Параметры и состав плазмы в смеси CF4 + H2 + Ar: эффект соотношения CF4/H2

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено исследование электрофизических параметров плазмы и кинетики плазмохимических процессов в смеси CF4 + H2 + Ar при варьировании соотношения CF4/H2. При совместном использовании методов диагностики и моделирования плазмы установлено, что замещение тетрафторметана на водород: а) приводит к снижению плотности и росту электроотрицательности плазмы; б) вызывает непропорционально резкое падение концентрации атомов фтора. Причиной последнего эффекта является увеличение частоты гибели атомов в реакциях вида CHFx + F → CFx + HF, инициируемых гетерогенной рекомбинацией по механизму CFx + H → CHFx. Одновременное увеличение концентрации полимеробразующих радикалов СHxFy (x + y < 3) свидетельствует от росте полимеризационной нагрузки плазмы на контактирующие с ней поверхности.

Об авторах

А. В. Мяконьких

ФГБУН Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: miakonkikh@ftian.ru
Россия, Москва

В. О. Кузьменко

ФГБУН Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: miakonkikh@ftian.ru
Россия, Москва

А. М. Ефремов

ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет

Email: miakonkikh@ftian.ru
Россия, Иваново

К. В. Руденко

ФГБУН Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: miakonkikh@ftian.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 1. Process Technology, New York: Lattice Press, 2000.
  2. Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors. Tokyo: Springer International Publishing, 2015.
  3. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J., Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley & Sons Inc., 1994.
  4. 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.
  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, J. Vac. Sci. Technol. A. 2004. V. 22. P. 53–60.
  6. Schaepkens M., Standaert T.E.F.M., Rueger N.R., Sebel P.G.M., Oehrlein G.S., Cook J. M. Study of the SiO2-to-Si3N4 etch selectivity mechanism in inductively coupled fluorocarbon plasmas and a comparison with the SiO2-to-Si mechanism, J. Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. P. 26–37.
  7. Plumb I.C., Ryan K.R. A model of the chemical processes occurring in CF4/O2 discharges used in plasma etching. Plasma Chem. Plasma Process. 1986. V. 6. P. 205–230.
  8. 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).
  9. Efremov A.M., Bashmakova D.E., Kwon K.-H. Features of plasma composition and fluorine atom kinetics in CHF3 + O2 gas mixture, Chem. Chem. Tech. 2023. P. 66. No. 1. P. 48–55.
  10. Vasenkov A.V., Li X., Oehlein G.S., M.J. Kushner. Properties of c-C4F8 inductively coupled plasmas. II. Plasma chemistry and reaction mechanism for modeling of Ar/c-C4F8/O2 discharges, J. Vac. Sci. Technol. A. 2004. V. 22. P. 511–530.
  11. Lim N., Efremov A., Kwon K.-H. A comparison of CF4, CHF3 and C4F8 + Ar/O2 Inductively Coupled Plasmas for Dry Etching Applications. Plasma Chem. Plasma Process. 2021. V. 41. P. 1671–1689.
  12. Baek S.Y., Efremov A.M., Bobylev A.V., Choi G., Kwon K.-H. On relationships between plasma chemistry and surface reaction kinetics providing the etching of silicon in CF4, CHF3, and C4F8 gases mixed with oxygen, Materials. 2023. V. 16. P. 5043 (1–18).
  13. Marra D.C., Aydil E.S. Effect of H2 addition on surface reactions during CF4/H2 plasma etching of silicon and silicon dioxide films, J. Vac. Sci. Technol. A. 1997. V. 15. P. 2508–2517.
  14. Knizikevicius R. Real dimensional simulation of SiO2 etching in CF4 + H2 plasma, Appl. Surface Sci. 2004. V. 222. P. 275–285.
  15. Gorobchuk A. Numerical modeling of silicon processing technology in CF4/H2 plasma, Proceedings of 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Omsk, Russia, 2015. P. 1–4.
  16. Kim D.S., Kim J.B., Ahn D.W., Choe J.H., Kim J.S., Jung E.S., Pyo S.G. Atomic Layer Etching Applications in Nano-Semiconductor Device Fabrication, Electron. Mater. Lett. 2023. V. 19. P. 424–441.
  17. Kim Y., Kang H., Ha H., Kim C., Cho S., Chae H. Plasma atomic layer etching of molybdenum with surface fluorination, Applied Surface Science. 2023. V. 627. P. 157309.
  18. Kim S.Y., Park I.-S., Ahn J. Atomic layer etching of SiO2 using trifluoroiodomethane, Appl. Surf. Sci. 2022. V. 589. P. 153045.
  19. Kuzmenko V., Lebedinskij Y., Miakonkikh A., Rudenko K.V. Selective atomic layer etching of Al2O3, AlNx and HfO2 in conventional ICP etching tool, Vacuum. 2023. V. 207. P. 111585.
