научная статья по теме ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ И МЕХАНИЗМЫ ТРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ В СМЕСЯХ HCL + AR, H2, O2 И CL2 Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ И МЕХАНИЗМЫ ТРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ В СМЕСЯХ HCL + AR, H2, O2 И CL2»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 5, с. 338-345

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

УДК 537.525

ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ И МЕХАНИЗМЫ ТРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ В СМЕСЯХ HCl + Ar, H2, O2 И Cl2 © 2015 г. А. М. Ефремов, Д. Б. Мурин

ФГБОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет" E-mail: efremov@isuct.ru, dim86@mail.ru Поступила в редакцию 05.11.2014 г.

Проведено сравнительное исследование влияния начального состава бинарных смесей HCl + Ar, H2, O2 и Cl2 на стационарные электрофизические параметры и состав плазмы тлеющего разряда постоянного тока. Получены данные по приведенной напряженности электрического поля, средней энергии и концентрации электронов, концентрациям и плотностям потоков атомов и ионов. Проведен модельный анализ влияния начального состава смесей на кинетику взаимодействия активных частиц плазмы с поверхностью в режиме ионно-стимулированной химической реакции.

DOI: 10.7868/S0544126915040043

ВВЕДЕНИЕ

Неравновесная низкотемпературная плазма галогенводородов (HX, где X = Cl, Br или I) находит широкое применение при производстве изделий интегральной микро- и нано-электроники в процессах очистки и структурирования поверхности полупроводниковых пластин и различных функциональных слоев [1, 2]. В качестве основных преимуществ хлористого водорода перед другими хлорсодержащими газами можно выделить: 1) низкие степени диссоциации HCl [3], способствующие получению анизотропного профиля травления; и 2) возможность сочетания эффектов двухканального химического взаимодействия в системе "плазма—твердое тело" с участием атомов хлора и водорода [2, 4].

Характерной особенностью современной технологии плазменного травления является использование двухкомпонентных газовых смесей, сочетающих активный газ, например HCl, с функциональной добавкой инертного или молекулярного компонента [4, 5]. В таких системах, начальный состав смеси является дополнительным инструментом регулирования параметров плазмы и концентраций активных частиц. В наших предшествующих работах были проведены исследования электрофизических параметров и состава плазмы в чистом HCl [3], а также в смесях хлористого водорода с аргоном [6], водородом [7], кислородом [8] и хлором [9]. К сожалению, прямое сопоставление свойств этих систем (например, с целью выбора оптимального газа добавки и состава плазмообразующей смеси для конкретного технологического приложения) на основе имеющихся данных затруднено различиями в диапазонах исследованных условий. Кроме этого, отсут-

ствует анализ взаимосвязей стационарного состава плазмы и механизмов гетерогенных процессов, протекающих при плазменном или реактивно-ионном травлении металлов и полупроводников. Такая ситуация затрудняет разработку и оптимизацию плазмохимических технологий с использованием хлористого водорода.

Целью данной работы являлось выявление механизмов физико-химических процессов, обеспечивающих взаимосвязи между начальным составом бинарных смесей HCl + Ar, H2, O2 и Cl2, электрофизическими параметрами плазмы, концентрациями активных частиц в объеме плазмы и кинетикой их взаимодействия с твердыми неорганическими материалами. Выбор в качестве объекта исследований тлеющего разряда постоянного тока обусловлен модельными соображениями. В частности, хорошая изученность данной системы обеспечивает корректный количественный анализ кинетики и механизмов протекающих в ней плазмохимических процессов.

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты проводились в стеклянном проточном цилиндрическом плазмохимическом реакторе (радиус r = 1.4 см, длина зоны разряда l = 36 см) при возбуждении тлеющего разряда постоянного тока. В качестве внешних (задаваемых) параметров разряда выступали ток разряда (i = 10—35 мА), давление газа (p = 20—200 Па) и объемный расход газа (q = 2—8 см3/с при норм. усл.). Начальный состав смесей HCl + Ar, H2, O2 и Cl2 задавался варьированием парциального давления второго газа pi при p = const. Мольные доли компонентов исходной смеси определялись как yi = p/p для второго

газа и (1 — у) для HCl. Измерения осевой напряженности электрического поля (E) в зоне положительного столба разряда проводились методом зондов Лангмюра. Температуру газа (T) определяли при решении уравнения теплового баланса разрядной трубки в условиях естественного охлаждения с использованием экспериментальных данных по температуре наружной стенки. При расчетах параметра E/N, где N = p/kBT — общая концентрация частиц, использовалась величина T, усредненная на 0.5г.

Моделирование плазмы проводилось при совместном решении стационарного кинетического уравнения Больцмана, уравнения электропроводности плазмы и уравнений химической кинетики для нейтральных и заряженных частиц. Величина E/N, обеспечивающая поддержание стационарной плазмы, определялась равенством скоростей образования и гибели электронов в приближении эффективного коэффициента диффузии (D'e). Выходными параметрами модели служили стационарные значения E/N, функия распределения элеткронов по энергиям (ФРЭЭ), интегральные характеристики электронного газа (средняя энергия (е), скорость дрейфа vE, приведенные коэффициент диффузии DeN и подвижность ^N), константы скоростей процессов под действием электронного удара, а также средние по объему плазмы концентрации частиц и плотности их потоков на поверхность, контактирующую с плазмой. Подробное описание алгоритма моделирования приведено в наших работах [3, 6, 9].

