ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ
621.382+519.6
ОСОБЕННОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ
В ПЛАЗМЕ CF4/02*
© 2007 г. Ю. Н. Григорьев, А. Г. Горобчук
Институт вычислительных технологий СО Российской АН grigor@ict.nsc.ru Поступила в редакцию 25.10.2006 г.
На основе численного моделирования исследуется влияние концентрации кислорода на скорость травления кремния в плазме Ср4/02. Расчеты выполнены с использованием усовершенствованной физической модели неизотермического реактора с многокомпонентной кинетикой, включающей 12 реагентов - Б, Б2, СБ2, СР3, СБ4, С2Б6, 0, 02, СО, С02, С0Б, С0Б2. В качестве основного механизма, снижающего скорость травления, рассматривалась "конкуренция" процессов взаимодействия фтора с кремнием и хемосорбции кислорода на поверхности образца.
Предложена усовершенствованная модель описания конкурирующих процессов травления, хемосорбции 0 и адсорбции радикалов СБ2, СБ3 на кремнии. Изучено влияние параметров модели на скорость травления. Найдено, что хемосорбция 0 на кремнии преобладает над процессами адсорбции радикалов СБ2, СБ3. Показано существенное влияние отношения коэффициентов прилипания атомов фтора и кислорода на кремнии на положение максимумов скорости спонтанного травления и концентрации активных частиц в зависимости от процентного содержания кислорода в смеси. Найдено, что при равенстве этих коэффициентов максимум скорости спонтанного травления достигается при концентрации кислорода, на 10-15% меньшей соответствующей максимуму содержания активного фтора в объеме реактора.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 5, с. 368-379
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Использование в качестве рабочих газов бинарных смесей, таких как СБ4/02 и СБ4/И2, позволяет эффективно управлять процессом травления микросхем и относительно давно применяется в промышленном производстве. Однако исследованию влияния добавок кислорода и водорода на процессы в реакторах травления посвящено небольшое количество работ. Возможно это объясняется тем, что соответствующие результаты являются коммерческим продуктом.
Детальное экспериментальное исследование эффекта добавки кислорода в плазму тетрафтор-метана было проведено в работе [1]. Использовался большой набор различных диагностик, позволивших получить количественные данные по концентрации атомарного фтора, производству стабильных продуктов реакций С0, С02, С0Б2, SiF4, скорости травления кремния в зависимости от концентрации кислорода в рабочей смеси. На этой основе с использованием качественных представлений о возможных каналах реакций в [1] был предложен сценарий процесса травления Si и Si02 в СБ4/02, дающий объяснение наблюдавшимся в эксперименте характерным особенностям.
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект < 0501-00359), президентской программы поддержки ведущих научных школ РФ (код проекта НШ-9886.2006.9)
Отмечалось, что добавка кислорода к СБ4 позволяет очистить рабочую плазму от радикалов и ненасыщенных веществ, выделяемых в плазмо-химичеких реакциях, повысив в несколько раз концентрацию атомарного фтора. При небольших добавках 02 в результате взаимодействия с кислородом уменьшается количество радикалов СБХ и образуются продукты реакций С0, С02, С0Б2, что снижает скорость газофазной рекомбинации Б с радикалами и увеличивает его концентрацию. Напротив, большие концентрации 02 приводят к обеднению смеси молекулами СБ4 и, как следствие, к падению концентрации Б. В результате баланса этих двух процессов при определенном содержании кислорода наблюдается максимум концентрации фтора.
Влияние добавки кислорода на скорость травления имеет двоякий характер. Наиболее интенсивное травление обнаруживается в диапазоне с относительно низким содержанием кислорода в СБ4/02. Добавки 02, большие 25%, ведут к образованию хемосорбционного слоя кислорода на кремнии. При этом атомы кислорода захватывают часть свободных связей атомов кремния, вызывая пассивацию поверхности и затрудняя реакцию спонтанного взаимодействия со фтором. В результате максимальная скорость травления не соответствует добавке кислорода, обеспечивающей максимальную концентрацию Б. Частичная блокировка прямого доступа атомов фтора к поверх-
ности кремния вызывает снижение скорости травления при заданной концентрации фтора, что проявляется в гистерезисной зависимости скорости травления. Соответствующая кривая, связывающая скорость травления с концентрацией фтора при различном содержании 02, обобщающая полученные результаты, впервые была приведена в [1].
Вместе с тем, основываясь только на экспериментальных данных, нельзя получить детальное представление о сложном процессе плазменного травления в бинарной смеси из-за многочисленных взаимосвязанных факторов, влияние которых невозможно разделить в эксперименте. Естественным дополнением здесь может служить математическое моделирование с использованием адекватной модели процесса. Однако до наших работ [2, 3] были известны только две основные статьи, посвященные математическому моделированию плазмохимического травления кремния во фторуглеродной плазме с добавкой кислорода [4, 5]. В обеих работах использовались упрощенные модели реакторов радиальной схемы в одномерном изотермическом приближении, описываемые системами обыкновенных дифференциальных уравнений. Рассматривалась достаточно подробная кинетика объемных газофазных реакций, взятая из [6]. Однако гетерогенные реакции с участием кислорода и хемосорбция О, существенно влияющие на скорость травления, в [4] вообще не включались. В [5] конкуренция между фтором и кислородом на образце учитывалась некоторой эмпирической реакцией, которая может быть оправдана только желанием получить правдоподобный результат, оставаясь в рамках
СБ4 + е~ — е1СБ3 + Б + е", (1)
СБ4 + е - — ке2С¥2 + 2Б + е", (2)
О2 + е -^'е3О + О + е", (3)
СОБ2 + е —- *е4СОБ + Б + е", (4)
СО2 + е — ке5СО + О + е , (5)
СБ3 + СБ3 + -м^ К ^б + М, (6)
Б + СБ3 + М — К 2СБ4 + М, (7)
Б + СБ2 + М —- К 3СБ3 + М, (8)
О + СБ3 —- к'г 4СОБ2 + Б, (9)
О + СБ2 — ^СОБ + Б, (10)
грубой модели. Поэтому ни в одной из этих работ обобщающая гистерезисная зависимость скорости травления не могла быть воспроизведена. Впервые это было сделано в работе [3].
