On the correctness of the model description of the plasma composition in the mixture of SF 6 + He + O 2

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A comprehensive (experimental and model) study of the composition of the neutral and charged components of SF 6 + He + O 2 plasma was carried out with varying He/O 2 ratio. Key processes that form stationary concentrations of fluorine and oxygen atoms under conditions of excess fluorine-containing particles were identified. It was shown that the corrected (refined based on the results of recent studies and supplemented with previously unaccounted for processes) kinetic scheme ensures satisfactory agreement between the calculated atomic concentrations and the values obtained from the results of optical-spectral diagnostics of the plasma.

About the authors

A. V. Myakonkikh

NRC “Kurchatov Institute” – K.A. Valiev IPT

Email: miakonkikh@ftian.ru
Moscow, Russia

V. O. Kuzmenko

NRC “Kurchatov Institute” – K.A. Valiev IPT

Moscow, Russia

A. M. Efremov

NRC “Kurchatov Institute” – K.A. Valiev IPT; JSC “Molecular Electronics Research Institute”

Moscow, Russia; Zelenograd, Russia

K. V. Rudenko

NRC “Kurchatov Institute” – K.A. Valiev IPT

Moscow, Russia

References

  1. Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 1. Process Technology, New York: Lattice Press, 2000. 416 p., ISBN: 9780961672164
  2. Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors, Tokyo: Springer International Publishing, 2015. 116 p., ISBN: 9783319102948
  3. Krasnikov G.Ya. The capabilities of microelectronic processes with 5 nm critical dimension and less (in Russian) // Nanoindustry. 2020. V. 13. No. S5-1(102). P. 13–19. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.5s.13.19
  4. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing, New York: John Wiley & Sons Inc., 2005. 757 p. ISBN: 9780471724247.
  5. 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 // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2004. V. 22. P. 53–60 . https://doi.org/10.1116/1.1626642
  6. Kastenmeier B.E.E., Matsuo P.J., Oehrlein G.S. Highly selective etching of silicon nitride over silicon and silicon dioxide // Journal of Vacuum Science & Technology A. 1999. V. 17. P. 3179 . https://doi.org/10.1116/1.582097
  7. Schaepkens M., Standaert T.E.F.M., Rueger N.R., Sebel P.G.M., Oehrlein G.S., Cook J.M. Study of the SiO 2 -to-Si 3 N 4 etch selectivity mechanism in inductively coupled fluorocarbon plasmas and a comparison with the SiO 2 -to-Si mechanism // Journal of Vacuum Science & Technology A. 1999. V. 17. P. 26–37.https://doi.org/10.1116/1.582108
  8. Yoon S.F. Dry etching of thermal SiO 2 using SF 6 -based plasma for VLSI fabrication // Microelectronic Engineering. 1991. V. 14. P. 23–40. https://doi.org/10.1016/0167-9317(91)90164-9
  9. Arora P., Nguyen T., Chawla A., Nam S.-K., Donnelly V.M. Role of sulfur in catalyzing fluorine atom fast etching of silicon with smooth surface morphology // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2019. V. 37. P. 061303. https://doi.org/10.1116/1.5125266
  10. Han G., Murata Y., Minami Y., Sohgawa M., Abe T. Thermal Reactive Ion Etching of Minor Metals with SF 6 Plasma // Sensors and Materials. 2017. V. 29. P. 217–223. https://doi.org/10.18494/SAM.2017.1444
  11. Park J. H., Lee N.-E., Lee J., Park J.S., Park H.D. Deep dry etching of borosilicate glass using SF 6 and SF 6 /Ar inductively coupled plasmas // Microelectronic Engineering. 2005. V. 82. p. 119 . https://doi.org/10.1016/j.mee.2005.07.006
  12. Osipov A.A., Aleksandrov S.E., Solov’ev Yu.V., Uva - rov A.A., Osipov A.A. Etching of SiC in Low Power Inductively-Coupled Plasma // Russian Microelectronics. 2018. V. 47. No. 6. P. 427–433 . https://doi.org/10.1134/S1063739719010074
  13. Oehrlein G.S. et al. Future of plasma etching for microelectronics: Challenges and opportunities // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2024. V. 42. P. 041501. https://doi.org/10.1116/6.0003579
  14. Osipov A.A., Iankevich G.A., Berezenko V.I, Endiiarova E.V. Influence of operation parameters on BOSCH-process technological characteristics // Materials Today: Proceedings. 2020. V. 30. P. 599. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.412
  15. Dussart R., Tillocher T., Lefaucheux P., Boufnichel M. Plasma cryogenic etching of silicon: from the early days to today’s advanced technologies // Journal of Physics D: Applied Physics. 2014. V. 47. p. 123001 . https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/12/123001
  16. Kokkoris G., Panagiotopoulos A., Goodyear A., Cooke M., Gogolides E. A global model for SF 6 plasmas coupling reaction kinetics in the gas phase and on the surface of the reactor walls // Journal of Physics D: Applied Physics. 2009. V. 42, P. 055209. https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/5/055209
  17. Haidar Y., Pateau A., Rhallabi A., Fernandez M.C., Mokrani A., Taher F., Roqueta F., Boufnichel M . SF 6 and C 4 F 8 global kinetic models coupled to sheath models // Plasma Sources Science and Technology. 2014. V. 23. P. 065037. https://doi.org/ 10.1088/0963-0252/23/6/065037
  18. Myakonkikh A.V., Kuzmenko V.O., Efremov A.M., Rudenko K.V. Gas Phase Composition and Kinetics of Fluorine Atoms in SF 6 Plasma // Russian Microelectronics. 2024. V. 53. P. 582–591. https://doi.org/10.1134/S106373972460064X
  19. Mao M., Wang Y.N., Bogaerts A. Numerical study of the plasma chemistry in inductively coupled SF 6 and SF 6 /Ar plasmas used for deep silicon etching applications // Journal of Physics D: Applied Physics. 2011. V. 44. p. 435202. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/43/435202
  20. Lallement L., Rhallabi A., Cardinaud C., Peignon-Fernandez M.C., Alves L. L. Global model and diagnostic of a low-pressure SF 6 /Ar inductively coupled plasmа // Plasma Sources Science and Technology. 2009. V. 18. P. 025001. https://doi.org/10.1088/0963-0252/18/2/025001
  21. Yang W., Zhao S.-X., Wen D.-Q., Liu W., Liu Y.-X., Li X.-C., Wang Y.-N. F-atom kinetics in SF 6 /Ar inductively coupled plasmas // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2016. V. 34, P. 031305. https://doi.org/10.1116/1.4945003
  22. Ryan K.R., Plumb I.C. A model for the etching of silicon in SF 6 /O 2 plasmas // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 1990. V. 10. No. 2. P. 207–229. https://doi.org/10.1007/BF01447127
  23. Pateau A., Rhallabi A., Fernandez M.-C., Boufnichel M., Roqueta F. Modeling of inductively coupled plasma SF 6 /O 2 /Ar plasma discharge: Effect of O 2 on the plasma kinetic properties // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2014. V. 32. P. 021303. https://doi.org/10.1116/1.4853675
  24. Efremov A., Lee J., Kim J. On the control of plasma parameters and active species kinetics in CF 4 +O 2 +Ar gas mixture by CF 4 /O 2 and O 2 /Ar mixing ratios // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2017. V. 37. P. 1445–1462 . https://doi.org/10.1007/s11090-017-9820-z
  25. 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, SiO 2 and Si x N y ) in multi-component fluorocarbon gas mixtures // Materials. 2021. V. 14, P. 1432. https://doi.org/10.3390/ma14061432
  26. Miakonkikh A., Kuzmenko V., Efremov A., Rudenko K. Parameters and composition of plasma in a CF 4 + H 2 + + Ar gas mixture: Effect of CF 4 /H 2 ratio // Russian Microelectronics. 2024. V. 53. P. 70–78. https://doi.org/10.1134/S1063739723600012
  27. Miakonkikh A., Kuzmenko V., Efremov A., Rudenko K. On Relationships between Gas-Phase and Heterogeneous Process Kinetics in CF 4 + H 2 + Ar Plasma // Vacuum. 2025. V. 234. P. 114044. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2025.114044
  28. Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Universal Publishers, Boca Raton. 2008. 245 p., ISBN: 9781599429359 .
  29. Engeln R., Klarenaar B., Guaitella O. Foundations of optical diagnostics in low-temperature plasmas // Plasma Sources Science and Technology. 2020. V. 29. P. 063001. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ab6880
  30. Lopaev D.V., Volynets A.V., Zyryanov S.M., Zotovich A.I., Rakhimov A.T. Actinometry of O, N and F atoms // Journal of Physics D: Applied Physics. 2017. V. 50. P. 075202. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/7/075202
  31. Raju G.G. Gaseous electronics. Tables, Atoms and Molecules. CRC Press, Boca Raton. 2012. 790 p. ISBN: 9781315217437 .
  32. Christophorou L.G., Olthoff J.K. Fundamental electron interactions with plasma processing gases, New York: Springer Science+Business Media LLC, 2004. 776 p. ISBN: 9781461347415 .
  33. Cunge G., Ramos R., Vempaire D., Touzeau M., Neijbauer M., Sadeghi N. Gas temperature measurement in CF 4 , SF 6 , O 2 , Cl 2 , and HBr inductively coupled plasmas // Journal of Vacuum Science & Technology. 2009. V. 27. P. 471. https://doi.org/10.1116/1.3106626
  34. Handbook of chemistry and physics, Boca Raton: CRC press, 1998. ISBN: ‎9780849304798
  35. Hsu C.C., Nierode M.A., Coburn J.W., Graves D.B. Comparison of model and experiment for Ar, Ar/O 2 and Ar/O 2 /Cl 2 inductively coupled plasmas // Journal of Physics D: Applied Physics. 2006. V. 39. No. 15. P. 3272–3284. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/15/009
  36. Lee C., Lieberman M.A. Global model of Ar, O 2 , Cl 2 , and Ar/O 2 high-density plasma discharges // Journal of Vacuum Science & Technology A. 1995. V. 13. P. 368–380. https://doi.org/10.1116/1.579366
  37. Kota G.P., Coburn J.W., Graves D.B. Heterogeneous recombination of atomic bromine and fluorine // Journal of Vacuum Science & Technology A. 1999. V. 17. P. 282. https://doi.org/10.1116/1.581582
  38. Chantry P.J. A simple formula for diffusion calculations involving wall reflection and low density // Journal of Physics. 1987. V. 62. P. 1141. https://doi.org/10.1063/1.339662

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».