Анализ кинетики взаимодействия активных частиц плазмы с поверхностью, находящейся в зоне плазмы под плавающим потенциалом, базировался на теории активных центров Лангмюра-Хиншель-вуда [10, 11]. В качестве исходных предпосылок полагалось, что: 1) процесс травления протекает в кинетическом режиме; 2) физическое распыление атомов обрабатываемой поверхности отсутствует; и 3) спонтанная (термически активированная) десорбция продуктов взаимодействия при температуре процесса незначительна. Фактически это ограничивает круг возможных механизмов травления ионно-стимулированной химической реакцией, скорость которой есть R = 5л,0ГХАЧ(1 — 0) [10, 11], где ГХАЧ — плотность потока химически активных нейтральных частиц, 9 — доля поверхности, занятой продуктами взаимодействия, s0 — вероятность адсорбции активных частиц на свободной поверхности и 8 — стехиометрический коэффициент. Параметр у = 5s0(1 — 0) представляет собой эффективную вероятность взаимодействия. Принимая во внимание, что единственным механизмом очистки поверхности от продуктов взаимодействия является ионно-стимулированная де-

сорбция с выходом величина 9 определится стационарным балансным уравнением вида 5«0Гхач(1 — 0) = YdesГ+0, где Г+ — плотность потока положительных ионов. Таким образом, для скорости ионно-стимулированной химической реакции можно записать:

R = 8s0 Г

О1 ХАЧ

1 -

S ^оГ

О ХАЧ

8 s0 ГХАЧ + YdesГ-

(1)

Предельными случаями уравнения (1) являются: 1) R ~ 55оГхач при 5«оГхач ^ и 0 ^ 0 (режим травления, лимитируемый потоком нейтральных частиц (ЛПН)); и 2) R ~ Yde,T+ при YdeT+ и 0 ^ 1 (режим травления, лимитируемый потоком ионов (ЛПИ)). Параметрически варьируя Ydes при

5S = const и известных зависимостях ГХАЧ = f(y) и Г+ = f(y), с помощью уравнения (1) можно моделировать относительное изменение скорости травления (как R/R0, где R0 — скорость травления в чистом HCl) при переходе между ЛПН и ЛПИ. На практике, такая ситуация соответствует, например, травлению материалов, образующих продукты взаимодействия различной летучести.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Эксперименты показали, что для всех индивидуальных газов-компонентов смесей имеют место однотипные зависимости параметров E, T и E/N от тока разряда и давления газа. Для систем HCl + Ar, H2 и O2 величина E/N монотонно снижается с ростом доли второго газа в плазмообра-зующей смеси, при этом в области y < 0.7 характер изменения E/N практически не зависит от типа второго газа (рис. 1а). Это связано с тем, что в данном диапазоне условий изменение кинетики и концентрации электронов в плазме определяется, в основном, процессами с участием молекул HCl. Монотонный рост E/N в плазме смеси HCl + Cl2 обусловлен увеличением эффективности гибели электронов за счет их диссоциативного прилипания к молекулам Cl2.

При математическом моделировании плазмы было найдено, что использование кинетических схем процессов (наборов реакций, сечений и констант скоростей) из работ [3, 6—9] для всех исследованных смесей обеспечивает удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных зависимостей E/N=f(y). В смеси HCl + Ar с ростом yAr в условияхp, i = const снижение потерь энергии электронов на возбуждение и ионизацию молекул HCl не компенсируется аналогичными процессами для Ar. Поэтому, не смотря на снижение E/N, имеет место обогащение ФРЭЭ высокоэнергетич-ными электронами и рост средней энергии электронов (рис. 1б). Напротив, разбавление HCl водо-

ЕФРЕМОВ, МУРИН (а)

Доля второго газа в смеси с HCl

Рис. 1. Влияние начального состава смесей HCl + Ar (1), H2 (2), O2 (3) и Cl2 (4) на приведенную напряженность электрического поля (а), среднюю энергию электронов (б) и концентрацию электронов (в) приp = 100 Па, i = 25 мА.

родом, кислородом или хлором приводит к снижению (б). Причиной этого являются высокие потери энергии на возбуждение колебательных и низкопороговых электронных состояний молекул H2, O2 и Cl2. Во всех смесях константы скоростей процессов под действием электронного удара, для пороговой энергии бй которых справедливо условие бй > (б), следуют поведению (б).

Необходимо отметить также, что варьирование начального состава всех исследованных смесей оказывает заметное влияние на кинетику и концентрацию (рис. 1в) электронов в плазме. Так, в смеси HCl + Ar увеличение (б) с ростом yAr компенсируется изменением режима диффузии от

свободного к амбиполярному за счет снижения относительной концентрации отрицательных ионов (п—/пе = 164 — 62 при уАг = 0—0.8, р = 100 Па и I = 25 мА). В результате уменьшаются эффективный коэффициент диффузии электронов (Б'е = = 1.1 х 106—1.2 х 105 см2/с приуАг = 0-0.8) и частота

их диффузионной гибели ~ Б'/Л2, где Л2 = = (2.405/

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

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»