Garrett Anthony Curley - Tel - Hal

194 Pages·2016·8.71 MB·English

by  Garrett Curley

The dynamics of the charged particles in a dual
frequency capacitively coupled dielectric etch reactor.
Garrett Curley
To cite this version:
Garrett Curley. The dynamics of the charged particles in a dual frequency capacitively coupled
dielectric etch reactor.. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Ecole Polytechnique X, 2008. English.
￿NNT: ￿. ￿tel-00416652￿
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Submitted on 14 Sep 2009
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
Thèse présentée pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’ÉCOLE POLYTECHNIQUE
Spécialité :
Physique des plasmas
Présentée par :
Garrett Anthony Curley
Dynamique des espèces chargées dans un réacteur de gravure
diélectrique à couplage capacitif excité par deux fréquences
The dynamics of the charged particles in a dual frequency capacitively
coupled dielectric etch reactor.
Thèse soutenue le 30 avril 2008
Devant le jury composé de Messieurs:
Nicholas St. J. BRAITHWAITE (rapporteur)
Gilles CUNGE (rapporteur)
Pere ROCA i CABARROCAS (président du jury)
Jean-Paul BOOTH (directeur de thèse)
Rémi DUSSART
David GRAVES
Résumé
Les plasmas à couplage capacitif excités par deux fréquences sont utilisés pour la gravure des diélec-
triques,étapeimportantedanslafabricationdecomposantsdemicroélectronique. L’utilisationdesdeux
sourcesRF,uneàbassefréquence,l’autreàhautefréquence,estcenséepermettrelecontrôleindépendant
du flux ionique et de l’énergie ionique. Les gaz fluorocarbonés, tels que c-C F et CF , jouent le rôle clé
4 8 4
enfournissantlesespècesnécessairesàlagravuredesmotifsnanométriques. Cesplasmasfluorocarbonés
sont complexes, ils sont composés de plusieurs types de radicaux neutres, d’ions positifs et d’ions négat-
ifs. Nous étudions un réacteur industriel modifié, avec des mélanges gazeux de type Ar/O /c-C F et
2 4 8
Ar/O /CF , à des pressions proches de 50 mTorr (6.6 Pa) et excité par des sources RF de 27 et 2 MHz,
2 4
en mode simple fréquence et en mode double fréquence. La mesure des ions négatifs et leurs effets sur
les propriétés électriques du plasma est le sujet d’étude principal de cette thèse.
Plusieurs techniques de diagnostics sont mises en oeuvre pour caractériser les densités et les flux
des particules chargées. Une sonde de flux ionique à polarisation RF, capable de fonctionner avec une
couche déposée sur sa surface est installée dans l’électrode du haut et utilisée pour mesurer le courant
ioniquearrivantsurlasurfacedecetteélectrode. Ladensitéélectroniqueestmesuréedanslecentredela
déchargeparunesondederésonancemicro-ondesàunquartdelongueurd’onde, communémentappelée
sonde hairpin . Une version flottante de cette sonde est utilisée pour éviter les effets de polarisation RF
et les gaines RF qui pourraient se former autour des fils de la sonde. Une technique de spectroscopie
basée sur le déclin d’une cavité optique (CRDS) est appliquée à la mesure de la densité d’ions négatifs
du fluor en détectant l’absorption large bande due au photodétachement de l’ion.
Les densités électroniques, les courants ioniques et les densités d’ions négatifs sont mesurés pour une
variété de conditions plasma pour des excitations à simple fréquence et double fréquence. L’effet du
changement de mélange gazeux et de la puissance RF sont particulièrement étudiés. La fraction d’ions
négatifs, α = n /n , est déduite des mesures de sondes en comparant le rapport du flux ionique sur la
n e
densitéélectronique,Γ /n ,àlavaleurthéoriqueobtenueparunmodèlefluided’unplasmaélectronégatif.
i e
Des modèles fluides de la littérature ont étés modifiés pour prendre en compte la mobilité variable des
ions positifs caractéristiques des pressions utilisées dans cette étude (environ 50 mTorr ou 6.6 Pa).
La fraction d’ions négatifs est élevée dans le plupart des mélanges plasma de type Ar/O /c-C F .
