Параметры плазмы и кинетика травления Si/SiO₂ в смесях фторуглеродных газов с аргоном и гелием

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

Фторуглеродные газы с общей формулой C_xH_yF_z широко используются в технологии интегральной микроэлектроники для очистки и создания технологического рельефа на поверхности кремния и его соединений [1–3]. Основным инструментом при проведении таких операция является реактивно-ионное травление (РИТ) в реакторах индуктивно-связанной плазмы, допускающих независимое регулирование концентраций активных частиц и энергии ионной бомбардировки [4, 5]. Это обуславливает широкие возможности адаптации выходных парамеров РИТ (скорости, селективности по отношению к материалу маски, анизотропии профиля травления) под требования конкретного процесса. Известно также, что выходные параметры РИТ зависят от полимеризационной способности фторуглеродного газа, определяемой отношением $z/x$ в его молекуле [5–7]. В частности, низкая полимеризационная способность плазмы CF₄ ($z/x$ = 4) обуславливает высокие скорости процесса (из-за малой толщины или островковой структуры полимерной пленки на подвергаемой травлению поверхности), но существенно ограничивает возможности РИТ в плане анизотропии травления и селективности в паре SiO₂/Si [5, 6]. Напротив, в плазме C₄F₈ ( = 2) формируется толстая сплошная полимерная пленка, которая приводит к снижению потока атомов фтора на границе полимер/обрабатываемая поверхность. Результатом являются низкие скорости травления, но высокие значения анизотропии процесса (из-за маскирования полимером боковых стенок формируемого рельефа) [4–6] и селективности в паре SiO₂/Si (из-за меньшей толщины полимерной пленки на поверхности диоксида кремния) [7–9]. Таким образом, выбор фторуглеродного газа для целей конкретного процесса зависит от того, какой из выходных параметров РИТ является наиболее критичным.

Характерной чертой современной технологии РИТ является использование бинарных плазмообразующих смесей, комбинирующих фторуглеродный газ с инертной добавкой, например — с аргоном. Роль последнего заключается в стабилизации плазмы, а также в усилении ионной составляющей РИТ за счет увлечения интенсивности ионной бомбардировки. Так как в отсутствии кислорода именно ионная бомбардировка обеспечивает разрушение фторуглеродной полимерной пленки на обрабатываемой поверхности, начальный состав смеси является действенным инструментом регулирования полимеризационной способности плазмы [10, 11] и выходных параметров РИТ. По этой причине имеется достаточное количество работ, посвящённых исследованию физико-химических свойств плазмы в смесях CF₄ + + Ar, CHF₃ + Ar и C₄F₈ + Ar [10–16]. По результатам этих работ а) выявлены механизмы влияния аргона на параметры электронной и ионной компонент плазмы; б) определены ключевые плазмохимические процессы, формирующие стационарные концентрации активных частиц; и в) установлены взаимосвязи между начальным составом смеси и кинетикой РИТ различных материалов. В качестве важного результата этих работ можно отметить также создание системы отслеживающих параметров, позволяющих прогнозировать изменение баланса «травление/полимеризация» основываясь только на характеристиках газовой фазы.

В последнее время появилось несколько работ, наглядно показывающих, что замещение аргона на гелий в смеси CF₄ + C₄F₈ + Ar + He при одновременном увеличении энергии ионной бомбардировки способствует существенному увеличению анизотропии травления SiO₂ [17, 18]. Очевидно, что природа этого эффекта может быть связана с несколько иным (по сравнению с аргоном) влиянием гелия как на концентрации активных частиц (через электрофизические параметры плазмы и скорости реакций под действием электронном удара), так и на кинетику процесса травления (через изменение полимеризационной способности плазмы и/или отношения плотностей потоков нейтральных и заряженных частиц). К сожалению, немногочисленные исследования смесей фторуглеродных газов с гелием касаются лишь тетрафторметана [19–21], при этом сравнение наблюдаемых эффектов с аналогичными свойствами смесей с аргоном отсутствует. Соответственно, отсутствует и понимание механизмов процессов, определяющих особенности применения He-содержащих смесей в технологии РИТ.