  20. 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, Russian Microelectronics. 2020. V. 49. No. 3. P. 157–165.
  21. 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.
  22. 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).
  23. Shun’ko E.V. Langmuir Probe in Theory and Practice. Boca Raton: Universal Publishers, 2008.
  24. Herman I.P. Optical diagnostics for thin film processing. San Diego: Academic Press, 1996.
  25. 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).
  26. Christophorou L.G., Olthoff J.K. Fundamental electron interactions with plasma processing gases. New York: Springer Science & Business Media, 2012.
  27. Raju G.G. Gaseous electronics. Tables, atoms and molecules. Boca Raton: CRC Press, 2017.
  28. Skoro N., Puac N., Lazovi S., Cvelbar U., Kokkoris G., Gogolides E. Characterization and global modelling of low-pressure hydrogen-based RF plasmas suitable for surface cleaning processes, J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46. P. 475206 (1–13).
  29. Iordanova S., Koleva I., Paunska T. Hydrogen degree of dissociation in a low-pressure tandem plasma source, Spectroscopy Letters. 2011. V. 44. P. 8–16.
  30. Kimura T., Kasugai H. Properties of inductively coupled rf Ar/H2 plasmas: Experiment and global model, J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 083308 (1–9).
  31. Lavrov B.P., Pipa A.V. Account of the fine structure of hydrogen atom levels in the effective emission cross sections of Balmer lines excited by electron impact in gases and plasma, Optics and Spectroscopy. 2002. V. 92. No. 5. P. 647–657.
  32. 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 (1–12).
  33. 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. No. 3. P. 471–478.
  34. 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 (1–10).
  35. Ho P., Johannes J.E., Buss R.J. Modeling the plasma chemistry of C2F6 and CHF3 etching of silicon dioxide, with comparisons to etch rate and diagnostic data, J. Vac. Sci. Technol. B. 2001. V. 19. P. 2344–2367.
  36. Proshina O.V., Rakhimova T.V., Zotovich A.I., 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 (1–26).
  37. Gogolides D., Mary D., Rhallabi A., Turban G. RF Plasmas in Methane: Prediction of Plasma Properties and Neutral Radical Densities with Combined Gas-Phase Physics and Chemistry Model, Jpn. J. Appl. Phys. 1995. V. 34. P. 261–270.
  38. Herrebout D., Bogaerts A., Yan M. et al. One-dimensional fluid model for an rf methane plasma of interest in deposition of diamond-like carbon layers, J. Appl. Phys. 2001. V. 90. P. 570–579.
  39. Semenova O.A., Efremov A.M., Barinov S.M., Svettsov V.I. Kinetics and concentration of active particles in nonequilibrium low temperature methane plasma. High Temperature. 2014. V. 52. No. 3. P. 348–355.
  40. Adams N.G., Smith D. Dissociative attachment reactions of electrons with strong acid molecules, J. Chem. Phys. 1986. V. 86. P. 6728–6731.
  41. Abouaf R., Teillet-Billy D. Fine structure in the dissociative attachment cross sections for HBr and HF, Chem. Phys. Letters. 1980. V. 73. No. 1. P. 106–109.
  42. Xu Y., Gallup G. A., Fabrikant I. I. Dissociative electron attachment to vibrationally and rotationally excited H2 and HF molecules, Phys. Rev. A. 2000. V. 61. P. 052705 (1–7).
  43. Chantry P.J. A simple formula for diffusion calculations involving wall reflection and low density, J. Appl. Phys. 1987. V. 62. P. 1141–1148.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Электрофизические параметры плазмы в смеси CF4 + H2 + Ar при p = 10 мтор и W = 1500 Вт: 1 — температура электронов; 2 — концентрация электронов; 3 — суммарная концентрация положительных ионов; 4 — относительная концентрация отрицательных ионов. Пунктирные линии представляют значения, полученные при моделировании плазмы

Скачать (188KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Концентрации нейтральных частиц (а) и скорости образования атомов фтора (б) в плазме смеси CF4 + H2 + Ar. Пунктирными линиями на рис. а показаны, которые выделяют водородсодержащие частицы. Условия возбуждения плазмы соответствуют рис. 1

Скачать (228KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Интенсивности излучения (а) и концентрации атомов (б) в плазме смеси CF4 + H2 + Ar. На рис. а: 1 — Ar 750.4 нм; 2 — F 703.4 нм; 3 — H 656.4 нм. На рис. б: 2 — атомы фтора; 3 — атомы водорода. Пунктирные линии на рис. б представляют значения, полученные при моделировании плазмы

Скачать (189KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах