Ultrahochreines Pentachlordisilan für die nächste Generation von Mikroelektronik

Die Beschichtung moderner Bauteile der Mikroelektronik erfordert möglichst niedrige Prozesstemperaturen. Die PSC GmbH möchte Pentachlordisilan (PCDS) als leistungsfähiges, innovatives Ausgangsmaterial für diesen anspruchsvollen Prozess anbieten. Am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP werden parallel dazu neue Methoden der Ultraspurenanalyse entwickelt, um sicherzu-stellen, dass die Herstellungsverfahren höchsten Qualitätsansprüchen gerecht werden.

Hochauflösende Massespektroskopie mit einem induktiv-gekoppelten Plasma
© Fraunhofer CSP

Hochauflösende Massenspektroskopie mit einem induktiv-gekoppelten Plasma ist eine der Untersuchungsmethoden, die am Fraunhofer CSP zur sensitiven Elementanalyse zur Verfügung stehen. Hier werden die Messdaten ausgelesen.

Probengläser im Analysegeraet
© Fraunhofer CSP

Die Proben während des Analyseprozesses nicht zu verunreinigen, ist eine besondere Herausforderung des Projekts.

Um sie für den Einsatz in verschiedenen Produkten des Alltags noch leistungsfähiger zu machen, werden Materialien häufig beschichtet: Handy-Displays sind dadurch kratzfest, Sägeblätter werden noch härter, Fensterscheiben bekommen eine Wärmeschutzschicht. Hochwertige Bauteile der Mikroelektronik wie Computerchips oder Sensoren werden ebenfalls beschichtet. Die auf das eigentliche Material aufgebrachten Schichten können etwa als Isolation zwischen verschiedenen Bauelementen dienen oder in sie können später »Tunnel« und »Kanäle« hineingeätzt werden, die als Leiterbahnen dienen.

Besonders attraktiv für die Beschichtung von Mikroelektronik-Bauteilen ist das Verfahren der chemischen Abscheidung. Damit lassen sich auch komplex geformte Oberflächen gut und gleichmäßig beschichten, und genau das ist bei modernen Chips gefragt, denn sie verfügen auf engstem Raum über sehr filigrane, dreidimensionale Architekturen. Das Prinzip der chemischen Abscheidung besteht darin, dass gasförmige Ausgangsmaterialien (Precursoren), über ein Substrat geleitet und dabei chemisch zerlegt werden (beispielsweise durch Erhitzen oder Anregung mit Licht oder einem Plasma), wodurch auf der Substratoberfläche eine neue Schicht als Feststoff abgeschieden wird.

Die dafür benötigen Precursoren sind das Hauptprodukt der PSC GmbH in Bitterfeld-Wolfen. Neben Anwendungen in der Solarindustrie (Herstellung von Polysilizium) werden für die am weitesten entwickelten Technologiestufen in der Mikroelektronik (also die kleinsten Strukturbreiten) besonders häufig Disilane als Ausgangsstoff für die verschiedensten Abscheideprozesse eingesetzt. Nur dadurch werden die notwendigen, besonders niedrigen Prozesstemperaturen zugänglich, die für hochintegrierte Chips unerlässlich sind: In solchen Bauteilen sind einzelne Schichten oft nur noch wenige Nanometer breit, deshalb vertragen sie im Herstellungsprozess keine hohen Temperaturen. Disilane als Precursor machen niedrige Prozesstemperaturen möglich, besonders gefragt ist dabei Hexachlordisilan (Si2Cl6, HCDS) als Vorprodukt.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer CSP möchte die PSC GmbH neue Precursoren entwickeln, die noch niedrigere Abscheidetemperaturen möglich machen. Diese sind notwendig für die Anforderungen der nächsten Mikroelektronik-Technologiegenerationen. Als aussichtsreiches Material hat das Unternehmen bereits Pentachlordisilan (HSi2Cl5, PCDS) identifiziert. Durch Substitution eines Chloratoms gegen ein Wasserstoff-Atom ist das Molekül thermisch instabiler als HCDS, die Abscheidung kann also bei noch geringeren Temperaturen funktionieren. Die PSC GmbH ist das bisher einzige Unternehmen, das diesen Precursor anbieten kann, allerdings lediglich in technischer Qualität und im Labormaßstab (Gramm-Mengen). Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Team soll eine Möglichkeit gefunden werden, PCDS hochrein in großen Mengen zu produzieren. Neben dem eigentlichen Herstellungsverfahren, das von der PSC GmbH entwickelt wird, sind dazu auch neue Analysemethoden notwendig, die im bis 31. Oktober 2021 laufenden Gemeinschaftsprojekt am Fraunhofer CSP entstehen sollen.

»Damit neue Mikroelektronik-Materialien bei der Herstellung stabil und später im Einsatz zuverlässig sind, werden ultrahochreine Qualitäten benötigt. Das bedeutet, dass lediglich Verunreinigungen im unteren einstelligen Parts-per-Billion-Bereich erlaubt sind. Sonst können beispielsweise metallische Elemente zu Schäden an den Schaltkreisen führen. Um das zu verhindern, möchten wir eine geeignete, zuverlässige und routinetaugliche Methode der Ultraspurenanalyse entwickeln«, sagt Dr. Sylke Meyer, Leiterin der Gruppe »Materialien und Prozesse« am Fraunhofer CSP, die das Projekt betreut. Das Fraunhofer CSP bringt dabei seine große Expertise in der Ultraspurenanalytik von Silizium ein. Zudem steht für das Projekt eine exzellente Ausstattung zur sensitiven Elementanalyse zur Verfügung.

Die neuen Ultraspurenanalyseverfahren wären dann nicht nur für PCDS anwendbar, sondern auch für andere Ausgangsmaterialien in Beschichtungsprozessen. Denn auch dort, etwa beim bisher leistungsfähigsten Precursormaterial HCDS, steigen die Anforderungen der Kunden an die Reinheit des Produkts beständig. Nicht zuletzt können die neuen Methoden auch die Entwicklung weiterer Produkte der nächsten Precursor-Generation auf Basis längerkettiger Oligochlorsilane unterstützen, die aussichtsreiche Schlüsselmaterialien für Zukunftsmärkte in der druckbaren Elektronik sowie für eine Vielzahl von Hochleistungskeramik-Anwendungen sind.

»Eine der besonderen Herausforderungen besteht darin, die Arbeitsschritte während der Analyse so zu gestalten, dass dabei keine zusätzlichen Verunreinigungen eingetragen werden. Wir haben bereits erste erfolgreiche Vorversuche absolviert, deshalb bin ich zuversichtlich, dass wir das leisten können. Das neue Analyseverfahren hat ein hohes Marktpotenzial. Gleiches gilt für PCDS als neuer, leistungsfähiger Precursor für den Halbleitermarkt«, sagt Meyer.