С учетом вышесказанного, целью данной работы являлось сравнительное исследование плазмы смесей CF₄ + Ar/He, CHF₃ + Ar/He и C₄F₈ + Ar/He, начальный состав которых варьировался за счет измерения соотношения концентраций инертных газов. Основное внимание было уделено а) диагностике плазмы для получения данных по концентрациям и плотностям потоков активных частиц на обрабатываемую поверхность; и б) анализу кинетики и механизмов РИТ кремния в приближении эффективной вероятности взаимодействия. Данная величина представляет собой отношение химической составляющей скорости РИТ к плотности потока атомов фтора, при этом характер ее зависимости от условий возбуждения плазмы при постоянной температуре поверхности позволяет эффективно выявлять сторонние факторы, влияющие на кинетику гетерогенной химической реакции [15, 16].

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты проводились при возбуждении индукционного ВЧ (13.56 МГц) разряда в реакторе планарного типа с цилиндрической (r = 13 см, l = 16 см) рабочей камерой из анодированного алюминия [15, 16]. В качестве постоянных входных параметров выступали общий расход плазмообразующего газа (q = 40 станд. см³/мин), его рабочее давление (p = 6 мтор), вкладываемая мощность (W = 700 Вт, что соответствовало плотности мощности ~ 0.7 Вт/см³) и мощность смещения ($W_{dc}$ = 200 Вт). Варьируемым параметром являлось соотношение концентраций инертных газов в смесях CF₄ + Ar + He, CHF₃ + Ar + He и C₄F₈ + Ar + He при постоянном содержании фторуглеродных компонентов. В частности, парциальные расходы CF₄, CHF₃ или C₄F₈ всегда составляли 20 станд. см³/мин, что отвечало постоянной доле этих газов, равной 50%. Соответственно, варьирование $q_{He}$ в диапазоне 0–18 станд. см³/мин обеспечивало увеличение доли гелия $y_{He}=q_{He}/q$ до 48% за счет пропорционального снижения $y_{Ar}$ до 2%. Остаточный аргон был необходим для измерения концентрации атомов фтора оптико-спектральным методом.

Для получения информации по влиянию состава плазмообразующего газа на параметры электронной и ионной компонент плазмы был задействован двойной зонд Лангмюра DLP2000 (Plasmart Inc., Korea). Обработка зондовых вольт-амперных характеристик (ВАХ) проводилась с использованием известных положений зондовой теории для разрядов низкого давления в предположениях о Максвелловской функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) и бесстолкновительном пробеге ионов в пределах двойного электрического слоя у поверхности зонда [5, 21]. В результате обработки ВАХ получали данные по температуре электронов (T_e) и плотности ионного тока на зонд ($J_{+}$). Для минимизации погрешности измерений из-за полимеробразования на зондах были задействованы а) импульсная очистка рабочей поверхности зондов ионной бомбардировкой; и б) кондиционирование зондов в плазме 50% Ar + 50% O₂ в течение ~ 2 мин перед каждым измерением. Эффективность очистки подтверждалась отсутствием принципиальных различий зондовых ВАХ, измеряемых в независимых экспериментах при идентичных условиях возбуждения плазмы.

Для получения информации по влиянию состава плазмообразующего газа на концентрацию атомов фтора в плазме использовался метод оптической эмиссионной спектроскопия в варианте актинометрии. В экспериментах использовалась известная аналитическая пара F 703.8 нм/Ar 750.4 нм, которая характеризуется а) отсутствием ступенчатых и/или диссоциативных механизмов заселения возбужденных состояний; и б) низкими временами жизни возбужденных атомов, что позволяет пренебречь процессами не излучательной релаксации [22]. Расчеты концентраций атомов фтора проводили по соотношению

$n_F=y_{Ar}{N}_0{C}_{Ar}^F\frac{I_F}{I_{Ar}}$, (1)

где I — интенсивности излучения, измеренные с помощью спектрометра AvaSpec-3648 (JinYoung Tech, Korea); $N_0=p/k_B{T}_{gas}$ — общая концентрация частиц в реакторе при данной температуре газа, T_gas; и $C_{Ar}^F$ — актинометрический коэффициент, определяемый отношением констант возбуждения и вероятностей соответствующих оптических переходов [22, 23]. В работе [22] было показано также, что $C_{Ar}^F$ ≈ 2 в диапазоне $T_e$ = 2–6 эВ, при этом концентрации атомов фтора, найденные по ур. (1), хорошо согласуются с результатами масс-спектральных измерений.

