ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ И КИНЕТИКА ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В СМЕСИ CF4 + C4F8 + O2: ЭФФЕКТ СООТНОШЕНИЯ CF4/C4F8
Аннотация
Исследовано влияние соотношения фторуглеродных компонентов в плазмообразующей смеси CF4 + C4F8 + O2 на электрофизические параметры плазмы, стационарные концентрации активных частиц и кинетику травления кремния в условиях, типичных для реактивно-ионных процессов. Совместное использование методов диагностики (двойной зонд Ленгмюра, оптическая эмиссионная спектроскопия) и моделирования плазмы подтвердило известные особенности химии плазмы в индивидуальных фторуглеродных газах в присутствии кислорода, а также позволило провести детальный анализ кинетики атомов фтора и кислорода для трехкомпонентной смеси. Было показано, что замещение CF4 на C4F8 при постоянном содержании O2 а) вызывает слабые возмущения параметров электронной и ионной компонент плазмы (температуры электронов, концентрации электронов и плотности потока энергии ионов); б) обеспечивает резкое увеличение концентрации полимеробразующих радикалов CFx (x = 1, 2); в) приводит к монотонному снижению концентрации атомов F. Последний эффект обусловлен одновременным изменением как скорости образования атомов, так и частоты их гибели, что особенно проявляется в смесях с высоким содержанием C4F8. В экспериментах установлено, что скорость травления Si более чем на 85% определяется ее химической составляющей (в форме ионно-стимулированной гетерогенной реакции Si + xF → SiFx) и снижается с увеличением доли C4F8 в исходном газе. Наблюдаемое при этом изменение эффективной вероятности реакции не согласуется с ростом скорости осаждения полимера и толщины полимерной пленки (как это следует из изменения параметров газовой фазы), но может быть связано с ослаблением пассивации поверхности атомами кислорода.
Для цитирования:
Ефремов А.М., Бобылев А.В., Kwon K.-H. Параметры плазмы и кинетика травления кремния в смеси CF4 + C4F8 + O2: эффект соотношения CF4/C4F8. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 6. С. 29-37. DOI: 10.6060/ivkkt.20246706.6982.
Литература
Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors. Tokyo: Springer Internat. Publ. 2015. 116 p. DOI: 10.1007/978-3-319-10295-5.
Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. V. 1. Process Technology. New York: Lattice Press. 2000. 416 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Kimura T., Ohe K. Model and probe measurements of inductively coupled CF4 discharges. J. Appl. Phys. 2002. V. 92. P. 1780-1787. DOI: 10.1063/1.1491023.
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.
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.
Knizikevicius R. Real dimensional simulation of SiO2 etching in CF4 + H2 plasma. Appl. Surface Sci. 2004. V. 222. P. 275-285. DOI: 10.1016/S0042-207X(01)00413-4.
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.
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.
Chun I., Efremov A., Yeom G.Y., Kwon K.-H. A com-parative 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.
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 Process. 2021. V. 41. P. 1671-1689. DOI: 10.1007/s11090-021-10198-z.
Baek S.Y., Efremov A., Bobylev A., Choi G., Kwon K.-H. On relationships between plasma chemistry and surface reaction kinetics providing the etching of silicon in CF4, CHF3, and C4F8 gases mixed with oxygen. Materials. 2023. V. 16. P. 5043(1-18). DOI: 10.3390/ma16145043.
Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publ. 2008. 245 p.
Lopaev D.V., Volynets A.V., Zyryanov S.M., Zotovich A.I., Rakhimov A.T. Actinometry of O, N and F atoms. J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. P. 075202(1-17). DOI: 10.1088/1361-6463/50/7/075202.
Engeln R., Klarenaar B., Guaitella O. Foundations of optical diagnostics in low-temperature plasmas. Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. P. 063001 (1-14). DOI: 10.1088/ 1361-6595/ab6880.
Cunge G., Ramos R., Vempaire D., Touzeau M., Neijbauer M., Sadeghi N. Gas temperature measurement in CF4, SF6, O2, Cl2, and HBr inductively coupled plasmas. J. Vac. Sci. Technol. A. 2009. V. 27. N 3. P. 471-478. DOI: 10.1116/ 1.3106626.
Vasenkov A.V., Li X., Oehlein G.S., Kushner M.J. Prop-erties of c-C4F8 inductively coupled plasmas. II. Plasma chemistry and reaction mechanism for modeling of Ar/c-C4F8/O2 discharges. J. Vac. Sci. Technol. A. 2004. V. 22. P. 511-530. DOI: 10.1116/1.1697483.
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.
Efremov A.M., Kim D.-P., Kim C.-I. Simple model for ionassisted etching using Cl2/Ar inductively coupled plasma: effect of gas mixing ratio. IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32. N 3. P. 1344-1351. DOI: 10.1109/TPS.2004.828413.
Raju G.G. Gaseous electronics. Tables, Atoms and Mole-cules. Boca Raton: CRC Press. 2012. 790 p. DOI: 10.1201/ b11492.
Christophorou L.G., Olthoff J.K. Fundamental electron interactions with plasma processing gases. New York: Springer Science+Business Media LLC. 2004. 776 p. DOI: 10.1007/ 978-1-4419-8971-0.
Efremov A.M., Betelin V.B., Mednikov K.A., Kwon K.-H., Plasma parameters and densities of active species in mixtures of fluorocarbon gases with argon and oxygen. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 7. P. 46-53. DOI: 10.6060/ivkkt. 20216407.6390.
Efremov A.M., Sobolev A.M., Kwon K.-H. Features of SiO2 reactiveion etching kinetics in CF4 + Ar + O2 and C4F8 + Ar + +O2 gas mixtures. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 9. P. 21-27. DOI: 10.6060/ ivkkt.20206309.6198.
A Simple Sputter Yield Calculator, https://www.iap. tuwien.ac.at/www/surface/sputteryield (20.09.2023).
Seah M.P., Nunney T.S. Sputtering yields of compounds using argon ions. J. Phys. D: App. Phys. 2010. V. 43. N 25. P. 253001(1-24). DOI: 10.1088/0022-3727/43/25/253001.
