Plasma Parameters and Kinetics of Reactive Ion Etching of SiO2 and Si3N4 in an HBr/Cl2/Ar Mixture

A. M. Efremov; Ефремов А. М.; V. B. Betelin; Бетелин В. Б.; K.-H. Kwon; Kwon K.-H.

doi:10.31857/S0544126923700217

Параметры плазмы и кинетика реактивно-ионного травления SiO₂ и Si₃N₄ в смеси HBr/Cl₂/Ar

Авторы: Ефремов А.М.¹, Бетелин В.Б.², Kwon K.³
Учреждения:
1. ФГБОУ ВО “Ивановский государственный химико-технологический университет”
2. ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН
3. Korea University
Выпуск: Том 52, № 2 (2023)
Страницы: 152-159
Раздел: ТЕХНОЛОГИЯ
URL: https://journals.rcsi.science/0544-1269/article/view/138496
DOI: https://doi.org/10.31857/S0544126923700217
EDN: https://elibrary.ru/PYKANE
ID: 138496

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Проведено исследование параметров газовой фазы и кинетики реактивно-ионного травления SiO₂ и Si₃N₄ в условиях индукционного ВЧ (13.56 МГц) разряда при варьировании соотношения HBr/Cl₂. Схема исследования включала диагностику плазмы зондами Ленгмюра, моделирование плазмы с целью нахождения стационарных концентраций активных частиц, а также измерение скоростей и анализ механизмов травления в приближении эффективной вероятности взаимодействия. Установлено, что замещение HBr на Cl₂ при постоянном содержании аргона: а) сопровождается заметным изменением электрофизических параметров плазмы; б) приводит к слабому росту интенсивности ионной бомбардировки обрабатываемой поверхности; и в) вызывает значительное увеличение суммарной концентрации и плотности потока химически активных частиц. Показано, что скорости травления SiO₂ и Si₃N₄ монотонно возрастают с ростом доли Cl₂ в смеси, при этом основным механизмом травления является ионно-стимулированная химическая реакция. Модельное описание кинетики такой реакции в первом приближении предполагает а) аддитивный вклад атомов брома и хлора; и б) прямо-пропорциональную зависимость их эффективных вероятностей взаимодействия от интенсивности ионной бомбардировки. Предположено существование дополнительного канала гетерогенного взаимодействия с участием молекул HCl.

Ключевые слова

HBr, Cl₂, параметры плазмы, активные частицы, ионизация, диссоциация, травление, кинетика, механизм