Подвергаемые травлению образцы представляли собой фрагменты окисленных и не окисленных пластин Si(100) размером ~ 2 × 2 см, поверхность которых была частично маскирована фоторезистом толщиной ~ 1.5 мкм. Образцы располагались в центральной части нижнего электрода, температура которого стабилизировалась на уровне 20 ± 3 ^оС с помощью системы водяного охлаждения. Величину отрицательного смещения на нижнем электроде, $-U_{dc}$, измеряли высоковольтным зондом AMN-CTR (Youngsin Eng, Korea). Высоту ступеньки травления h определяли с помощью профилометра Alpha-step D-500 (KLA-Tencor, USA). В предварительных экспериментах было найдено, что а) время травления τ < 2 мин всегда обеспечивает квазистационарный процесс, характеризующийся линейной зависимостью ∆h = f(τ); и б) увеличение площади обрабатываемой поверхности (числа одновременно загружаемых образцов) не приводит к снижению скорости травления ∆R = h/τ и не сопровождается заметными возмущениями электрофизических параметров плазмы. Таким образом, реализуемый в наших условиях режим травления однозначно отражает кинетику гетерогенных процессов на обрабатываемой поверхности и характеризуется пренебрежимо малым влиянием продуктов травления на параметры газовой фазы.

Анализ кинетики травления базировался результатах многочисленных (в том числе — наших) работ по исследованию механизмов реактивно-ионных процессов в плазме фторуглеродных газов [7–9, 15, 16, 24]. В частности, полагалось, что

1) Наблюдаемая скорость травления $R_{Si}$ или $R_{Si{O}_2}$ может быть представлена как сумма скоростей физического распыления ($R_{phys}$) и ионно-стимулированной химической реакции ($R_{chem}$).

2) Скорость физического распыления $R_{phys}=Y_S{\Gamma }_{+}$, где $Y_S=f\left({\epsilon }_i\right)$ — коэффициент распыления (атом/ион) [5, 24, 25], ${\epsilon }_i\approx e\left|-U_{dc}\right|$ — энергия бомбардирующих ионов, а ${Г}_{+}\approx J_{+}/e$ — плотность их потока на обрабатываемую поверхность. Относительное изменение $R_{phys}$ (равно как и скорости любого другого ионно-стимулированного процесса) при варьировании условий возбуждения плазмы может быть отслежено параметром $\sqrt{M_i{\epsilon }_i}{Г}_{+}$, где $M_i$ — эффективная масса ионов [14–16].

3) Скорость ионно-стимулированной химической реакции $R_{chem}={\gamma }_R{Г}_F$, где ${\gamma }_R$ — эффективная вероятность взаимодействия, а ${Г}_F\approx 0.25n_F\sqrt{8R{T}_{gus}/\pi M_F}$ — плотность потока атомов фтора. В условиях постоянства температуры образца (что в полной мере соответствует условиям наших экспериментов) величина ${\gamma }_R$ представляет совокупный эффект сторонних факторов, ускоряющих или ингибирующих реакцию. Одним их таких фактором, влияющим на ${\gamma }_R$ в плазме фторуглеродных газов, является толщина полимерной пленки $h_{pol}$. Так, сплошная толстая пленка затрудняет доступ атомов фтора к обрабатываемой поверхности, при этом выполняются условия ${Г}_F^{\text{'}}$ < < ${Г}_F$ и ${Г}_F^{\text{'}}=f\left(h_{pol}\right)$, где ${Г}_F^{\text{'}}$ — плотность потока атомов фтора на границе пленка/Si.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

По результатам предшествующих работ [4, 5, 26, 27] можно заключить, что совокупность выходных параметров РИТ для данной комбинации «материал поверхности/активный газ» формируется действием нескольких факторов, а именно а) концентрациями активных частиц в объеме плазмы; б) кинетическими характеристиками их взаимодействия с материалом поверхности; и в) дополнительными механизмами, активирующими или ингибирующими целевой гетерогенный процесс через влияние на его вероятность, константу скорости и т. д. Так как эти эффекты также инициируются потоками активных частиц, приходящими из объема плазмы, анализ кинетики и понимание механизма травления требуют выявления взаимосвязей между условиями проведения РИТ и физико-химическими параметрами плазмы, определяющими ее стационарный состав.

