О ВЛИЯНИИ НАЧАЛЬНОГО СОСТАВА СМЕСИ CF4 + CHF3 + O2 НА ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ И КИНЕТИКУ РЕАКТИВНО-ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ
Аннотация
В работе обсуждаются механизмы влияния соотношения CF4/CHF3 в плазмообразующей смеси CF4 + CHF3 + O2 на стационарный состав плазмы и кинетику травления кремния в типичных условиях реактивно-ионного процесса. Диагностика плазмы двойным зондом Ленгмюра обеспечивала информацию по электрофизическим параметрам плазмы и предоставляла исходные данные для моделирования кинетики плазмохимических процессов. В результате были подтверждены основные свойства плазмы CF4 + O2 и CHF3 + O2, известные из предшествующих работ, а также проведен анализ закономерностей образования и гибели активных частиц в условиях трехкомпонентной смеси. В частности, было обнаружено, что замена CF4 на CHF3 при фиксированном содержании кислорода в исходном газе а) вызывает относительно слабые изменения температуры электронов и плотности плазмы; б) приводит к увеличению ее полимеризационной способности; и в) значительно (более чем в 3 раза) снижает концентрацию атомов F. Последний эффект был подтвержден удовлетворительным согласием с экспериментальными данными, полученными с использованием метода оптической эмиссионной актинометрии. В экспериментах по травлению было найдено, что скорость травления кремния снижается от 140 нм/мин до 65 нм/мин с ростом содержания CHF3. Анализ кинетики травления позволил заключить, что а) доминирующим механизмом травления является ионно-стимулированная химическая реакция; б) эффективная вероятность этой реакции сохраняет практически постоянное значение, несмотря на увеличение скорости фторуглеродной полимерной пленки. Этот эффект может отражать изменение степени пассивации свободной от полимера поверхности атомами кислорода.
Для цитирования:
Ефремов А.М., Бобылев А.В., Казначеева Е.М., Kwon K.-H. О Влиянии начального состава смеси CF4 + CHF3 + O2 на параметры плазмы и кинетику реактивно-ионного травления кремния. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 1. С. 39-47. DOI: 10.6060/ivkkt.20256801.7096.
Литература
Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. V. 1. Process Technology. New York: Lattice Press. 2000. 416 p.
Valeev A.S., Krasnikov G.Y. Manufacturing technology of intra- and interchip interconnects for modern ULSIs: Review and concepts of development. Russ. Microelec-tronics. 2015. V. 44. N 3. P. 180-201. DOI: 10.1134/S1063739715030087.
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.
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.
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.
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.
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.
Efremov A., Murin D., Kwon K.-H. Concerning the Effect of Type of Fluorocarbon Gas on the Output Charac-teristics of the Reactive-Ion Etching Process. Russ. Microelectronics. 2020. V. 49. N 3. P. 157-165. DOI: 10.1134/S1063739720020031.
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.
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.
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.M., Murin D.B., Kwon K.-H. Parameters of plasma and kinetics of active particles in CF4(CHF3) + Ar mixtures of a variable initial composition. Russ. Microelectronics. 2018. V. 47(6). P. 371-380. DOI: 10.1134/S1063739718060033.
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 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.
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.
Efremov A., Bobylev A., Kwon K.-H. Concentration of fluorine atoms and kinetics of reactiveion etching of sili-con in CF4 + O2, CHF3 + O2 and C4F8 + O2 mixtures. Russ. Microelectronics. 2023. V. 52. N 4. P. 267-275. DOI: 10.1134/S1063739723700488.
Efremov A. M., Bashmakova D. E., Kwon K.-H. Features of plasma composition and fluorine atom kinetics in CHF3 + O2 gas mixture. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 1. P. 48-55.
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.
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.
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., 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.
Efremov A.M., Smirnov S.A., Betelin V.B., Kwon K.-H. On the comparison of reactive-ion etching mechanisms for SiO2 in fluorine- and chlorine-containing plasmas. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N. 8. P. 52-64.
Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press. 2003. 2661 p.
NIST Chemical Kinetics Database. https://kinetics.nist.gov/ kinetics/welcome.jsp (15.04.2024)
Efremov A., Son H.J., Choi G., Kwon K.-H. On Mechanisms Influencing Etching/Polymerization Balance in Mul-ti-Component Fluorocarbon Gas Mixtures. Vacuum. 2022. V. 206. P. 111518(1-10). DOI: 10.1016/j.vacuum.2022.111518.
A Simple Sputter Yield Calculator. https://www2.iap. tuwien.ac.at/www/surface/sputteryield (15.04.2024).
