научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПРИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ ТРАВЛЕНИИ В CF4/H2 Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПРИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ ТРАВЛЕНИИ В CF4/H2»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 2, с. 81-86

УДК 548.55:519.688

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПРИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ ТРАВЛЕНИИ В CF4/H2

© 2015 г. Ю. Н. Григорьев*, А. Г. Горобчук**

Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия *Е-таИ: grigor@ict.nsc.ru, **Е-таИ: alg@eml.ru Поступила в редакцию 20.03.2014 г.

В рамках гидродинамического приближения моделируется процесс пассивации кремния ненасыщенными радикалами типа С-Бх при плазмохимическом травлении в смеси СР4/Ы2. Модель плаз-мохимической кинетики содержала 28 определяющих газофазных реакций с участием Б, Б2, СБ2, СБ3, СБ4, С2Б6, Ы, Ы2, ЫБ, СЫБ3, СЫ2Б2. Расширенная кинетика гетерогенных реакций на поверхности кремния включала конкурирующие процессы адсорбции радикалов СБ2, СБ3. Показано, что большая часть атомарного фтора идет на формирование соединения ЫБ, существенно понижая скорость травления кремния. Среди конкурирующих процессов пассивации поверхности кремния в качестве преобладающего выделена адсорбция радикала СБ2, слой которого при содержании 40% Ы2 полностью покрывает поверхность образца, что прекращает процесс травления.

Ключевые слова: адсорбция радикалов, многокомпонентные смеси газов, плазмохимическое травление. БО1: 10.7868/80207352815020110

ВВЕДЕНИЕ

Процесс обработки тонких пленок атомами фтора в плазмохимических реакторах получил широкое применение в производстве изделий микроэлектроники. Активные частицы формируются в зоне высокочастотного разряда в результате диссоциации молекул фторсодержащих газов. Обычно используются чистые газы типа СБ4, 8Б6 или их бинарные смеси с 02, Ы2 и др. В высокочастотном разряде молекулы исходного газа разлагаются, образуя другие молекулы, ионы и радикалы, а в случае добавления примеси формируются дополнительные виды молекул, атомов и ионов. В частности, добавка кислорода в плазму фторуглеродных соединений увеличивает содержание атомарного фтора, что происходит благодаря взаимодействию фторугле-родных радикалов и ненасыщенных веществ с 0 и 02. При соударении частиц с поверхностью образца имеют место адсорбция и десорбция, разложение, химические реакции и другие процессы. Адсорби-руясь на поверхности подложки, многие сформированные в плазме радикалы и продукты реакций, а также загрязнения подавляют процесс травления. Ионная бомбардировка стимулирует обратный процесс — десорбцию этих веществ, что обуславливает анизотропию травления. При травлении кремния во фторуглеродных смесях с кислородом процессы адсорбции—десорбции радикалов СБ2, СБ3 не оказывают заметного влияния на скорость травления ввиду их малой концентрации. Вместе с тем, избыточные добавки кислорода приводят к адсорбции атомов кислорода на поверхности кремния, в

результате чего проявляется гистерезисный эффект скорости травления.

Если рассматривать обработку диоксида кремния, то ситуация существенно меняется. Следует заметить, что травление 8Ю2 в плазме чистого СБ4 применяют очень редко вследствие низкой селективности процесса по отношению к кремнию. Для селективного травления пленок 8Ю2 на кремниевых подложках используются смеси (в частности, СБ4/Ы2), в которых образуются радикалы СБ2 и другие ненасыщенные соединения. Добавление в плазму СБ4 водорода обусловливает образование в тра-вителе веществ с ненасыщенным фторуглеродом. Образуемый в разряде фтор интенсивно взаимодействует с Ы2 и удаляется в виде продукта реакции ЫБ, что замедляет реакцию спонтанного травления атомарным фтором. Одновременно радикалы СБХ, взаимодействуя с 8Ю2, образуют газообразные СО, С02, С0Б2, 81Б4, что и соответствует процессу травления 8Ю2. При этом поверхность кремниевой подложки покрывается пассивирующим слоем полимера наподобие тефлона С-Ёх, снижающим или полностью прекращающим процесс спонтанного травления кремния. Таким образом, добавка водорода действует двояким образом. Вступая в реакцию с атомами фтора, водород образует стабильные молекулы ЫБ, что существенно снижает концентрацию потенциального травителя кремния. С другой стороны, добавка водорода изменяет состав плазмы, повышая концентрации травящих диоксид кремния радикалов СБХ, способствующих формированию фторуглеродных пленок. В целом соотношение скоростей и селективность травления крем-

6

81

ния и диоксида кремния во фторуглеродной плазме сти кремниевого образца в процессе плазмохими-можно регулировать добавкой окисляющих или ческого травления. восстанавливающих компонентов.

Из-за многоканальной природы формирования активных частиц механизмы газофазных реакций в тлеющем разряде остаются недостаточно изученными. Определяющие химические реакции и количество участвующих в них реагентов, существенных для данной системы "исходные газы—обрабатываемый образец", выбирают, руководствуясь экспериментальными данными. Преобладание того или иного механизма основных реакций устанавливается на основе вероятностных оценок. В силу вероятностного подхода к определению констант скоростей реакций варианты кинетики, предлагаемые разными авторами, могут существенно различаться. Вместе с тем, пренебрежение теми или иными химическими реакциями может привести к ошибке в определении значения концентрации активных частиц и, соответственно, скоростей травления.