В серии предшествующих работ [10, 11, 15, 16, 28] мы провели сравнительные исследования электрофизических параметров и состава плазмы CF₄, CHF₃ и C₄F₈ в смесях с аргоном. Было показано, что добавка аргона а) влияет на кинетику процессов при электронном ударе через изменение электрофизических параметров плазмы (температуры и концентрации электронов); б) увеличивает интенсивность ионной бомбардировки обрабатываемой поверхности; и в) снижает толщину фторуглеродной полимерной пленки, что приводит росту вероятности гетерогенного взаимодействия атомов фтора. В сочетании со снижением концентрации атомов фтора, последний эффект часто приводит к немонотонной (с максимумом) зависимости скорости травления от состава смеси [15]. Еще одним важным выводом, имеющим принципиальное значение для данной работы, является отсутствие общности механизмов, определяющих стационарные концентрации атомов фтора. Так, основными каналами генерации атомов фтора в плазме CF₄ являются реакции R1: CF_x + e → CF_x-1 + F + e и R2: CF_x + e → CF_x-1⁺ + F + 2e, при этом гибель атомов обеспечивается гетерогенными процессами R3: CF_x + F → CF_x+1 и R4: 2F → F₂. Так как константы скоростей (вероятности) R3 и R4 практически не зависят от состава смеси и условий возбуждения плазмы, поведение концентрации атомов фтора полностью определяется кинетикой R1 (x = 4, 3) и R2 (x = 4). Напротив, гибель атомов фтора в плазме CHF₃ происходит преимущественно в объёме, в реакциях вида R5: CHF_x + F → CF_x + HF. Соответственно, совокупный эффект от R5 и R6: CHF_x + H → CHF_x-1 + HF обеспечивает высокие степени диссоциации трифторметана и доминирование HF над другими компонентами газовой фазы. Аналогичная ситуация имеет место и в плазме C₄F₈, где скорость гибели атомов фтора в объемном процессе R7: F + C₂F₄ → CF₂ + CF₃ превышает сумму скоростей R3 и R4. Поэтому смеси CHF₃ + Ar и C₄F₈ + Ar отличаются более низкими, по сравнению с CF₄ + Ar, концентрациями атомов фтора при сравнимых скоростях образования этих частиц в процессах электронного удара.

На рис. 1 представлены экспериментальные данные, иллюстрирующие изменение параметров электронной и ионной компонент плазмы при замещении аргона на гелий. Эти результаты могут быть обобщены в виде следующих заключений:

− Температура электронов (рис. 1(а)) и плотность ионного тока (рис. 1(б)) монотонно снижаются с ростом гелия в смеси, при этом характер изменения этих величин качественно близок для всех трех смесей. Очевидной общей причиной здесь является высокая пороговая энергия и низкая константа скорости реакции R8: He + e → He⁺ + 2e (19.1 эВ и 2.7×10^–12 см³/с при T_e = 3 эВ) по сравнению с аналогичными значениями для R9: Ar + e → Ar⁺ + 2e (≈15.8 эВ и 2.5×10^–10 см³/с при T_e = 3 эВ). Таким образом, замещение аргона на гелий обогащает газовую фазу трудноионизуемыми частицами и уменьшает эффективность ионизации, что приводит к снижению концентраций электронов и положительных ионов. Данный факт подтверждается изменением величины $J_{+}$, которое является более резким по сравнению с $\sqrt{T_e}$. Логично предположить также, что следствием снижения концентрации электронов является уменьшение степеней диссоциации молекулярных компонентов плазмы, приводящее к росту доли крупных многоатомных частиц среди продуктов плазмохимических реакций. Соответственно, имеет место увеличение интегральных потерь энергии электронов в процессах упругого и неупругого взаимодействия с частицами газа, приводящее к снижению средней энергии (температуры) электронов.

