GAS-PHASE PARAMETERS AND REACTIVE-ION ETCHING REGIMES FOR Si AND SiO2 IN BINARY Ar + CF4/C4F8 MIXTURES
Аннотация
Проведено сравнительное исследование электрофизических параметров плазмы, стационарного состава газовой фазы и закономерностей реактивно-ионного травления Si и SiO2 в плазме бинарных смесей CF4 + Ar и C4F8 + Ar в условиях индукционного ВЧ 13,56 МГц разряда. Фиксированными параметрами процесса являлись давление плазмообразующего газа (6 мтор) и уровни мощности, подводимой от источников возбуждения плазмы (700 Вт) и смещения (200 Вт). Схема исследования включала диагностику плазмы зондами Лангмюра и 0-мерное (глобальное) моделирование плазмохимических процессов. Показано, что исследованные смеси проявляют близкие свойства ионной компоненты плазмы и электронного газа, но характеризуются существенными отличиями в кинетике атомов и радикалов. Особенностями системы C4F8 + Ar в исследованном диапазоне условий являются более высокие концентрации полимеробразующих радикалов, меньшие концентрации атомов фтора и более слабая зависимость их концентрации от доли Ar в смеси. При исследовании кинетики травления установлено, что а) увеличение доли аргона в смесях CF4 + Ar и C4F8 + Ar сопровождается качественно различным изменением скоростей травления Si и SiO2; и б) наблюдаемые зависимости скорости от доли Ar в обеих смесях не согласуются с поведением плотности потока атомов фтора. Очевидно, что такая ситуация соответствует изменению вероятности взаимодействия атомов с обрабатываемой поверхностью. Предположено, что рост содержания Ar в смеси CF4 + Ar со слабой полимеризационной нагрузкой на обрабатываемую поверхность активирует гетерогенные химические реакции за счет интенсификации ионно-стимулированной десорбции продуктов травления и/или аморфизации поверхности. Подобный эффект в смеси C4F8 + Ar с высокой полимеризационной нагрузкой может быть отнесен к снижению толщины фторуглеродной полимерной пленки, что облегчает доступ атомов F к обрабатываемой поверхности.
Литература
Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors. Tokyo: Springer Internat. Publ. 2015. 116 p.
Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. V. 1. Process Technology. New York: Lattice Press. 2000. 890 p.
Advanced plasma processing technology. New York: John Wiley&Sons Inc. 2008. 479 p.
Donnelly V. M., Kornblit A. Plasma etching: Yes-terday, today, and tomorrow. J. Vac. Sci. Technol. 2013.
V. 31. P. 050825-48. DOI: 10.1116/1.4819316.
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. Tech-nol. 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.
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. 023307-17. 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. 033005-14. DOI: 10.1088/1674-4926/30/3/033005.
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.
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.
Handbook of Chemistry and Physics. New York: CRC Press. 2014. 2704 p.
Mogab C.J., Adams A.C., Flamm D.L. Plasma etching of Si and SiO2 - The effect of oxygen additions to CF4 plasmas. J. Appl. Phys. 1978. V. 49. P. 3796–3803. DOI: 10.1063/1.325382.
Kimura T., Noto M. Experimental study and global model of inductively coupled CF4/O2 discharges. J. Appl. Phys. 2006. V. 100. P. 063303-12. DOI: 10.1063/1.2345461.
Schoenborn P., Patrick R., Baltes H.P. Numerical simulation of a CF4/O2 plasma and correlation with spectroscopic and etch rate data. J. Electrochem. Soc. 1989. V. 136. P. 199-205. DOI: 10.1149/1.2096585.
Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley&Sons Inc. 2005. 757 p.
Efremov A., Murin D., Kwon K.-H. Plasma parameters, densities of active species and etching kinetics in C4F8+Ar gas mixture. ChemChemTech [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., Kwon K.H. Plasma parameters and active species kinetics in CF4+C4F8+Ar gas mixture. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 4-5. P. 31-36. DOI: 10.6060/tcct.20186104-05.5695.
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.
Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publishers. 2008. 245 p.
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.
Kimura T., Ohe K. Probe measurements and global model of inductively coupled Ar/CF4 discharges. Plasma Sources Sci. Technol. 1999. V. 8. P. 553-560. DOI: 10.1088/0963-0252/8/4/305.
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. 629. P. 39-48. DOI: 10.1016/j.tsf.2017.03.035.
Rauf S., Ventzek P.L. Model for an inductively coupled Ar/c-C4F8 plasma discharge. J Vac. Sci. Technol. A. 2002 V. 20. P. 14-23. DOI: 10.1116/1.1417538.
Kokkoris G., Goodyear A., Cooke M., Gogolides E. A global model for C4F8 plasmas coupling gas phase and wall surface reaction kinetics. J. Phys. D. Appl. Phys. 2008. 41. P. 195211-23. DOI: 10.1088/0022-3727/41/19/195211.
Gray D.C., Tepermeister I., Sawin H.H. Phenomenological modeling of ion-enhanced surface kinetics in fluorine-based plasma-etching. J. Vac. Sci. Technol. B. 1993. V. 11. P. 1243-1257. DOI: 10.1116/1.586925.
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.
Efremov A. M., Kim D. P., Kim C. I. Simple model for ion-assisted etching using Cl2/Ar inductively coupled plasma. IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32. P. 1344-1351. DOI: 10.1109/TPS.2004.828413.
