1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 51, № 4, 2022

Микроэлектроника, 2022, T. 51, № 4, стр. 296-303

Параметры плазмы и кинетика реактивно-ионного травления кремния в смеси C6F12O + Ar

А. М. Ефремов a, *, В. Б. Бетелин b, K.-H. Kwon c

a ФГБОУ ВО “Ивановский государственный химико-технологический университет”
153000 Иваново, Шереметевский просп., 7, Россия

b ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН
Москва, Нахимовский просп., 36, к. 1, Россия

c Korea University
339-700 Sejong, South Korea

* E-mail: amefremov@mail.ru

Поступила в редакцию 18.01.2022
После доработки 22.02.2022
Принята к публикации 28.02.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучены характеристики газовой фазы и кинетика реактивно-ионного травления кремния в плазме 50% C6F12O + 50% Ar. Схема исследования включала диагностику плазмы с помощью зондов Ленгмюра и оптической эмиссионной спектроскопии, а также измерение скоростей травления при варьировании вкладываемой мощности (200–600 Вт) и давления газа (4–12 мтор). Показано, что а) характер изменения параметров электронной и ионной компонент плазмы в целом соответствует закономерностям, известным для других фторуглеродных газов; и б) кинетика образования атомов фтора испытывает заметное влияние со стороны объемных процессов вида CFx + O → COFx–1 + F. Установлено, что изменение скорости травления кремния определяется кинетикой гетерогенной реакции Si + xF → SiFx, протекающей в режиме лимитирования потоком атомов фтора. Предположено, что эффективная вероятность этой реакции в условиях постоянной температуры определяется процессами конкурентной адсорбции атомов кислорода и/или окисления поверхности.

Ключевые слова: плазма, диагностика плазмы, активные частицы, кинетика, гетерогенное взаимодействие

1. ВВЕДЕНИЕ

Неравновесная газоразрядная плазма фторуглеродных (CxHyFz) газов исторически играет важную роль в технологии приборов интегральной микро- и нано-электроники при проведении процессов структурирования поверхности кремниевых пластин и функциональных слоев различной природы [1, 2]. Основным инструментом здесь являются процессы реактивно-ионного травления (РИТ), сочетающие эффекты физического и химического воздействия на обрабатываемую поверхность. Регулирование физического и химического факторов при варьировании условий обработки (состав плазмообразующего газа, его давление, вкладываемая мощность и мощность смещения на обрабатываемой поверхности) позволяют эффективно оптимизировать скорость травления, анизотропию профиля и селективность по отношению к материалу маски [3, 4].

Очевидно, что оптимизация выходных характеристик РИТ невозможна без понимания механизмов физико-химических явлений, обеспечивающих газификацию атомов обрабатываемой поверхности. Это, в свою очередь, требует выявления взаимосвязей между параметрами газовой фазы (электрофизическими характеристиками и составом плазмы) и кинетикой ионно-стимулированных гетерогенных процессов. Многочисленные исследования соответствующих вопросов для плазмы “традиционных” фторуглеродных газов – CF4, CHF3, C4F8 и др. – изложены в обзорных статьях [5–8] и обобщены в монографиях [1–4]. В целом, для каждого из таких газов а) разработаны кинетические схемы, адекватно описывающие кинетику плазмохимических процессов и состав газовой фазы; б) установлены типы доминирующих частиц и определены их роли в процессе травления; в) проведен анализ факторов, определяющих полимеризационную нагрузку плазмы на контактирующие с ней поверхности, состав и стационарную толщину фторуглеродной полимерной пленки; и г) разработаны способы регулирования баланса травление/полимеризация варьированием внешних параметров и газов-добавок.

Исследования последних лет показали, что значимым недостатком “традиционных” фторуглеродных газов является высокий потенциал глобального потепления (ПГП) [9, 10]. Так, например, значение индекса ПГП (параметра, показывающего во сколько раз вклад данного газа в формирование парникового эффекта превышает аналогичное действие CO2) составляет более 5000 для тетрафторметана и более 7000 для трифторметана [10, 11]. Таким образом, актуальной задачей является поиск новых плазмообразующих газов, которые, с одной стороны, отличаются меньшим негативным воздействием на окружающую среду, а с другой – удовлетворяют требованиям технологии. По результатам работ [11, 12] можно заключить, что одним из возможных кандидатов здесь может являться C6F12O, который имеет единичный индекс ПГП и сохраняет жидкое состояние при температурах ниже 50°С. Последнее свойство значительно облегчает экстракцию непрореагировавшего фторуглеродного компонента из отходящих газов плазмохимических реакторов. В то же время, свойства плазмы C6F12O и возможности ее технологических приложений изучены крайне слабо. Основными причинами такой ситуации являются недостаток экспериментальных данных по кинетике процессов РИТ в данном газе, а также объективные сложности анализа электрофизических параметров и состава плазмы на фоне неопределенной кинетической схемы. Разработка последней существенно затруднена отсутствием достоверной информации по механизмам и кинетическим характеристикам (сечениям, константам скоростей) диссоциации как самого C6F12O, так и продуктов его распада.

Ранее в работе [13] было проведено сравнительное исследование параметров плазмы и кинетики РИТ Si и SiO2 в смесях CF4 + Ar и C6F12O + Ar. Было найдено, что при идентичных условиях возбуждения разряда обе плазменные системы а) характеризуются близкими концентрациями заряженных частиц; и б) демонстрируют отсутствие принципиальных различий состава и толщины осаждаемой фторуглеродной полимерной пленки. Отличительной особенностью плазмы C6F12O + Ar при этом являются более низкие скорости травления Si и SiO2, что согласуется с различиями в концентрациях атомов фтора. В то же время, очевидным недостатком этой работы служит отсутствие данных по абсолютным концентрациям атомов. Это ограничивает возможности анализа кинетики нейтральных частиц в объеме плазмы и гетерогенных процессов на обрабатываемой поверхности. Основная идея настоящего исследования заключалась в дальнейшем развитии экспериментального и теоретического подходов для изучения свойств плазмы C6F12O + Ar в условиях, характерных для процессов РИТ кремния и его соединений. Соответственно, целями работы являлись 1) получение данных по абсолютными концентрациям атомов фтора и кислорода при варьировании вкладываемой мощности и давления газа; и 2) анализ механизма травления кремния в приближении эффективной вероятности взаимодействия. Как было показано ранее в наших работах [14–16], характер изменения этого параметра в условиях термостатирования обрабатываемого материала позволяет выявлять сторонние факторы, влияющие на кинетику гетерогенной химической реакции.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Оборудование и методика эксперимента

Эксперименты проводились в условиях индукционного ВЧ (13.56 МГц) разряда, в реакторе планарного типа с рабочей камерой из анодированного алюминия [14–16]. В качестве варьируемых величин выступали давление газа ($p$ = 4–12 мтор) и вкладываемая мощность ($W$ = 200–600 Вт), что соответствовало диапазону удельной мощности ∼ 0.2–0.6 Вт/см3. Набор постоянных параметров включал общий расход плазмообразующего газа ($q$ = 40 станд. см3/мин), начальный состав смеси C6F12O + Ar, задаваемый равными парциальными расходами ее компонентов, и мощность смещения на нижнем электроде (${{W}_{{dc}}}$ = 200 Вт). Последнее условие соответствовало переменному значению напряжение смещения $ - {{U}_{{dc}}}$, которое отслеживает изменение плотности потока положительных ионов.