− Величина отрицательного смещения (рис. 1(с)) заметно возрастает с ростом доли гелия в смеси, что соответствует аналогичному изменению энергии ионной бомбардировки в условиях $W_{dc}$ = const. Причиной этого является снижение потока положительных ионов, частично компенсирующего избыточный отрицательный заряд на нижнем электроде. Кроме этого, увеличение $y_{He}$ не приводит к пропорциональному росту доли He⁺ в составе ионной компоненты плазмы в силу k₈ << k₂. В результате, как можно видеть из рис. 1(г), противоположные изменения энергии и плотности потока ионов на фоне M_i ≈ const обуславливают $\sqrt{M_i{\epsilon }_i}{Г}_{+}$ ≈ const. Фактически это означает, что замещение аргона на гелий не оказывает заметного влияния на интенсивность ионной бомбардировки обрабатываемой поверхности.

Рис. 1. Температура электронов (а), плотность ионного тока (б), отрицательное смещение на обрабатываемой поверхности (в) и параметр , отслеживающий изменение интенсивности ионной бомбардировки (г), в смесях CF₄ + Ar/He, CHF₃ + Ar/He и C₄F₈ + Ar/He в зависимости от содержания гелия в плазмообразующем газе.

На рис. 2(а, б) показано влияние начального состава смесей на интенсивности излучения линий Ar 750.4 нм и F 703.8 нм. Очевидно, что характер зависимостей $I=f\left(y_{He}\right)$ не отражает поведения концентраций соответствующих частиц по причине непостоянства параметров электронной компоненты плазмы. Отношения интенсивностей излучения (рис. 2(в)), а также результаты расчета абсолютных концентраций по ур. (1) (рис. 2(г)) позволяют заключить, что а) кинетика атомов фтора в смеси на основе CF₄ заметно отличается от таковой в двух других смесях; и б) увеличение $y_{He}$ всегда вызывает снижение концентрации атомов фтора. По нашему мнению, резкая зависимость $n_F=f\left(y_{He}\right)$ в плазме CF₄ + Ar + He (в 3.6 раза при 0–48% He) отражает аналогичное изменение скорости образования атомов в реакциях R1 и R2, обусловленное одновременным снижением констант скоростей и концентрации электронов. Хотя аналогичный эффект характерен и для двух других смесей, его действие частично нивелируется изменением кинетики гибели атомов. Так, особенностью плазмы CHF₃ является то, что константы скоростей реакций в группе R5 уменьшаются более чем на порядок величины в ряду CHF — CHF₂ — CHF₃ [30]. Поэтому снижение степени диссоциации исходных молекул с ростом $y_{He}$ сопровождается снижением и эффективной частоты гибели атомов. Можно предположить, что в смеси на основе C₄F₈ подобный эффект может быть связан с изменением частоты гибели атомов фтора в R7. Косвенным подтверждением этого могут служить результаты моделирования плазмы C₄F₈, показывающие уменьшение концентрации C₂F₄ при одновременном снижении температуры и концентрации электронов [31].

Рис. 2. Интенсивности излучения аналитических линий (а, б, в) и концентрации атомов фтора (г) в смесях CF₄ + Ar/He, CHF₃ + Ar/He и C₄F₈ + Ar/He в зависимости от содержания гелия в плазмообразующем газе.

