О МЕХАНИЗМАХ ВЛИЯНИЯ КИСЛОРОДА НА ПАРАМЕТРЫ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ И КИНЕТИКУ РЕАКТИВНО-ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В ПЛАЗМЕ HBr + Cl2 + O2

  • Aleksandr M. Efremov Ивановский государственный химико-технологический университет
  • Vladimir V. Rybkin Ивановский государственный химико-технологический университет
  • Vladimir B. Betelin ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН
  • Kwang-Ho Kwon Korea University
DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196210.6046
Ключевые слова: ионизация, диссоциация, поток атомов галогенов, поток атомов кислорода, поток энергии ионов, скорость травления, эффективная вероятность взаимодействия

Аннотация

Проведено исследование влияния соотношений компонентов HBr/O2 и Cl2/O2 в плазмообразующей смеси HBr+Cl2+O2 на параметры плазмы, стационарные концентрации активных частиц и кинетику травления Si в условиях, характерных для процессов реактивно-ионного травления: давление плазмообразующего газа (p = 10 мтор), вкладываемая мощность (W = 500 Вт) и мощность смещения (Wdc = 200 Вт). Данные по внутренним параметрам плазмы и кинетике плазмохимических процессов были получены при совместном использовании диагностики плазмы зондами Лангмюра и 0-мерной (глобальной) модели плазмы. Было найдено, что варьирование соотношения HBr/O2 при постоянном содержании Cl2 в газовой смеси характеризуется более сильным влиянием на стационарный состав плазмы через реакции под действием электронного удара и процессы атомно-молекулярного взаимодействия, а также обеспечивает более широкое изменение суммарной концентрации атомов галогенов в газовой фазе. Было показано также, что варьирование соотношений HBr/O2 и Cl2/O2 в сторону увеличения концентрации кислорода сопровождается снижением скорости травления кремния, которое не коррелирует с изменениями плотностей потоков атомов галогенов и энергии ионов. Модельный анализ кинетики травления позволил заключить, что эффективная вероятность гетерогенной реакции Si + Cl/Br зависит от плотности потока окислительных частиц – атомов кислорода и радикалов OH. Причинами такой зависимости могут являть : 1) окисление кремния, приводящее к увеличению пороговой энергии взаимодействия; и 2) окисление галогенидов кремния в менее летучие соединения вида SiBrxOy и SiClxOy, которое обуславливает снижение скорости ионно-стимулированной десорбции продуктов и доли свободных центров адсорбции для атомов Cl/Br.

Литература

Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. V. 1. Process Technology. New York: Lattice Press. 2000. 416 p.

Advanced plasma processing technology. New York: John Wiley & Sons Inc. 2008. 479 p.

Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors. Tokyo: Springer International Publishing. 2015. 116 p.

Donnelly V.M., Kornblit A. Plasma etching: Yesterday, today, and tomorrow. J. Vac. Sci. Technol. 2013. V. 31. P. 050825-48. DOI: 10.1116/1.4819316.

Jin W., Vitale S.A., Sawin H.H. Plasma-surface kinetics and simulation of feature profile evolution in Cl2+HBr etching of polysilicon. J. Vac. Sci. Technol. 2002. V. 20. P. 2106-2114. DOI: 10.1116/1.1517993.

Vitale S.A., Chae H., Sawin H.H. Silicon etching yields in F2, Cl2, Br2, and HBr high density plasmas. J. Vac. Sci. Tech-nol. 2001. V. 19. P. 2197-2206. DOI: 10.1116/1.1378077.

Belen R.J., Gomez S., Kiehlbauch M., Aydil E.S. Feature scale model of Si etching in SF6/O2/HBr plasm and comparison with experiments. J. Vac. Sci. Technol. A. 2006. V. 24. P. 350-361. DOI: 10.1116/1.2173268.

Pargon E., Menguelti K., Martin M., Bazin A., Chaix-Pluchery O., Sourd C., Derrough S., Lill T., Joubert O. Mechanisms involved in HBr and Ar cure plasma treatments applied to 193 nm photoresists. J. Appl. Phys. 2009. V. 105. P. 094902. DOI: 10.1063/1.3116504.

Cheng C.C., Guinn K.V., Herman I.P., Donnelly V.M. Competitive halogenation of silicon surfaces in HBr/Cl2 plasmas studied with xray photoelectron spectroscopy and in situ, realtime, pulsed laserinduced thermal desorption. J. Vac. Sci. Technol. A. 1995. V. 13. P. 1970-1976. DOI: 10.1116/1.579638.

Ito T., Karahashi K., Kang S.-Y., Hamaguchi S. Evaluation of Si etching yields by Cl+ Br+ and HBr+ ion irradiation. J. Phys.: Conf. ser. 2010. V. 232. P. 012021. DOI: 10.1088/1742-6596/232/1/012021.