2 4 8
Dans les mélanges Ar/O /CF , le plasma n’est électronégatif que pour de faibles débits de O . Il est
2 4 2
proposé que l’oxygène détruit les précurseurs nécessaires à la formation d’ions négatifs. Le contrôle
indépendant du flux ionique dans un plasma excité à deux fréquences n’a pas été mis en évidence. Rien
ne permet de supporter la théorie selon laquelle les ions négatifs de fluor peuvent atteindre les parois
du réacteur en présence de puissance RF à basse fréquence (2 MHz). Une découverte clé de cette étude
est que la température des ions négatifs devrait être très élevée si une corrélation est à faire entre les
résultats expérimentaux et théoriques.
Abstract
Dual frequency capacitively coupled plasmas (DF-CCP) are used for the etching of semiconductor based
dielectrics as part of the microelectronics fabrication process. The use of two frequencies is intended
to allow for the independent control of the ion flux and the ion energy. Fluorocarbon gases such as
c-C F and CF play the key role in producing the precursor species that eventually etch the nano-scale
4 8 4
patterns. These fluorocarbon-containing plasmas are complex in nature, forming many types of neutral
radicals, positively charged ions and negatively charged ions. We study a customized industrial etch
reactor, running in Ar/O /c-C F and Ar/O /CF gas mixtures at pressures in the region of 50 mTorr
2 4 8 2 4
(6.6 Pa) and driven by 2 and 27 MHz RF power, either separately or simultaneously. The measurement
ofthenegativeionsandtheireffectontheplasma’selectricalpropertiesarethemainfocusofthisthesis.
Several diagnostic techniques are implemented to characterise the densities and fluxes of the various
charged species. A deposition tolerant, RF biased ion flux probe, installed co-planar with the upper
electrode, is used to measure the ion current arriving at the electrode surface. The electron density
in the centre of the plasma is measured using a quarter-wavelength microwave resonator probe, known
commonly as a hairpin probe. A floating probe design is used to avoid the effects of RF biasing and
subsequentRFsheathformationontheprobewires. Cavityring-downspectroscopy(CRDS)isappliedto
themeasurementofthenegativefluorineiondensitybytheabsorptioninitsbroadbandphotodetachment
continuum.
The electron densities, ion currents and negative ion densities are measured under various plasma
conditions for both single and dual frequency excitation. The effect of various plasma gas mixtures and
various applied RF powers are particularly studied. The negative ion fraction, α = n /n , is deduced
n e
fromtheprobemeasurementsbycomparingtheratiooftheionfluxtotheelectrondensity,Γ /n ,tothe
i e
theoretical ratios obtained by an electronegative plasma fluid model. Fluid models from the literature
were modified to account for the variable ion mobility that is characteristic of the pressures used in this
study (about 50 mTorr or 6.6 Pa).
Plasmas containing Ar/O /c-C F mixtures were found to be strongly electronegative under most
2 4 8
conditions when the c-C F flow rate was greater than 6 sccm. Ar/O /CF plasmas appeared strongly
4 8 2 4
electronegativeeitherinconditionsoflowCF flowrates(Ar/O dominatedplasma)orwhenthetheO
4 2 2
flow rate went to zero (an Ar/CF plasma). A proposal that oxygen destroys the precursors to negative
4
ion formation is put forward. The independent control of the ion flux in dual frequency mode was not
observed in the conditions studied, neither was there evidence found to support the theory that the
negative fluorine ions escape to the walls in the presence of the low-frequency (2 MHz) RF power. One
of the key findings of this study is that the temperature of the negative ions must be very hot (γ ∼5) if
the experimental and theoretical results are to agree.
iv
Acknowledgements
The results presented in this manuscript could not have been obtained without the support of the
following people whom I wish to thank.
Firstandforemost,IwishtothankDr.Jean-PaulBoothforhavinggivenmetheopportunitytopursue
bothaMastersandaPh.D.inFrance. Hisavailabilityandregularadviceallowedmetoprogressrapidly
in my understanding of plasma physics. I wish to thank him also for giving me numerous occasions to
present my work at international conferences, where I was able to forge links with the rest of the plasma
physics community.
I particularly wish to thank Dr. Pascal Chabert, for being constantly present to discuss plasma
physics,worldpolitics,FrenchhistoryandthesecretstobeingaParisian. Iespeciallywishtothankhim
for his role as a co-supervisor in the final year of my Ph. D. and for organising the jury for my defence.