Данные по электрофизическим параметрам плазмы получали с помощью двойного зонда Лангмюра DLP2000 (Plasmart Inc., Korea). Для минимизации искажений зондовых вольт-амперных характеристик (ВАХ) из-за полимеробразования на зондах использовалась системой импульсной очистки ионной бомбардировкой. Кроме этого, перед каждым измерением зонды дополнительно обрабатывались в плазме 50% Ar + 50% O2 в течении ∼2 мин. Анализ измеренных ВАХ с использованием известных положений зондовой теории для разрядов низкого давления [4, 17] обеспечивал данные по температуре электронов (${{T}_{e}}$) и плотности ионного тока (${{J}_{ + }}$). Суммарную концентрацию положительных ионов оценивали по соотношению ${{n}_{ + }} \approx {{J}_{ + }}{\text{/}}0.61e{{v}_{B}}$ [4], где ${{v}_{B}} \approx \sqrt {e{{T}_{e}}{\text{/}}{{m}_{i}}} $ – скорость ионов на внешней границе двойного электрического слоя у поверхности зонда, а ${{m}_{i}}$ – эффективная масса иона [15, 16]. При определении ${{m}_{i}}$ мы полагали, что доминирующим ионом в плазме C6F12O является ${\text{CF}}_{3}^{ + }$. Косвенными подтверждениями этого факта являются а) отсутствие принципиальных различий в абсолютных значениях ${{J}_{ + }}$, измеренных в C6F12O и CF4 при одинаковых условиях возбуждения разряда [13]; и б) доминирование CF4 среди стабильных продуктов термического разложения C6F12O, в том числе – в условиях искрового пробоя газового промежутка [18, 19]. Величину $ - {{U}_{{dc}}}$ контролировали высоковольтным зондом AMN-CTR (Youngsin Eng, Korea).

Стационарные концентрации атомов F и O определяли методом оптической актинометрии с использованием аналитических пар F 703.8 нм/Ar 750.4 нм и O 777.2 нм/Ar 750.4 нм [20, 21]. Для всех указанных спектральных линий характерны а) возбуждение прямым электронным ударом; и б) низкое время жизни возбужденного состояния, что позволяет пренебречь процессами не излучательной релаксации [21]. Расчеты концентраций атомов проводили из соотношения

$\frac{{{{n}_{X}}}}{{{{n}_{{Ar}}}}} = C_{{Ar}}^{X}\frac{{{{I}_{X}}}}{{{{I}_{{Ar}}}}},$
где ${{I}_{X}}$ и ${{n}_{X}}$ – интенсивность излучение и концентрация определяемой частицы X (X = F или O), а $C_{{Ar}}^{X}$ – актинометрический коэффициент, определяемый отношением констант возбуждения и вероятностей оптических переходов. Сечения возбуждения и параметры оптических переходов хорошо известны по литературным данным [21, 22]. В частности, в работе [21] показано, что параметры $C_{{Ar}}^{X}$ являются постоянными в диапазоне температур электронов 3–4 эВ (∼2 для пары F 703.8 нм/Ar 750.4 нм и ∼1.6 для пары O 777.2 нм/Ar 750.4 нм), при этом результаты актинометрического определения концентраций атомов имеют хорошее согласие с результатами масс-спектральных измерений.

Подвергаемые травлению образцы располагались в центральной части нижнего электрода и представляли собой фрагменты пластин Si(100) размером ∼2 × 2 см. Встроенная система водяного охлаждения обеспечивала поддержание постоянной температуры электрода после зажигания плазмы. Скорость травления определяли как $R = h{\text{/}}\tau $, где $\Delta h$ – высота ступеньки на границе маскированной и немаскированной областей обрабатываемой поверхности и $\tau ~$– время травления. Величина $\Delta h$ измерялась профилометром Alpha-step D-500 (KLA-Tencor, USA), при этом в качестве маскирующего покрытия использовался фоторезист AZ1512 толщиной ∼1.5 мкм. Значение времени травления выбиралось в пределах квазилинейного участка кинетической зависимости $\Delta h = f\left( \tau \right)$, соответствующего стационарному режиму травления. Очевидно, что существование такого режима обеспечивается постоянством температуры образца и отсутствием эффекта маскирования обрабатываемой поверхности фторуглеродным полимером. По результатам предварительных экспериментов было установлено также, что увеличение площади обрабатываемой поверхности не приводит к снижению скорости травления и не сопровождается заметными изменениями зондовых ВАХ. Это позволяет заключить, что процесс травления протекает в кинетическом режиме и характеризуется пренебрежимо малым влиянием продуктов травления на параметры газовой фазы.

2.2. Подходы к анализу кинетики травления

Анализ взаимосвязей параметров газовой фазы и кинетики гетерогенного взаимодействия базировался на литературных данных по механизмам реактивно-ионных процессов в плазме фторуглеродных газов [4–7, 14, 23]. Для типичных условий РИТ (давление газа <20 мтор, энергия ионной бомбардировки 200–600 эВ) эти данные могут быть обобщены в виде следующих положений:

1) Наблюдаемая скорость РИТ может быть представлена как ${{R}_{{phys}}} + {{R}_{{chem}}}$, где слагаемые представляют собой скорости физического распыления и химического травления целевого материала.