Поверхностные явления на ВЧ-электродах и образце являются еще менее изученными. Попытки учесть большее количество процессов, происходящих в плазме ВЧ-разряда, наталкиваются на отсутствие необходимой информации о процессах, протекающих на поверхности образца. Тем не менее, чтобы выполнить оптимизацию процесса травления в целом, крайне важно включать в моделирование поверхностные процессы, пусть даже восполняя недостаток информации путем перебора вариантов. Кроме того, для получения адекватных результатов необходимо использовать детализированную плазмохимическую кинетику газофазных реакций с точным описанием процессов тепло- и массопереноса [1].

В производственных процессах микроэлектроники при формировании полупроводниковых элементов, как правило, используются операции избирательного травления материала. В частности, в технологических операциях фотолитографии при переносе изображения на нижележащие слои получил распространение процесс травления окон в пленке 8Ю2, успешность которого зависит от своевременной остановки процесса по достижении уровня кремниевой подложки. Присутствующие материалы характеризуются различными скоростями травления и поверхностными реакциями, зависящими от кинетики газофазных реакций. При изучении процесса селективного травления диоксида кремния на кремниевой подложке для упрощения задачи можно вначале рассмотреть поверхностные явления в плазме СБ^И на кремнии, поскольку полимерная пленка образуется только на его поверхности. С этой целью в работе моделируется один из вероятных комплексов газофазных химических реакций в смеси СБ^И и его влияние на формирования полимерной пленки С-Бх на поверхно-

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Для создания модели кинетики плазмохимиче-ского травления кремния в смеси СБ^И первоначально выделялся базовый набор химических реакций, соответствующий травлению в чистом СБ4. Далее схема процесса дополнялась возможными химическими реакциями СБ4 и продуктов его диссоциации (Б, СБ2, СБз) с молекулярным и атомарным водородом. Результирующая модель химической кинетики содержала 28 газофазных реакций диссоциации и рекомбинации, в которых принимали участие Б, СБ2, СБ3, СБ4, С2Б6, Б2, И, И2, ИБ, СИБз, СВД [2]:

СБ4 + е ^ СБ3 + Б + е, (1)

СР4 + е ^ СБ2 + 2Б + е, (2)

И2 + е ^ И + И + е, (3)

СИБ3 + е ^ СБ3 + И + е, (4)

СБ3 + СБ3 + М ^ С2Б6 + М, (5)

Б + СБ3 + М ^ СБ4 + М, (6)

Б + СБ2 + М ^ СБ3 + М, (7)

Б + СИБ3 ^ СБ3 + ИБ, (8)

Б + СИБ3 ^ СБ4 + И, (9)

Б + И2 ^ ИБ + И, (10)

Б + И + М ^ ИБ + М, (11)

Б + Б + М ^ Б2 + М, (12)

Б2 + М ^ Б + Б + М, (13)

И + СБ4 ^ СБ3 + ИБ, (14)

И + СБ3 ^ СБ2 + ИБ, (15)

И + СИБ3 ^ СБ3 + И2, (16)

И + СБ4 ^ СИБ3 + Б, (17)

И + СБ3 + М ^ СИБ3 + М, (18)

И + ИБ ^ Б + И2, (19)

И + И + М ^ И2 + М, (20)

И2 +СБ3 ^ СИБ3 + И, (21)

И2 +СБ2 + М ^ СИ2Б2 + М, (22)

ИБ + СБ3 ^ СР4 + И, (23)

ИБ + СБ2 ^ СБ3 + И, (24)

ИБ + СБ2 + М ^ СИБ3 + М, (25)

ИБ + СБ3 ^ СИБ3 + Б, (26)

СИБ3 + М ^ СБ2 + ИБ + М, (27)

СИ2Б2 + М ^ СБ2 + И2 + М, (28)

Реакции (1)—(4) описывают диссоциацию молекул СБ4, Ы2 и СЫБ3 при электронном ударе с образованием химически активных атомов фтора и водорода; реакции (5)—(28) представляют объемную рекомбинацию атомов и радикалов с участием третьего тела М.

Химическая кинетика гетерогенных реакций была представлена процессами адсорбции радикалов СБ2, СБ3 на поверхности образца. Всего рассматривалось 6 гетерогенных реакций:

СБ,

СБ2

-СБ3(5),

■ СБ2(я),

Б + СБ2(5) _

Б + СБ3(«) -СБ3 + СБ3(«)

СБ3,

СБ4

С2Бб,

4Б + 81 ■

81Б4

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

Здесь уравнения (29)—(33) — гетерогенные реакции адсорбции—десорбции радикалов СБ2 и СБ3

на поверхности кремния, кс1-кс5 — константы скоростей гетерогенных реакций; (34) — реакция спонтанного травления образца, кС — соответствующая константа скорости реакции. Обозначение (8) использовано для частиц, адсорбированных на поверхности образца. Значения констант реакций брались из работы [2].

В соответствии с выбранной моделью кинетики многокомпонентного и многостадийного процесса распределение концентрации каждого компонента находилось из системы взаимозависимых уравнений конвективно-диффузионного переноса:

= У(С,Ц_т(Ух,)) + 0,(С„ С]),

где С, х I — молярная концентрация и молярная доля частиц сорта г; С, — молярная концентрация газовой смеси; Б-т — коэффициент диффузии г-го компонента в многокомпонентной смеси; — источник частиц г-го сорта, i = Б, СБ2, СБ3, СБ4,

C2F6, F2, Ы, Ы2, ЫБ CЫF3, СЫ2Б2.

Правая часть системы конвективно-диффузионных уравнений содержит базовый набор определяющих газофазных реакции (1)—(28), которые устанавливают сложные взаимозависимости между скоростями генерации частиц. Источниковые слагаемые вносят в уравнения степенную нелинейность относительно концентраций частиц. Кроме того, скорости генерации активных частиц опред

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком