ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ РЕАКТИВНО-ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ SiO2 В СМЕСЯХ CF4 + Ar + O2 И C4F8 + Ar + O2
Аннотация
Проведено исследование влияния соотношения Ar/O2 на характеристики газовой фазы и кинетику травления SiO2 в плазме смесей CF4 + Ar + O2 и C4F8 + Ar + O2 в условиях индукционного ВЧ 13,56 МГц разряда. В качестве постоянных внешних параметров выступали доля фторуглеродного компонента в плазмообразующей смеси (50%), общее давление газа (6 мтор), вкладываемая мощность (700 Вт) и мощность смещения (200 Вт). Было найдено, что полное замещение аргона на кислород в обеих смесях характеризуется немонотонным изменением (с максимумом при ~ 25% Ar + 25% O2) скорости травления SiO2 и монотонным ростом скорости травления фоторезиста при более высоких абсолютных значениях скоростей в плазме на основе CF4. Стационарные концентрации активных частиц определялись при совместном использовании диагностики плазмы зондами Лангмюра и 0-мерном (глобальном) моделировании кинетики плазмохимических процессов. Соответствующие результаты показали, что обе газовые системы характеризуются близкими параметрами электронной и ионной компонент плазмы, но существенно различаются по кинетике нейтральных частиц, особенно в присутствии O2. Последняя особенность обуславливает противоположные изменения как концентрации атомов F, так и эффективной вероятности ионно-стимулированной химической реакции в зависимости от параметра Ar/O2. Взаимосвязи между видом фторуглеродного компонента и кинетикой гетерогенных процессов анализировались с помощью набора параметров, характеризующих газовую фазу (плотностей потоков частиц и их отношений). На основании этого анализа предположено, что рост содержания O2 в смеси CF4 + Ar + O2 со слабой полимеризационной нагрузкой на обрабатываемую поверхность снижает вероятность реакции SiO2 + F через снижение эффективности деструкции оксидных связей и десорбции продуктов травления из-за снижения плотности потока энергии ионов. Напротив, рост содержания O2 в смеси C4F8 + Ar + O2 с высокой полимеризационной нагрузкой способствует росту эффективной вероятности взаимодействия за счет снижения толщины фторуглеродной полимерной пленки и облегчения доступа атомов F к обрабатываемой поверхности.
Литература
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.
Advanced plasma processing technology. New York: John Wiley & Sons Inc. 2008. 479 p.
Chung C.K. Plasma etching. in Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics. New York: Springer Sci-ence+Business Media. 2014. P. 1-18. DOI: 10.1007/978-3-642-27758-0_1251-5.
Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley & Sons Inc. 2005. 757 p.
Standaert T.E.F.M., Hedlund C., Joseph E.A., Oehrlein G.S., Dalton T.J. Role of fluorocarbon film formation in the etching of silicon, silicon dioxide, silicon nitride, and amorphous hydrogenated silicon carbide. J. Vac. Sci. Technol. A. 2004. V. 22. P. 53-60. DOI: 10.1116/1.1626642.
Schaepkens M., Standaert T.E.F.M., Rueger N.R., Sebel P.G.M., Oehrlein G.S., Cook J.M. Study of the SiO2-to-Si3N4 etch selectivity mechanism in inductively coupled fluorocarbon plasmas and a comparison with the SiO2-to-Si mechanism // J. Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. P. 26-37. DOI: 10.1116/1.582108.
Matsui M., Tatsumi T., Sekine M. Relationship of etch reaction and reactive species flux in C4F8/Ar/O2 plasma for SiO2 selective etching over Si and Si3N4. J. Vac. Sci. Technol. A. 2001. V. 19. P. 2089-2096. DOI: 10.1116/1.1376709.
Kastenmeier B.E.E., Matsuo P.J., Oehrlein G.S. Highly selective etching of silicon nitride over silicon and silicon dioxide. J. Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. P. 3179-3184. DOI: 10.1116/1.582097.
Son J., Efremov A., Chun I., Yeom G. Y., Kwon K.-H. On the LPCVD-formed SiO2 etching mechanism in CF4/Ar/O2 inductively coupled plasmas: effects of gas mixing ratios and gas pressure. Plasma Chem. Plasma Proc. 2014. V. 34. P. 239-257. DOI: 10.1007/s11090-013-9513-1.
Li X., Ling L., Hua X., Fukasawa M., Oehrlein G.S., Barela M., Anderson H.M. Effects of Ar and O2 additives on SiO2 etching in C4F8-based plasmas. J. Vac. Sci. Tech-nol. A. 2003. V. 21. P. 284-293. DOI: 10.1116/1.1531140.
Shankaran A., Kushner M.J. Etching of porous and solid SiO2 in Ar/c-C4F8, O2/c-C4F8 and Ar/O2/c-C4F8 plasmas. J. Appl. Phys. 2005. V. 97. P. 023307 (1-10). DOI: 10.1063/1.1834979.
Lele C., Liang Z., Linda X., Dongxia L., Hui C., Tod P. Role of CF2 in the etching of SiO2, Si3N4 and Si in fluoro-carbon plasma. J. Semicond. 2009. V. 30. P. 033005-1 (9). DOI: 10.1088/1674-4926/30/3/033005.
Handbook of Chemistry and Physics. New York: CRC Press. 2014. 2704 p.
Chun I., Efremov A., Yeom G.Y., Kwon K.-H. A comparative study of CF4/O2/Ar and C4F8/O2/Ar plasmas for dry etching applications. Thin Solid Films. 2015. V. 579. P. 136-143. DOI: 10.1016/j.tsf.2015.02.060.
Efremov A., Lee J., Kim J. On the control of plasma parameters and active species kinetics in CF4 + O2 + Ar gas mixture by CF4/O2 and O2/Ar mixing ratios. Plasma Chem. Plasma Proc. 2017. V. 37. P. 1445-1462. DOI: 10.1007/s11090-017-9820-z.
Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publishers. 2008. 245 p.
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. 15. P. 8340-8347. DOI: 10.1166/jnn.2015.11256.
Efremov A.M., Murin D.B., Kwon K.H. Plasma parameters and active species kinetics in CF4+C4F8+Ar gas mix-ture. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2018. V. 61. N 4-5. P. 31-36. DOI: 10.6060/tcct.20186104-05.5695.
Efremov A., Murin D., Kwon K.-H. Plasma parameters, densities of active species and etching kinetics in C4F8+Ar gas mixture. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. N 2. P. 31-37. DOI: 10.6060/ivkkt.20196202.5791.
Efremov A.M., Murin D.B., Betelin V.B., Kwon K.H. Parameters and composition of CF4 + O2 + Ar and CHF3 + O2 + Ar plasmas in reactive-ion etching processes. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. N. 12. P. 108-118 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20196212.6032.
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. A. 2002. V. 20. P. 2106-2114. DOI: 10.1116/1.1517993.
Gray D.C., Tepermeister I., Sawin H.H. Phenomenological modeling of ion-enhanced surface kinetics in fluorine-based plasmaetching. J. Vac. Sci. Technol. B. 1993. V. 11. P. 1243-1257. DOI: 10.1116/1.586925.
Efremov A.M., Kim D.P., Kim C.I. Simple model for ionassisted etching using Cl2/Ar inductively coupled plasma. IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32. P. 1344-1351. DOI: 10.1109/TPS.2004.828413.