2) Физическая составляющая процесса травления (как ${{R}_{{phys}}}$, так любой ионно-стимулированный процесс, например десорбция продуктов взаимодействия или деструкция фторуглеродной полимерной пленки) характеризуется скоростью ${{Y}_{S}}{{{{\Gamma }}}_{ + }}$, где ${{Y}_{S}}$ – выход процесса (атом/ион) и ${{{{\Gamma }}}_{ + }} \approx {{J}_{ + }}{\text{/}}e$ – плотность потока ионов. Изменение параметра ${{Y}_{S}}$ при варьировании условий РИТ пропорционально $\sqrt {{{\varepsilon }_{i}}} $, где ${{\varepsilon }_{i}} = e\left| { - {{U}_{f}} - {{U}_{{dc}}}} \right|$ – энергия бомбардирующих ионов, ${{U}_{f}}$ – плавающий потенциал.

3) Химическая составляющая процесса травления (как ${{R}_{{chem}}}$, так любая гетерогенная реакции с участием нейтральных активных частиц, например формирование фторуглеродной полимерной пленки или ее травление атомами кислорода) характеризуется скоростью ${{\gamma }_{X}}{{{{\Gamma }}}_{X}}$, где ${{\gamma }_{X}}$ – эффективная вероятность взаимодействия, а ${{{{\Gamma }}}_{X}}$ – плотность потока соответствующих нейтральных частиц. Изменение параметра ${{\gamma }_{X}}$ для целевого материала при варьировании условий РИТ определяется кинетикой процессов заполнения и очистки активных центров. Ключевыми факторами здесь являются температура поверхности, летучесть продуктов взаимодействия и наличие процессов, приводящих к ингибированию или маскированию активных центров. В качестве первого механизма обычно рассматривается конкурентная адсорбция нереагирующих частиц, а в качестве второго – высаживание фторуглероглеродной полимерной пленки.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам зондовой диагностики плазмы C6F12O + Ar было найдено, что характер изменения параметров электронной и ионной компонент плазмы соответствует закономерностям, известным для других фторуглеродных газов. Так, из табл. 1 можно видеть, что температура электронов и плотность ионного тока увеличиваются с ростом складываемой мощности при $p$ = const, но снижаются с ростом давления газа в условиях $W$ = const. Характер зависимости ${{T}_{e}}~ = ~f\left( W \right)$ обусловлен ростом степеней диссоциации молекулярных компонент плазмы, что приводит к обогащению газовой фазы атомными частицами и менее насыщенными радикалами CFx. Поэтому имеет место снижение потерь энергии электронов в низкопороговых процессах колебательного и электронного возбуждения. Соответственно, падение ${{T}_{e}}$ с ростом давления газа отражает противоположное изменение потерь энергии электронов по причине увеличения частоты их столкновений с “тяжелыми” частицами. Можно видеть также, что зависимости ${{J}_{ + }} = f\left( {p,~W} \right)$ всегда являются более резкими по сравнению с величиной $\sqrt {{{T}_{e}}} $, которая отслеживает поведение скорости ионов на границе двойного электрического слоя у поверхности зонда. Таким образом, наблюдаемые отклики плотности ионного тока на изменение условий возбуждения разряда в целом формируются аналогичными зависимостями суммарной концентрации положительных ионов ${{n}_{ + }}$ и, следовательно, скорости ионизации. Рост вкладываемой мощности при $p$ = const увеличивает суммарную скорость ионизации из-за аналогичного изменения концентрации электронов в плазме. Однозначная зависимость ${{n}_{e}} = f\left( W \right)$ следует из уравнения баланса вкладываемой мощности, анализ которого приводится в работах [4, 24]. Напротив, рост давления газа в условиях $W$ = const подавляет ионизацию за счет снижения ${{T}_{e}}$ и констант скоростей соответствующих процессов ${{k}_{{iz}}}$. Характерные значения пороговых энергий процессов вида CFx + e → ${\text{CF}}_{x}^{ + }$ + 2e (и, тем более, для ионизации атомарных частиц) превышают среднюю энергию электронов в плазме $\varepsilon $ ≈ 3/2${{T}_{e}}$. Поэтому даже малые изменения температуры электронов сопровождаются резкими зависимостями ${{k}_{{iz}}} = f\left( {{{T}_{e}}} \right)$. Еще одним фактором, снижающим эффективность образования положительных ионов с ростом давления газа, может служить падение концентрации электронов из-за роста электроотрицательности плазмы. Причина этого может быть связана, в том числе, с увеличением концентраций молекул F2 и O2, образующихся при рекомбинации атомов фтора и кислорода. Отметим также, что величина отрицательного смещения в условиях ${{W}_{{dc}}}$ = const всегда изменяется противоположно ${{J}_{ + }}$. Это обусловлено частичной компенсацией наведенного отрицательного заряда за счет гетерогенной электрон-ионной рекомбинации.

Таблица 1.  

Параметры электронной и ионной компонент плазмы C6F12O + Ar

$p$, мтор 4 12 4 12 4 12 4 12
$W$, Вт ${{T}_{e}}$, эВ ${{J}_{ + }}$, мА/см2 ${{n}_{ + }}$, 1010 см–3 $ - {{U}_{{dc}}}$, В
200 3.6 3.5 0.20 0.16 0.91 0.74 414 441
400 3.8 3.7 0.46 0.39 2.03 1.79 368 409
600 4.0 3.8 0.64 0.59 2.79 2.61 336 365

Примечание: ${{T}_{e}}$ – температура электронов; ${{J}_{ + }}$ – плотность ионного тока; ${{n}_{ + }}$ – суммарная концентрация положительных ионов; $ - {{U}_{{dc}}}$ – отрицательное смещение на обрабатываемой поверхности.

При исследовании спектров излучения плазмы было найдено, что интенсивности излучения атомных линий F 703.8 нм, O 777.2 нм и Ar 750.4 нм резко увеличиваются с ростом вкладываемой мощности, но слабо снижаются при увеличении давления газа (рис. 1а). Очевидно, что оба эффекта представляют собой суперпозицию изменений концентраций этих частиц и функций возбуждения ${{k}_{{ex}}}{{n}_{e}}$, где ${{k}_{{ex}}} = f\left( {{{T}_{e}}} \right)$ – константа скорости возбуждения. Реальные концентрации атомов F и O, определенные по результатам актинометрических измерений (рис. 1б), имеют менее выраженную зависимость от величины $W$, но возрастают при увеличении давления газа. Причиной противоположного эффекта давления на интенсивность излучения и концентрацию атомов является более резкое снижение соответствующих функций возбуждения.

Рис. 1.

Интенсивности излучения аналитических линий (а) и концентрации атомов (б) в плазме смеси 50% C6F12O + + 50% Ar. На рис. (а) 1 – Ar 750.4 нм (уменьшена в 10 раз); 2 – F 703.8 нм; 3 – O 777.2 нм. Сплошные линии соответствуют давлению газа 4 мтор, пунктирные – 12 мтор.