В настоящей работе численно исследуется эффект гистерезиса в системе Si-CF4/O2 на основе усовершенствованной физической модели плазмохимического реактора радиальной схемы. Изучается влияние различных параметров модели на кривую гистерезиса. Получены количественные оценки влияния хемосорбции кислорода и адсорбционных слоев CF2, CF3 на скорость травления в CF4/O2.
ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ
Численное моделирование скорости травления кремния в смеси CF4/O2, проводилось на основе двумерной математической модели плазмохимического реактора травления [2, 3], адекватно описывающей течение газа и процессы тепломассопереноса в реакционной камере реактора. Центральную роль здесь играет моделирование многокомпонентной химической кинетики газофазных и гетерогенных реакций. В расчетах использовался набор из 14 химических реакций [6], который удовлетворительно предсказывает концентрации реагентов СО, СО2, COF2 и F. Он был дополнен гетерогенными реакциями с участием F, CF2, CF3, CF4, О, описывающими образование адсорбционных слоев CF2, CF3 [6, 7].
Полный набор химических реакций включал следующие газофазные и гетерогенные процессы:
О + СБ2 —- к бСО + 2Б, (11)
О + СОБ — кт СО2 + Б, (12)
к Б + СОБ + М —► ' 8СОБ2 + М, (13)
к Б + СО + М —► ' 9СОБ + М, (14)
к Б + Б + М^ т 10Б2 + М, (15)
Б2 + М — кт 11Б + Б + М, (16)
к СБз —► я1СБз(я), (17)
к СБ2 - я), (18)
к Б + СР2(я) — я3СБ3, (19)
к Б + СБ3 (я) — "4СБ4, (20)
к СБз + СБз(я) ^ ^6, (21)
СБ2 (я) + О — к"6СО + 2Б, (22)
СБ3( я) + О —- "СО + 3Б, (23)
О^ к"О (я), (24)
О (я) + ^О + Б, (25)
4Р + Й^ Т. (26)
Здесь (1)-(5) - процессы диссоциации электронным ударом, ке1-ке5 - соответствующие константы скоростей диссоциации; (6)-(16) - реакции объемной рекомбинации с участием третьего тела М, ку1-ку11 - соответствующие константы скоростей; (17)-(25) - гетерогенные реакции на поверхности образца, кл-49 - константы скоростей гетерогенных реакций; кя - константа скорости спонтанного травления. Для радикалов и частиц, адсорбированных на поверхности образца, используется обозначение (я). Значения констант брались из работ [4-8].
Таким образом, модель содержит 16 газофазных и 8 гетерогенных реакций на образце. В целом рассматривалось двенадцать продуктов реакций диссоциации и рекомбинации - Б, Б2, СБ2, СБ3,
СБ4, С2 Б6, 0, 02, С0, С02, С0Б, С0Б2. Реакции (1)-(5) описывают диссоциацию молекул тетрафтор-метана и кислорода электронным ударом с образованием атомов фтора и кислорода; реакции (6)-(16) представляют объемную рекомбинацию активных атомов и радикалов; реакции (17)-(23) - гетерогенные реакции, отвечающие процессам адсорбции СБ2 и СБ3 на поверхности образца; реакции (24)-(25) - реакции хемосорбции фтора и кислорода на поверхности кремния; (26) - реакция спонтанного травления образца.
В соответствии с выбранной моделью многокомпонентной химической кинетики распределение концентрации каждой компоненты находилось из системы взаимосвязанных конвективно-диффузионных уравнений:
V .у С, = V • (срг - и (V хг)) + О, (С,, С), I, ] = 1, ..., 12,
(27)
где С, х, - молярная концентрация и молярная до- зовой смеси; В, - т - коэффициент диффузии I -ой ля частиц сорта I; С - молярная концентрация га- компоненты в многокомпонентной смеси; О, - ис-
точник частиц /-го сорта, / = F, F2, CF2, CFз, CF4, C2F6, О, О2, СО, СО2, COF, COF2. Правая часть системы конвективно-диффузионных уравнений содержит базовый набор определяющих газофазных реакции, которые устанавливают сложные взаимозависимости между скоростями генерации
частиц. Универсальная структура источникового слагаемого определяется законом действующих масс и вносит в уравнения степенную нелинейность.
Коэффициент диффузии многокомпонентной смеси вычислялся по закону Бланка:
А - т = (1- )
/ Л-1
X £
В качестве основных компонент смеси рассмат- нарной диффузии, рассчитываемые по формуле ривались CF4
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.