I would like to acknowledge my gratitude to Prof. Jean-Marcel Rax, director of the Laboratoire de
Physique et Technologie des Plasmas (LPTP), for having welcomed me into the laboratory, and also for
accepting me onto the Physics of Plasma Masters programme, which ultimately allowed me to continue
as a Ph. D. student at the Ecole Polytechnique.
Dr. Cormac Corr, a fellow Irishman and a great friend and colleague from the get-go, who helped
me settle into life in Paris and who was the corner stone of many an LPTP outing. In particular, for
havingworkedlongandhardontheUV-CRDSexperimentthateventuallyledtosomeofthekeyresults
presented in this thesis.
AbigthankstoJeanGuillon, CNRSresearchengineerattheLPTP,forhiswealthofexperienceand
patience in constructing and modifying the experimental equipment. Our discussions on the design of
the hairpin probe are amongst my best memories of the last four years.
The secretarial and IT team who were always available and helpful in carrying out the wide variety
of administrative and IT tasks: thank you Cathy, Isabelle, Philippe, Malika and Cherifa.
To the two extra pairs of hands who journeyed all the way from Slovakia and Serbia and who con-
tributed immensely to the work of this thesis. Thank you Tomáš and Dragana.
A warm thank you to the entire staff of the LPTP. To the researchers: Dr. Jolly, Dr. Hennequin, Dr.
Raimbault, Dr. Larour, Dr. Arantchouk. To the technical team: Jean-Paul, Christian and Bruno. Not
forgetting of course, my fellow young researchers whom I had the pleasure of meeting over the last three
years and who created a most enjoyable work atmosphere. In alphabetical order: Albert, Ane, Claudia,
Cyprien, Elisée, Emilie, Gary, Joseph, Katia, Laurent, Lina, Nicolas B., Nicolas L., Nicolas P., Olivier,
Paul, Pierre, Richard, Sébastien C., Sébastien "James" Dine, Sedina and Xavier.
The contribution of Lam Research to this project is much appreciated. I thank especially Dr. Doug
Keil for having invited me to intern at Lam in Fremont, California for six months. My experience there
was one of those ‘fast learning curve’ moments that helped open my eyes to the world of semiconductor
manufacturing. Thanks also to Chris, Roberto, Mitch, Maryam, Luc & Ana and Neil at Lam for their
v
vi ACKNOWLEDGEMENTS
friendship during my stay there.
A special thanks to Dr. Bert Ellingboe of Dublin City University who introduced me to the field of
plasma physics and who helped me initiate contact with Jean-Paul Booth and Pascal Chabert at the
LPTP.
To all those who helped me settle into my new life in France, I wish to extend my deepest gratitude:
my colleagues from the DEA (Masters) course; my friends who I met during my year at the Fleming
residence (our "soirées du mercredi" will long be remembered); all those who I met during my three
yearsattheCitéInternationaleUniversitairedeParis(dinnertimeseemedlikeaUNmeeting!); myIrish
friends who never let me forget how we Irish have the best of craic!
I wish to thank Prof. Roca i Cabarrocas for presiding the jury of my defence. Prof. Braithwaite and
Dr.Cungefortheirtimeanddiligenceinreadingandreportingmythesis. Also,Dr.Graves,Dr.Dussart
and Jean-Paul for participating on my jury.
Finally, I wish to thank those closest to my heart. My parents, Tony and Geraldine, who supported
andencouragedmethroughoutallmyuniversityyearsandmadethetripoverfromIrelandtobepresent
at my defence. Thank you to my big sis, Zita, and my li’l’ bro, Conan, who also came over from Ireland
for my defence. It really meant a lot for me to have you all close by on that big day.
And last, but by no means least, I would like to thank my chérie, Corinne, for her affection, her
support and most importantly her patience throughout the years and in particular during the writing of
this thesis.
