ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА ПЛАЗМЫ И КИНЕТИКИ АТОМОВ ФТОРА В СМЕСИ CHF3 + O2
Аннотация
Исследовано влияние начального состава смеси CHF3 + O2 на электрофизические параметры плазмы, стационарные концентрации активных частиц и кинетику атомов фтора в условиях постоянства давления газа и вкладываемой мощности. При совместном использовании диагностики плазмы зондами Ленгмюра и модельного анализа кинетики плазмохимических процессов подтверждены известные из предшествующих работ особенности состава плазмы в отсутствие кислорода (в частности – доминирование молекул HF в газовой фазе). Выявлены механизмы влияния кислорода на стационарные концентрации нейтральных частиц через кинетику процессов при электронном ударе и кинетику атомно-молекулярных реакций. Установлено, что увеличение доли кислорода в смеси при пропорциональном снижении содержания CHF3: а) приводит к заметным изменениям параметров электронной и ионной компонент плазмы (средней энергии и концентрации электронов, плотности потока ионов); б) обеспечивает эффективную конверсию фторуглеродных радикалов CHFx и CFx в соединения вида CFxO, FO и COx; в) сопровождается ростом концентрации атомов фтора вплоть до 50% O2 в смеси. Последний эффект противоречит изменению суммарной скорости генерации атомов, но обусловлен снижением частоты их гибели в газофазных реакциях семейства CHFx + F → CFx + HF. Проведен модельный анализ кинетики гетерогенных процессов с использованием отслеживающих параметров, основанных на характеристиках газовой фазы. Показано, что добавка кислорода способствует снижению полимеризационной способности плазмы из-за уменьшения плотности потока полимеробразующих частиц и роста скорости окислительной деструкции осаждаемой полимерной пленки.
Для цитирования:
Ефремов А.М., Башмакова Д.Е., Kwon K.-H. Особенности состава плазмы и кинетики атомов фтора в смеси CHF3 + O2. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 1. С. 48-55. DOI: 10.6060/ivkkt.20236601.6667.
Литература
Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors. Tokyo: Springer Internat. Publ. 2015. 116 p. DOI: 10.1007/978-3-319-10295-5.
Advanced plasma processing technology. New York: John Wiley & Sons Inc. 2008. 479 p.
Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 1. Process Technology. New York: Lattice Press. 2000. 416 p.
Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley & Sons Inc. 2005. 757 p. DOI: 10.1002/0471724254.
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.
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.
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: 10.1116/1.58209.
Marra D.C., Aydil E.S. Effect of H2 addition on surface reactions during CF4/H2 plasma etching of silicon and silicon dioxide films. J. Vac. Sci. Technol. A. 1997. V. 15. P. 2508-2516. DOI: 10.1116/1.580762.
Kimura T., Noto M. Experimental study and global model of inductively coupled CF4/O2 discharges. J. Appl. Phys. 2006. V. 100. P. 063303 (1-9). DOI: 10.1063/1.2345461.
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.
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.M., Betelin V.B., Mednikov K.A., Kwon K.-H. Gasphase parameters and reactive-ion etching regimes for Si and SiO2 in binary Ar + CF4/C4F8 mixtures. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 6. P. 25-34.
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. V. 41. P. 195211 (1-12). DOI: 10.1088/0022-3727/41/19/195211.
Lee B. J., Efremov A., Nam Y., Kwon K.-H. Plasma Parameters and Silicon Etching Kinetics in C4F8 + O2 + Ar Gas Mixture: Effect of Component Mixing Ratios. Plasma Chem. Plasma Proc. 2020. V. 40. P. 1365-1380. DOI: 10.1007/s11090-020-10097-9.
Efremov A., Murin D., Kwon K.-H. Concerning the Effect of Type of Fluorocarbon Gas on the Output Characteristics of the Reactive-Ion Etching Process. Russ. Microelectronics. 2020. V. 49. N 3. P. 157-165. DOI: 10.1134/S1063739720020031.
Lim N., Efremov A., Kwon K.-H. A comparison of CF4, CHF3 and C4F8 + Ar/O2 Inductively Coupled Plasmas for Dry Etching Applications. Plasma Chem. Plasma Proc. 2021. V. 41. P. 1671-1689. DOI: 10.1007/s11090-021-10198-z.
Efremov A., Lee B.J., Kwon K.-H. On Relationships Between Gas-Phase Chemistry and Reactive-Ion Etching Kinetics for Silicon-Based Thin Films (SiC, SiO2 and SixNy) in Multi-Component Fluorocarbon Gas Mixtures. Materials. 2021. V. 14. P. 1432(1-27). DOI: 10.3390/ma14061432.
Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publ. 2008. 245 p.
Efremov A. M., Murin D. B., Kwon K. H. Parameters of plasma and kinetics of active particles in CF4(CHF3) + Ar mixtures of a variable initial com-position. Russ. Microelectronics. 2018. V. 47(6). P. 371-380. DOI: 10.1134/S1063739718060033.
Efremov A.M., Murin D.B., Kwon K.-H. Plasma Parame-ters and Kinetics of Active Particles in the Mixture CHF3 + O2 + Ar. Russ. Microelectronics. 2020. V. 49(4). P. 233-243. DOI: 10.1134/S1063739720030038.
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. P. 3272-3284. DOI: 10.1088/0022-3727/39/15/009.
Ho P., Johannes J.E., Buss R.J. Modeling the plasma chemistry of C2F6 and CHF3 etching of silicon dioxide, with comparisons to etch rate and diagnostic data. J. Vac. Sci. Technol. B. 2001. V. 19. P. 2344-2367. DOI: 10.1116/1.1387048.
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.
Chapman B. Glow Discharge Processes: Sputtering and Plasma Etching. New York: John Wiley & Sons Inc. 1980. 432 p.
