������������.����=A

Page 52: 131117 NCCAVS SEMI b

��������������� �������

��������������� �������

��������������� �������

Summary

•  VHF systems have better process performance for many applications –  Higher f � higher performance

•  Multi-tile enables high-VHF without wavelength-effect non-uniformity •  PSTLD provides elegant solution to power splitting

–  Zero net current –  No high-VHF current through the chamber

•  For processes that are enhanced by increasing rf-frequency �  There is a tech-solution to enable high-VHF � Solution for 300mm and forward scalable to 450mm


Recommended