Анализ данных рис. 1б позволяет предположить некоторые особенности кинетики атомов фтора и кислорода в плазме C6F12O + Ar. Во-первых, эффект вкладываемой мощности на концентрацию атомов фтора всегда проявляется значительно сильнее, чем для атомов кислорода. При низких давлениях это выражается в различных тенденциях роста концентраций соответствующих частиц (в ∼2.5 раза для ${{n}_{F}}$ и в ∼1.5 раза для ${{n}_{O}}$ при $p$ = 4 мтор и $W$ = 200–600 Вт), а при высоких – в еще более резком росте ${{n}_{F}}$ при ${{n}_{O}}$ ≈ const. По нашему мнению, такая ситуация означает, что существенный вклад в образование атомов фтора вносят объемные процессы вида R1: CFx + O → → COFx–1 + F (${{k}_{1}}$ ∼ 3 × 10–11 см3/с для $x$ = 3, 2 и ∼6 × 10–11 см3/с для $x$ = 1 [25, 26]). Соответственно, переход в область высоких давлений увеличивает скорость расходования кислорода из-за роста концентраций радикалов CFx. Во-вторых, обращает на себя внимание тот факт, что в области $W$ < 450–500 Вт всегда выполняется условие ${{n}_{O}}$ > > ${{n}_{F}}$. Логично предположить, что диссоциация исходной молекулы C6F12O преимущественно идет с разрывом наиболее слабых связей С–С (∼610 КДж/моль или 6.4 эВ) и С-F (∼552 КДж/моль или 5.8 эВ) [22], при этом сильная двойная связь С=O (∼1060 КДж/моль или 11 эВ) обеспечивает образование молекул СО в качестве одного из стабильных продуктов диссоциации. Таким образом, более высокие концентрации атомов кислорода могут быть обусловлены связыванием фтора в объемных процессах R2: CO + F → CFO (${{k}_{2}}$ ∼ 3 × × 10–11 см3/с) и R3: CFO + F → CF2O (${{k}_{3}}$ ∼ 8 × × 10–11 см3/с) [26, 27]. Очевидно, что рост вкладываемой мощности снижает эффективность этих каналов из-за увеличения скоростей диссоциации CO электронным ударом.

На рис. 2 представлены данные, иллюстрирующие влияние условий возбуждения разряда на кинетику травления кремния. Измеренные скорости травления ${{R}_{{Si}}}$ монотонно возрастают как с ростом вкладываемой мощности, так и давления газа, что противоречит характеру изменения плотности потока ионов (табл. 2). Таким образом, в исследованном диапазоне условий процесс травления не имеет ионно-лимитируемых стадий и определяется кинетикой гетерогенной реакции R4: Si + xF → SiFx. Последний вывод подтверждается оценками скоростей распыления ${{R}_{{phys}}}$ с использованием литературных данных по зависимости коэффициента распыления от энергии ионов [28] (табл. 2). Расчеты эффективной вероятности гетерогенного взаимодействия $\gamma = {{R}_{{chem}}}{\text{/}}{{{{\Gamma }}}_{F}}$, где ${{R}_{{chem}}} = {{R}_{{Si}}} - {{R}_{{phys}}}$ – химическая составляющая скорости травления и ${{{{\Gamma }}}_{F}} \approx 0.25{{n}_{F}}{{\left( {8R{{T}_{{gas}}}{\text{/}}\pi {{M}_{F}}} \right)}^{{1/2}}}$ – плотность потока атомов фтора, показали зависимость данного параметра от условий возбуждения разряда даже в условиях термостатирования образца в реакторе (рис. 2б). Ранее в работе [13] было установлено, что полимеризационная способность плазмы C6F12O + Ar не имеет принципиальных отличий от аналогичных характеристик системы CF4 + Ar. Так как свойства последней хорошо известны, можно с достаточной степенью уверенности полагать, что условие ${{\varepsilon }_{i}}$ > 200 эВ обеспечивает существование тонкой или даже не сплошной полимерной пленки, которая не лимитирует доступ атомов фтора к обрабатываемой поверхности [4]. По нашему мнению, причиной снижения параметра $\gamma $ при увеличении вкладываемой мощности и давления газа является конкурентная адсорбция атомов кислорода, приводящая к снижению доли свободных активных центров. Кроме этого, логично предположить протекание химических процессов с участием кислорода, снижающих реакционную способность кремния по отношению к атомам фтора. В качестве таких процессов можно рассматривать а) окисление самой поверхности, приводящее к образованию связей Si–O, что формально соответствует увеличению пороговой энергии R4; и б) окисление продуктов R4 в менее летучие соединения вида SiFxOy, что приводит к снижению доли активных центров, способных адсорбировать атомы фтора. Отметим, что подобные гетерогенные эффекты обсуждались ранее для смесей “традиционных” фторуглеродных газов с кислородом. Так, в работе [29] наблюдалась похожая корреляция между концентрацией атомов кислорода и вероятностью взаимодействия при травлении SiO2 в плазме смеси CF4 + O2 + Ar при варьировании соотношения O2/Ar. Аналогичная ситуация сообщалась также для Si и SiO2 в смеси C4F8 + O2 + Ar в условиях, когда скорость травления не лимитируется диффузией атомов фтора в слое полимера [15, 30]. В свете вышесказанного, незначительный рост эффективной вероятности взаимодействия в области низких давлений при $W$ = = 200–400 Вт (рис. 2б) предположительно является результатом ионной активации процесса через очистку активных центров и разрыв оксидных связей. В области высоких давлений этому препятствует сочетание низкой плотности потока ионов и высокой – атомов кислорода. По этой же причине имеет место снижение параметра $\gamma $ с ростом давления газа в условиях $W~$ = const.