На рис. 3 (а, в, д) показано как содержание гелия в смеси влияет на скорости травления Si и SiO₂ в условиях постоянства давления газа и вкладываемой мощности. Можно видеть, что максимальная скорость и минимальная селективность травления ожидаемо наблюдаются в смеси на основе тетрафторметана, которая отличается a) максимальной концентрацией атомов фтора (рис. 2(д)); и б) минимальной полимеризационной способностью в силу максимального значения $z/x$. Последний факт неоднократно подтверждался в работах по экспериментальному исследования и моделированию плазмы различных фторуглеродных газов [8–10]. Монотонное снижение скоростей травления с ростом $y_{He}$ во всех трех смесях не согласуется с постоянством интенсивности ионной бомбардировки (рис. 1(г)), но качественно отслеживает изменение концентрации (рис. 2(г)) и плотности потока атомов фтора. Данный факт косвенно свидетельствует о протекании процесса травления в режиме лимитирования потоком нейтральных частиц. Для получения дополнительной информации по механизму травления мы провели оценку скоростей физического распыления $R_{phys}$ ($Y_S$ ≈ 0.18–0.39 атом/ион для Si и 0.20–0.43 атом/ион для SiO₂ при ${\epsilon }_i$ = 200–400 эВ) и определили химическую составляющую скорости для каждого из материалов как $R_{chem}=R-R_{phys}$. На основании полученных данных можно заключить, что а) величина $R_{chem}$ всегда составляет не менее 50% от наблюдаемой скорости травления и формирует характер ее зависимости от начального состава смеси; б) замещение аргона на гелий снижает как абсолютную величину $R_{chem}$, так и ее вклад в суммарную скорость травления, что в условиях $R_{phys}$ ≈ const полностью согласуется с изменением плотности потока атомов фтора; и в) правило $R_{chem, Si}$ > $R_{chem, Si{O}_2}$ справедливо лишь для плазмы тетрафторметана. Последний факт адекватно отражает различия в скоростях спонтанной и ионно-стимулированной химической реакции в условиях тонкой сплошной или дискретной полимерной пленки, которая даже при $h_{pol, Si}$ > $h_{pol,Si{O}_2}$ обеспечивает практически одинаковый доступ атомов фтора к поверхности Si и SiO₂. Расчеты эффективной вероятности гетерогенной химической реакции ${\gamma }_R=R_{chem}/{Г}_F$ показали, что данная величина заметно возрастает в плазме CF₄ + Ar + He (рис. 3(б)), но сохраняет близкие к постоянным значения при замещении аргона на гелий в системах CHF₃ + Ar + He (Рис. 3(г)) и C₄F₈ + Ar + He (рис. 3(е)). Анализ этих различий на основе простейшего механизма, включающего стадии адсорбции атомов фтора на поверхности кремния R10: F → F(s.), собственно химической реакции R11: Si(s.) + xF(s.) → SiF_x(s.) и десорбции продуктов в газовую фазу R12: SiF_x(s.) → SiF_x, приводит к следующим заключениям:

− Монотонный рост ${\gamma }_R$ в плазме CF₄ + Ar + He определенно не может быть вызван ионной и/или термической активацией R11 и R12. Причинами этого являются а) постоянство температуры образца и интенсивности ионной бомбардировки его поверхности; б) беспороговый характер R11; и в) высокая летучесть SiF₄ (как основного продукта R11), обеспечивающая доминирование спонтанного характера R12 над ионно-стимулированным. По нашему мнению, наиболее реалистичным механизмом здесь является ингибирование скорости высаживания и снижение количества остаточного полимера, вызванное аналогичным изменением концентрации полимеробразующих радикалов CF_x (x = 1, 2) в объеме плазмы. Как уже отмечалось выше, этому способствует снижение степени диссоциации исходных молекул тетрафторметана из-за одновременного снижения температуры и концентрации электронов. В результате, имеет место интенсификации R11 за счет перехода к дискретной (островковой) структуре пленки и увеличения доли “чистой” (свободной от полимера) поверхности, способной хемосорбировать атомы фтора.

− Близкие к постоянным значения ${\gamma }_R$ в плазме CHF₃ + Ar + He и C₄F₈ + Ar + He обусловлены, вероятно, наличием толстой сплошной пленки, лимитирующей транспорт атомов фтора к обрабатываемой поверхности в режиме насыщения [8, 9]. Особенностью последнего является то, что изменение $h_{pol}$ как в большую, так и в меньшую (в определенных пределах) сторону не влияет на величину соотношения ${Г}_F/{Г}_F^{\text{'}}$. Таким образом, снижение скорости полимеризации, ожидаемое по аналогии с плазмой тетрафторметана, не оказывает влияния на интегральную эффективность R10 и R11.

Рис. 3. Скорость травления (а, в, д) и эффективная вероятность гетерогенной химической реакции (б, г, е) в смесях CF₄ + Ar/He, CHF₃ + Ar/He и C₄F₈ + Ar/He в зависимости от содержания гелия в плазмообразующем газе. Пунктирные линии на рис. а), в) и д) представляют химическую составляющую скорости травления.