Efremov A., Kim Y., Lee H. W., Kwon K.-H. A Comparative study of HBr-Ar and HBr-Cl2 plasma chemistries for dry etch applications. Plasma Chem. Plasma Proc. 2011. V. 31(2). P. 259-271. DOI: 10.1007/s11090-010-9279-7.

Efremov A., Lee J., Kwon K.-H. A comparative study of CF4, Cl2 and HBr+Ar inductively coupled plasmas for dry etching applications. Thin Solid Films. 2017. V. 629. P. 39-48. DOI: 10.1016/j.tsf.2017.03.035.

Cunge G., Kogelschatz M., Joubert O., Sadeghi N. Plasma-wall interactions during silicon etching processes in high-density HBr/Cl2/O2 plasmas. Plasma Sources Sci. Technol. 2005. V. 14(2). P. S42-S52. DOI: 10.1088/0963-0252/14/2/S06.

Kim D. K., Kim Y. K., Lee H. A study of the role of HBr and oxygen on the etch selectivity and the postetch profile in a polysilicon/oxide etch using HBr/O2 based high density plasma for advanced DRAMs. Mater. Sci. Semicond. Proc. 2007. V. 10(1). P. 41-48. DOI: 10.1016/j.mssp.2006.08.027.

Lee B. J., Efremov A., Kim J., Kim C., Kwon K.-H. Peculiarities of Si and SiO2 etching kinetics in HBr+Cl2+O2 inductively coupled plasma. Plasma Chem. Plasma Proc. 2019. V. 39. P. 339-358. DOI: 10.1007/s11090-018-9943-x.

Lee B. J., Efremov A., Kwon K.-H. Plasma parameters, gas-phase chemistry and Si/SiO2 etching mechanisms in HBr+Cl2+O2 gas mixture: Effect of HBr/O2 mixing ratio. Vacuum. 2019. V. 163. Р.110-118. DOI: 10.1016/j.vacuum.2019.02.014.

Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publishers. 2008. 245 p.

Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley & Sons Inc. 2005. 730 p.

Efremov A., Min N. K., Choi B. G., Baek K. H., Kwon K.-H. Model-based analysis of plasma parameters and active species kinetics in Cl2/X (X=Ar, He, N2) inductively coupled plasmas. J. Electrochem. Soc. 2008. V. 155(12). P. D777-D782. DOI: 10.1149/1.2993160.

Kwon K.-H., Efremov A., Kim M., Min N. K., Jeong J., Kim K. A Model-based analysis of plasma parameters and composition in HBr/X (X=Ar, He, N2) inductively coupled plasmas. J. Electrochem. Soc. 2010. V. 157(5). P. H574-H579. DOI: 10.1149/1.3362943.

Hsu C.C., Nierode M.A., Coburn J.W., Graves D.B. Comparison of model and experiment for Ar, Ar/O2 and Ar/O2/Cl2 inductively coupled plasmas. J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39(15). P. 3272-3284. DOI: 10.1088/0022-3727/39/15/009.

Chistophorou L.G., Olthoff J.K. Fundamental electron interactions with plasma processing gases. New York: Springer Science+Business Media. 2004. 780 p.

NIST Chemical Kinetics Database. https://kinetics.nist.gov/kinetics/welcome.jsp (15.04.2019).

Lee J., Efremov A., Yeom G.Y., Lim N., Kwon K.-H. Application of Si and SiO2 etching mechanisms in CF4/C4F8/Ar inductively coupled plasmas for nanoscale patterns. J. Nanosci. Nanotechnol. 2015. V. 10. P. 8340-8347. DOI: 10.1166/jnn.2015.11256.

Efremov A., Lee J., Kim J. On the control of plasma parameters and active species kinetics in CF4+O2+Ar gas mix-ture by CF4/O2 and O2/Ar mixing ratios. Plasma Chem. Plasma Process. 2017. V. 37. P. 1445–1462. DOI: 10.1007/s11090-017-9820-z.

Efremov A.M., Kim D.P., Kim C.I. Simple model for ionassisted etching using Cl2-Ar inductively coupled plasma: ef-fect of gas mixing ratio. IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32. P. 1344-1351. DOI: 10.1109/TPS.2004.828413.

Опубликован
2019-10-29
Как цитировать
Efremov, A. M., Rybkin, V. V., Betelin, V. B., & Kwon, K.-H. (2019). О МЕХАНИЗМАХ ВЛИЯНИЯ КИСЛОРОДА НА ПАРАМЕТРЫ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ И КИНЕТИКУ РЕАКТИВНО-ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В ПЛАЗМЕ HBr + Cl2 + O2. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 62(10), 76-83. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196210.6046
Выпуск
Том 62 № 10 (2019)
Раздел
ХИМИЯ неорганич., органич., аналитич., физич., коллоидная, высокомол. соединений