Contents
Acknowledgements v
Symbols and Abbreviations xi
1 Introduction 1
1.1 The context and objectives of this study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Low-pressure plasmas for surface processing . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Basic plasma equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Case of a bounded plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Edge-to-centre density ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.4 Radio frequency plasma sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Dual-frequency capacitively-coupled plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2 Principle of operation of dual freqency capacitively coupled plasma
sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.3 Triple and multiple frequency plasma excitation . . . . . . . . . . . 23
1.4 Dielectric etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1 Fluorocarbon containing plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5 Electronegative Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.1 Negative ions in fluorocarbon plasmas: production and loss . . . . . 29
1.5.2 Plasma theory in the presence of negative ions . . . . . . . . . . . . 32
1.5.3 The role of negative ions in industrial plasmas . . . . . . . . . . . . 39
1.5.4 Measurement of negative ion densities . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Experimental setup and diagnostic techniques 49
2.1 The dual-frequency plasma chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.1.1 The plasma chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.2 The vacuum/pumping system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1.3 The rf power generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1.4 The electrostatic clamping (chuck) unit . . . . . . . . . . . . . . . . 54
vii
viii CONTENTS
2.1.5 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2 Electrical diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.1 The ion flux probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.2 The microwave resonator probe - "Hairpin probe" . . . . . . . . . . 67
2.2.3 Calculation of the hairpin sheath size . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.2.4 The Floating Hairpin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.2.5 Design and construction of the hairpin probe . . . . . . . . . . . . . 80
2.2.6 Operation of the hairpin probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.2.7 Comparison between two hairpin probe designs . . . . . . . . . . . 84
2.3 Cavity Ring-Down Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.3.1 Principle of absorption spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.3.2 Absorption of the negative fluorine ion . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.3.3 Cavity ring-down spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 Results and analysis 101
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.2 Fluorine negative ion densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.1 Ar/O /c-C F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2 4 8
3.2.2 Ar/O /CF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2 4
3.3 Determining the negative ion fraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.3.1 Negative ion fractions from CRDS and the hairpin probe . . . . . . 108
3.3.2 Two-probe technique: simple model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3.3 Two-probe technique: fluid model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.4 Comparison of the various estimations of the negative ion fractions 118
3.3.5 Introducing variable mobility to the fluid model . . . . . . . . . . . 120
3.4 Charged particle dynamics - Effect of gas composition . . . . . . . . . . . . 126
3.4.1 Ar/O /c-C F – varying the c-C F gas flow . . . . . . . . . . . . . 126
2 4 8 4 8
3.4.2 Ar/O /c-C F – varying the O and c-C F gas flows . . . . . . . . 130
2 4 8 2 4 8
3.4.3 Ar/c-C F – varying the c-C F gas flow . . . . . . . . . . . . . . . 133
4 8 4 8
3.4.4 Ar/O /CF – varying the O and CF gas flows . . . . . . . . . . . 135
2 4 2 4
3.4.5 Ar/O /CF – varying the O gas flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2 4 2
3.4.6 Ar/O /SF – varying the O and SF gas flows . . . . . . . . . . . 138
2 6 2 6
3.4.7 CF plasma – effects due to SF addition . . . . . . . . . . . . . . . 139
4 6
3.5 Charged particle dynamics – Effect of pressure . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.5.1 Ar/O /c-C F – varying the pressure: 25 – 100 mTorr . . . . . . . 141
2 4 8
3.5.2 Pressure effects on the ion flux probe I–V curves . . . . . . . . . . . 141
3.6 Charged particle dynamics – Effect of applied power . . . . . . . . . . . . . 143
3.6.1 Ar/O /c-C F : 160/8/16 sccm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
2 4 8
CONTENTS ix
3.6.2 Ar/c-C F : 160/24 sccm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4 8
3.6.3 Ar/O : 160/24 sccm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2
4 Conclusions and perspectives 155
4.1 Diagnostics in DF-CCP industrial chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.1.1 Ion flux probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.1.2 Hairpin probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.1.3 Cavity ring-down spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2 Validity of the two-probe technique for measuring α . . . . . . . . . . . . . 156
4.3 The relationship between n and Γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
e i
4.4 The role of dual frequency RF power coupling . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.5 Processing plasmas and the role of electronegativity . . . . . . . . . . . . . 158
4.6 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Appendix A - Hairpin Sheath Correction 161
Appendix B - Comparison of Stenzel’s hairpin with Kim’s hairpin 163
Appendix C - Normalisation of ion fluid equations - variable mobility 165
Bibliography 168