Косвенным подтверждением предложенных механизмов является тот факт, что во всех трех смесях замещения аргона на гелий не приводит к заметным изменениям селективности травления в паре SiO₂/Si. Очевидно, что причиной этого является отсутствие различий величин ${Г}_F/{Г}_F^{\text{'}}$ на поверхности Si и SiO₂, обусловленное либо практически полным отсутствием полимерной пленки (в плазме CF₄ + Ar + He), либо ее большой толщиной (в плазме CHF₃ + Ar + He и C₄F₈ + Ar + He). В то же время, окончательное выяснение данного вопроса требует, как минимум, прямых измерений толщин полимерных пленок, а также выявления корреляции между величиной  и содержанием гелия в смеси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовано влияние соотношения инертных газов в смесях CF₄ + Ar/He, CHF₃ + Ar/He и C₄F₈ + Ar/He на параметры плазмы и кинетику реактивно-ионного травления Si и SiO₂ в условиях индукционного ВЧ (13.56 МГц) разряда. При совместном использовании методов зондовой и оптико-спектральной диагностики плазмы установлено, что замещение Ar на He а) снижает концентрацию и температуру электронов (за счет аналогичного изменения суммарной скорости ионизации и роста потерь энергии в столкновениях с молекулярными частицами); б) уменьшает концентрацию атомов фтора (за счет уменьшения эффективности диссоциации фторуглеродных частиц электронным ударом); и с) практически не влияет на интенсивность ионной бомбардировки обрабатываемой поверхности (из-за противоположных изменений плотности потока ионов и их энергии при постоянной мощности смещения). Показано, что доминирующим механизмом травления Si и SiO₂ во всех трех смесях является гетерогенная химическая реакция, скорость которой следует изменению концентрации атомов фтора. Эффективная вероятность этой реакции ${\gamma }_R$ при любом фиксированном составе смесей а) всегда выше для Si; и б) демонстрирует сближение значений для Si и SiO₂ в ряду CF₄ — CHF₃ — C₄F₈. Последний эффект закономерно отражает известные особенности кинетики реактивно-ионного травления в фторуглеродной плазме. Установлено, что увеличение доли гелия в плазмообразующей смеси приводит к росту ${\gamma }_R$ в плазме CF₄, но сопровождается ${\gamma }_R$ ≈ const в смесях на основе CHF₃ и C₄F₈. Такие различия формально согласуются c изменениями скорости осаждения и толщины полимерной пленки, ожидаемыми по результатам диагностики плазмы.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Публикация выполнена в рамках государственного задания ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН (Проведение фундаментальных научных исследований (47 ГП)) по теме “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 –60С до +300С). (FNEF-2024–0004)”.

Об авторах

А. М. Ефремов

Автор, ответственный за переписку.
Email: amefremov@mail.ru
Россия, Зеленоград

В. Б. Бетелин

Email: amefremov@mail.ru
Россия, Москва

K. -H. Kwon

Email: amefremov@mail.ru
Республика Корея, Sejong 339-700

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Температура электронов (а), плотность ионного тока (б), отрицательное смещение на обрабатываемой поверхности (в) и параметр , отслеживающий изменение интенсивности ионной бомбардировки (г), в смесях CF4 + Ar/He, CHF3 + Ar/He и C4F8 + Ar/He в зависимости от содержания гелия в плазмообразующем газе.

Скачать (216KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Интенсивности излучения аналитических линий (а, б, в) и концентрации атомов фтора (г) в смесях CF4 + + Ar/He, CHF3 + Ar/He и C4F8 + Ar/He в зависимости от содержания гелия в плазмообразующем газе.

Скачать (199KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Скорость травления (а, в, д) и эффективная вероятность гетерогенной химической реакции (б, г, е) в смесях CF4 + Ar/He, CHF3 + Ar/He и C4F8 + Ar/He в зависимости от содержания гелия в плазмообразующем газе. Пунктирные линии на рис. а), в) и д) представляют химическую составляющую скорости травления.

Скачать (317KB)

Метаданные