Рис. 2.

Скорости травления кремния (а) и эффективная вероятность гетерогенной реакции Si + xF → SiFx (б) в плазме смеси 50% C6F12O + 50% Ar. На рис. (а) 1, 2 – измеренные скорости травления $R$; 3, 4 – химическая составляющая скорости травления ${{R}_{{chem}}}$, определенная как ${{R}_{{Si}}} - {{R}_{{phys}}}$. Сплошные линии соответствуют давлению газа 4 мтор, пунктирные – 12 мтор.

Таблица 2.  

Параметры физической (ионной) составляющей травления Si в плазме C6F12O + Ar

$p$, мтор 4 12 4 12 4 12 4 12
$W$, Вт ${{{{\Gamma }}}_{ + }}$, 1015 см–2 с–1 ${{\varepsilon }_{i}}$, эВ ${{Y}_{s}}$, атом/ион ${{R}_{{phys}}}$, нм/мин
200 1.3 1.0 437 441 0.42 0.44 6.3 5.3
400 2.9 2.5 392 409 0.38 0.42 13.0 12.5
600 4.0 3.7 361 365 0.35 0.38 16.8 16.6

Примечание: ${{{{\Gamma }}}_{ + }}$ – плотность потока ионов; ${{\varepsilon }_{i}}$ – энергия ионной бомбардировки; ${{Y}_{s}}$ – коэффициент распыления [28]; ${{R}_{{phys}}}$ – физическая составляющая скорости травления (скорость распыления).

В заключении отметим, что сделанные в данной работе выводы о механизмах газофазных и гетерогенных процессов в плазме C6F12O + Ar носят, скорее, предположительный характер из-за отсутствия прямых экспериментальных подтверждений. В то же время, они в целом согласуются с результатами исследований других фторуглеродных газов и, по-видимому, адекватно отражают специфику исследуемой системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование электрофизических параметров плазмы, концентраций атомных компонентов и кинетики реактивно-ионного травления кремния в смеси C6F12O + Ar. Интерес к C6F12O обусловлен перспективами замещения “традиционных” фторуглеродных газов, характеризующихся высокими потенциалами глобального потепления. При экспериментальном исследовании газовой фазы методами зондов Лангмюра и оптической эмиссионной спектроскопии было найдено, что a) характер изменения параметров электронной и ионной компонент плазмы соответствует закономерностям, известным для других фторуглеродных газов; б) концентрация атомов фтора монотонно возрастает при увеличении вкладываемой мощности и давления газа; и в) объемные процессы вида CFx + O → COFx–1 + F оказывают влияние на кинетику образования атомов фтора. Показано, что доминирующий вклад в процесс травления кремния вносит химическая составляющая, при этом кинетика гетерогенной реакции Si + xF → SiFx характеризуется не постоянной эффективной вероятностью взаимодействия. Предположено, что снижение эффективной вероятности с ростом давления газа обусловлено ингибирующим действием атомов кислорода через процессы конкурентной адсорбции и/или окисления поверхности.

Публикация выполнена в рамках государственного задания ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН (проведение фундаментальных научных исследований) по теме НИР № FNEF-2022-0006 “11021060909091-4-1.2.1 Фундаментальные и прикладные исследования в области литографических пределов полупроводниковых технологий и физико-химических процессов травления 3D нанометровых диэлектрических структур для развития критических технологий производства ЭКБ. Исследование и построение моделей и конструкций элементов микроэлектроники в расширенном диапазоне температур (от –60 до +300°С)”.

