ВЛИЯНИЕ СООТНОШЕНИЯ Ar/He НА СОСТАВ ПЛАЗМЫ И КИНЕТИКУ ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В CF4- И C4F8- СОДЕРЖАЩИХ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЯХ
Аннотация
Проведено исследование электрофизических параметров плазмы, состава газовой фазы и кинетики реактивно-ионного травления кремния в смесях CF4 + Ar/He и C4F8 + Ar/He с переменным содержанием инертных компонентов. При совместном использовании диагностики плазмы (зонды Лангмюра, оптическая эмиссионная спектроскопия) и моделирования кинетики плазмохимических процессов а) выявлены механизмы влияния соотношения Ar/He на концентрации активных частиц (атомов фтора, полимеробразующих радикалов и положительных ионов), формирующих брутто-результат взаимодействия плазмы с обрабатываемой поверхностью; б) разделены вклады физической и химической составляющих скорости травления; и в) проведен анализ механизма травления в приближении эффективной вероятности взаимодействия. Показано, что общими тенденциями при замещении аргона на гелий в обеих смесях являются снижение температуры и концентрации электронов, уменьшение степеней диссоциации многоатомных частиц, приводящее к аналогичному изменению концентраций менее насыщенных фторуглеродных радикалов и атомов фтора, а также снижение скорости травления кремния, обусловленное изменением кинетики гетерогенной реакции Si + xF → SiFx. Изменение эффективной вероятности этой реакции с ростом доли гелия в смеси согласуется со снижением полимеризационной способности в смеси CF4 + Ar/He, но противоречит росту полимеризационной способности в плазме C4F8 + Ar/He. Сделано предположение, что причиной последнего эффекта служит увеличение (по сравнению с величиной, определяемой концентрацией атомов фтора в плазме) потока атомов фтора на границе полимер/кремний. Причиной этого служит генерация атомов фтора в слое полимера увеличивающейся толщины за счет дефторирования под действием ионной бомбардировки.
Для цитирования:
Ефремов А.М., Бетелин В.Б., Kwon K.-H. Влияние соотношения Ar/He на состав плазмы и кинетику травления кремния в CF4- и C4F8- содержащих трехкомпонентных смесях. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 6. С. 41-51. DOI: 10.6060/ivkkt.20256806.7181.
Литература
Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 1. Process Technology. New York: Lattice Press. 2000. 416 p.
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.
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.
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.
Stoffels W.W., Stoffels E., Tachibana K. Polymerization of fluorocarbons in reactive ion etching plasmas. J. Vac. Sci. Tech. A. 1998. V. 16. P. 87-95. DOI: 10.1116/1.581016.
Efremov A., Son H.J., Choi G., Kwon K.-H. On Mechanisms Influencing Etching/Polymerization Balance in Multi-Component Fluorocarbon Gas Mixtures. Vacuum. 2022. V. 206. P. 111518. DOI: 10.1016/j.vacuum.2022.111518.
Efremov A., Lee B. J., Kwon K.-H. On relationships between gas-phase chemistry and reactiveion etching kinetics for silicon-based thin films (SiC, SiO2 and SixNy) in multicomponent fluorocarbon gas mixtures. Materials. 2021. V. 14. P. 1432. DOI: 10.3390/ma14061432.
Kimura T., Ohe K. Probe measurements and global model of inductively coupled Ar/CF4 discharges. Plasma Sources Sci. Technol. 1999. V. 8. P. 553-561. DOI: 10.1088/0963-0252/8/4/305.
Efremov A.M., Murin D.B., 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.
Proshina O., Rakhimova T.V., Zotovich A., Lopaev D.V., Zyryanov S.M., Rakhimov A.T. Multifold study of volume plasma chemistry in Ar/CF4 and Ar/CHF3 CCP discharges. Plasma Sources Sci. Technol. 2017. V. 26. P. 075005. DOI: 10.1088/1361-6595/aa72c9.
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.
Efremov A.M., Murin D.B., Kwon K.-H. Features of the Kinetics of Bulk and Heterogeneous Processes in CHF3 + Ar and C4F8 + Ar Plasma Mixtures. Russ. Microelectronics. 2019. V. 48. N 2. P. 119-127. DOI: 10.1134/S1063739719020070.
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.
Efremov A.M., Betelin V.B., Medni-kov K.A., Kwon K.-H. Gasphase parameters and reactiveion 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. DOI: 10.6060/ivkkt.20216406.6377.
Handbook of Chemistry and Physics. New York: CRC Press. 2014. 2704 p.
Choi G., Efremov A., Lee D.-K., Cho C.-H., Kwon K.-H. On Mechanisms to Control SiO2 Etching Kinetics In Low-Power Reactive-Ion Etching Process Using CF4 + C4F8 + Ar + He Plasma. Vacuum. 2023. V. 216. P. 112484. DOI: 10.1016/j.vacuum.2023.112484.
Choi G., Efremov A., Son H. J., Kwon K.-H. Noble gas effect on ACL etching selectivity to SiO2 films. Plasma Process. Polym. 2023. V. 20. N 8. P. e2300026. DOI: 10.1002/ppap.202300026.
Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publishers. 2008. 245 p.
Engeln R., Klarenaar B., Guaitella O. Foundations of optical diagnostics in low-temperature plasmas. Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. P. 063001. DOI: 10.1088/1361-6595/ab6880.
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. DOI: 10.1088/1361-6463/50/7/075202.
Hofmann S., van Gessel A.F.H., Verreycken T., Bruggeman P. Power dissipation, gas temperatures and electron densities of cold atmospheric pressure helium and argon RF plasma jets. Plasma Sources Sci. Technol. 2011. V. 20. P. 065010. DOI: 10.1088/0963-0252/20/6/065010.
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(3). P. 471-478. DOI: 10.1116/1.3106626.
Celik Y., Aramaki M., Luggenholscher D., Czarnetzk U. Determination of electron densities by diode-laser absorption spectroscopy in a pulsed ICP. Plasma Sources Sci. Technol. 2011. V. 20. P. 015022. DOI: 10.1088/0963-0252/20/1/015022.
Raju G.G. Gaseous electronics. Tables, Atoms and Molecules. Boca Raton: CRC Press. 2012. 790 p. DOI: 10.1201/b11492.
Efremov A.M., Bobylev A.V., Kwon K.-H., Plasma parameters and silicon etching kinetics in CF4 + C4F8 + O2 mixture: effect of CF4/C4F8 mixing ratio. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 6. P. 29-37. DOI: 10.6060/ivkkt.20246706.6982.
A Simple Sputter Yield Calculator. https://www2.iap.tuwi-en.ac.at/www/surface/sputteryield (30.11.2024).