Список литературы

Advanced plasma processing technology. New York: John Wiley & Sons Inc., 2008. 479 p.
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 International Publishing, 2015. 116 p.
Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley & Sons Inc., 2005. 730 p.
Roosmalen J., Baggerman J.A.G., H. Brader S.J. Dry etching for VLSI, New-York: Plenum Press, 1991. 345 p.
Jin W., Vitale S.A., Sawin H.H. Plasma-surface kinetics and simulation of feature profile evolution in Cl2 + HBr etching of polysilicon // J. Vac. Sci. Technol. 2002. V. 20. P. 2106–2114.
Vitale S.A., Chae H., Sawin H.H. Silicon etching yields in F2, Cl2, Br2, and HBr high density plasmas // J. Vac. Sci. Technol. 2001. V. 19. P. 2197–2206.
Cheng C.C., Guinn K.V., Herman I.P., Donnelly V.M. Competitive halogenation of silicon surfaces in HBr/Cl2 plasmas studied with xray photoelectron spectroscopy and in situ, realtime, pulsed laserinduced thermal desorption // J. Vac. Sci. Technol. A. 1995. V. 13. P. 1970–1976.
Lim N., Efremov A., Kwon K.-H. Comparative Study of Cl2 + O2 and HBr + O2 Plasma Chemistries in Respect to Silicon Reactive-Ion Etching Process // Vacuum. 2021. V. 186. P. 110043(1–10).
Efremov A.M., Betelin V.B., Kwon K.-H. Kinetics and Mechanisms of Reactive-Ion Etching of Si and SiO2 in a Plasma of a Mixture of HBr + O2 // Russian Microelectronics. 2020. V. 49. № 6. P. 403–408.
Efremov A., Lee J., Kwon K.-H. A comparative study of CF4, Cl2 and HBr + Ar inductively coupled plasmas for dry etching applications // Thin Solid Films. 2017. V. 629. P. 39–48.
Efremov A.M., Murin D.B., Betelin V.B., Kwon K.-H. Special Aspects of the Kinetics of Reactive Ion Etching of SiO2 in Fluorine-, Chlorine-, and Bromine-Containing Plasma // Russian Microelectronics. 2020. V. 49. № 2. P. 94–102.
Shun’ko E.V. Langmuir Probe in Theory and Practice, Boca Raton: Universal Publishers, 2008. 230 p.
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).
Efremov A., Kim Y., Lee H.W., Kwon K.H. A comparative study of HBr-Ar and HBr–Cl2 plasma chemistries for dry etch applications // Plasma Chem. Plasma Proc. 2011. V. 31. № 2. P. 259–271.
Kota G.P., Coburn J.W., Graves D.B. Heterogeneous recombination of atomic bromine and fluorine // J. Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. № 1. P. 282–290.
Kota G.P., Coburn J.W., Graves D.B. The recombination of chlorine atoms at surfaces // J. Vac. Sci. Technol. A. 1998. V. 16. № 1. P. 270–277.
Efremov A.M., Kim G.H., Kim J.G., Bogomolov A.V., Kim C.I. On the applicability of self-consistent global model for the characterization of Cl2/Ar inductively coupled plasma // Microelectron. Eng. 2007. V. 84. P. 136–143.
Efremov A., Choi B.-G., Nahm S., Lee H.W., Min N.-K., Kwon K.-H. Plasma Parameters and Active Species Kinetics in an Inductively Coupled HBr Plasma // J. Korean Phys. Soc. 2008. V. 52. P. 48–55.
NIST Chemical Kinetics Database. http://kinetics. nist.gov/kinetics/ (20.11.2022)
Kwon K.-H., Efremov A., Kim M., Min N.K., Jeong J., Kim K. A Model-Based Analysis of Plasma Parameters and Composition in HBr/X (X=Ar, He, N2) Inductively Coupled Plasmas // J. Electrochem. Soc. 2010. V. 157. № 5. P. H574–H579.
Smirnov A.A., Efremov A.M., Svettsov V.I. Effect of Additions of Ar and He on the Parameters and Composition of the HBr Plasma // Russian Microelectronics. 2010. V. 39. № 5. P. 366–375.
Efremov A., Min N.K., Choi B.G., Baek K.H., Kwon K.-H. Model-Based Analysis of Plasma Parameters and Active Species Kinetics in Cl2/X (X=Ar, He, N2) Inductively Coupled Plasmas // J. Electrochem. Soc. 2008. V. 155. № 12. P. D777–D782.
Malyshev M.V., Donnelly V.M., Kornblit A., Ciampa N.A. Percent dissociation of Cl2 in inductively coupled chlorine-containing plasmas // J. Appl. Phys. 1998. V. 84. P. 137–141.
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. № 4. P. 1243–1257.
Seah M.P., Nunney T.S. Sputtering yields of compounds using argon ions // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V. 43. № 25. P. 253001(1–24).
Dominguez C., Pastor G., Dominguez E. Low pressure chemical etching of silicon by HCl/Cl2 gas mixture // J. Electrochem. Soc. 1987. V. 143. № 1. P. 199–202.
Isheden C., Hellstrom P.-E., Radamson H.H., Zhang S.-L., Ostling M. Selective Si Etching Using HCl Vapor // Physica Scripta. 2004. V. T114. P. 107–109.