Список литературы

  1. Roosmalen J., Baggerman J.A.G., Brader H.S.J. Dry etching for VLSI. New-York: Plenum Press, 1991.

  2. Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 1. Process Technology, New York: Lattice Press, 2000.

  3. Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors, Tokyo: Springer International Publishing, 2015.

  4. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley & Sons Inc., 1994.

  5. Jansen H., Gardeniers H., de Boer M., Elwenspoek M., Fluitman J. A survey on the reactive ion etching of silicon in microtechnology // J. Micromech. Microeng. 1996. V. 6. P. 14–28.

  6. 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.

  7. Kay E., Coburn J., Dilks A. Plasma chemistry of fluorocarbons as related to plasma etching and plasma polymerization. In: Veprek S., Venugopalan M. (eds) Plasma Chemistry III. Topics in Current Chemistry. V. 94. Berlin, Heidelberg: Springer, 1980.

  8. Donnelly V.M., Kornblit A. Plasma etching: Yesterday, today, and tomorrow // J. Vac. Sci. Technol. 2013. V. 31. P. 050825–48.

  9. Muhle J., Ganesan A.L., Miller B.R. et al. Perfluorocarbons in the global atmosphere: tetrafluoromethane, hexafluoroethane, and octafluoropropane // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 5145–5164.

  10. Tran-Quinn T., Lakritz M. Unsaturated fluorocarbons in the etching process, environmental benefit, technical hurdles // Proceedings of 2008 IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference, Cambridge, USA, 5–7 May 2008, P. 37–42.

  11. Mocella M.T. PFC emission control options for plasma processing tools: A current Assessment // MRS Online Proceedings Library. 1996. V. 447. P. 29–34.

  12. Krishnan N., Smati R., Raoux S., Dornfeld D. Alternatives to reduce perfluorinated compound (PFC) emissions from semiconductor dielectric etch processes: Meeting environmental commitments while minimizing costs // Proceedings of IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, Boston, USA, 19–22 May, 2003, P. 19–24.

  13. Lim N., Cho Y.S., Efremov A., Kwon K.-H. Dry Etching Performance and Gas-Phase Parameters of C6F12O + Ar Plasma in Comparison with CF4 + Ar // Materials. 2021. V. 14. P. 1595 (1–16).

  14. 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 // Russian Microelectronics. 2020. V. 49, № 3. P. 157–165.

  15. 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 Process. 2020. V. 40. P. 1365–1380.

  16. Efremov A., Murin D., Kwon K.-H. Plasma parameters, densities of active species and etching kinetics in C4F8 + Ar gas mixture // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. № 2. P. 31–37.

  17. Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publishers, 2008.

  18. Li Y., Zhang X., Tian S., Xiao S., Li Y., Chen D. Insight into the decomposition mechanism of C6F12O–CO2 gas mixture // Chem. Eng. J. 2019. V. 360. P. 929–940.

  19. Zhang X., Tian S., Xiao S., Deng Z., Li Y., Tang J. Insulation Strength and Decomposition Characteristics of a C6F12O and N2 Gas Mixture // Energies. 2017. V. 10. P. 1170(1–11).

  20. Booth J.P., Sadeghi N. Oxygen and fluorine atom kinetics in electron cyclotron resonance plasmas by time-resolved actinometry // J. Appl. Phys. 1991. V. 70. P. 611–620.

  21. 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).

  22. Handbook of chemistry and physics. Boca Raton: CRC press, 1998.

  23. 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.

  24. Efremov A.M., Kim G.H., Kim J.G., Bogomolov A.V., Kim C.I. Applicability of self-consistent global model for characterization of inductively coupled Cl2 plasma // Vaccum. 2007. V. 81. № 5. P. 669–675.

  25. 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).

  26. 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 Process. 2017. V. 37. P. 1445–1462.

  27. 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.

  28. A Simple Sputter Yield Calculator. https://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/sputteryield (20.01.2022).

  29. 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 Process. 2014. V. 34. P. 239–257.

  30. Lee B.J., Efremov A., Kwon K.-H. Gas-phase chemistry and reactive-ion etching kinetics for silicon-based materials in C4F8 + O2 + Ar plasma // Plasma Processes and Polymers. 2021. V. 18. № 7. P. e2000249 (1–17).

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал