Rev. Phys. Appl. (Paris) 24, 295-308 (1989)
DOI: 10.1051/rphysap:01989002403029500

Reactive ion beam etching of silicon with a new plasma ion source operated with CF4 : SiO2 over Si selectivity and Si surface modification

C. Lejeune, J.P. Grandchamp, J.P. Gilles, E. Collard et P. Scheiblin

Institut d'Electronique Fondamentale, Université Paris XI et C.N.R.S. (Unité associée N° 22), Bâtiment 220, 91405 Orsay, France

Abstract
Reactive Ion Beam Etching is obtained from a new specific ion gun, the Electrostatic Reflex Ion Source (Maxi-ERIS), which is operated with pure CF4 gas. The reported results concern both silicon dioxide and single-crystal silicon. They show that the operation of the source discharge down to its minimum pressure which implies an extensive fragmentation of the injected neutrals, provides a very convenient process for selective etching of SiO2 over Si, a basic problem in semiconductor technology. From the characteristic performances which are achieved, this process appears as a fair alternative solution to the standard reactive ion etching process with CF4/H2 or CHF3 (in a plasma environment). It is known that these latter ones lead to deep lying modifications of the Si single-crystal, which are attributed to hydrogen-induced extended defects. For the proposed RIBE process with a 500 eV beam at normal incidence the main features are : i) selectivity SiO2/Si : 19/1 ; ii) etch rates : 130 nm/min and 7 nm/min, respectively for SiO2 and Si, data normalized to a 1 mA cm-2 current density ; iii) the blocking carbonaceous film which is formed over the silicon and insures the slow-down of the etch rate may be removed by a simple dip for 60 s in concentrated hydrofluoric acid (50 %) ; iv) such a post-etching treatment - without further plasma oxidation or thermal annealing - leaves a clean Si substrate, the electrical properties of which are only slightly altered as compared to a control sample. Informations about the kinetics and mechanisms of the formation of both the overlayer and the near-surface damage are obtained from ellipsometry, Auger electron spectroscopy, Auger sputter profiling and metal-silicon contact electrical measurements. They are reported and discussed with a special emphasis on the effect of both the ion exposure dose and the operation pressure of the ion gun.

Résumé
Nous présentons des résultats de gravure sous un faisceau d'ions réactifs délivré par un nouveau type de canon à ions - la Source d'Ions Reflex Electrostatique Maxi-SIRE - alimenté en gaz CF4 pur. Ils concernent la silice et le silicium monocristallin et démontrent que les conditions d'irradiation peuvent être optimisées de façon à définir un procédé de gravure à la fois très sélectif et anisotrope de la silice vis-à-vis du silicium et qui n'entraîne pas d'altérations irrémédiables du silicium sous-jacent ; les facteurs de qualité en font une alternative très valable aux procédés actuels sous plasmas CHF3 ou CF4/H2, pour lesquels les dommages induits par l'hydrogène sont bien connus. Pour le procédé proposé, avec des ions de 500 eV sous incidence normale, les faits essentiels sont : i) une sélectivité SiO2/Si de 19 est obtenue pour l'opération de la décharge de source au voisinage de sa pression minimale de fonctionnement, ce qui entraîne une très forte fragmentation des neutres injectés ; ii) les vitesses de gravure associées à cette sélectivité sont respectivement de 130 nm/min et 7 nm/min pour SiO2 et Si, résultats normalisés à une densité de courant d'ions de 1 mA cm-2 ; iii) la couche de blocage fluorocarbonée qui se forme sur le silicium et assure l'atténuation de son attaque, peut être enlevée par un simple bain de 60 s dans l'acide fluorhydrique concentré (50 %) ; iv) ce traitement laisse un silicium propre dont les qualités électriques ne sont que faiblement altérées vis-à-vis de celles d'un échantillon témoin ; la procédure standard de guérison des dommages, c'est-à-dire un traitement en plasma oxygène suivi d'un recuit lent sous azote, semble donc pouvoir dans ces conditions conduire à de très bons résultats. Des informations concernant les cinétiques et les mécanismes de croissance de la couche de résidu et d'évolution des dégâts superficiels du silicium ont été obtenues grace à des mesures ellipsométriques, des mesures de caractéristiques électriques de contacts métal-silicium et des spectres d'analyse Auger (en surface et en profondeur). Les résultats sont rapportés et discutés en mettant en avant les effets associés à la dose d'irradiation par les ions et à la pression de fonctionnement du canon à ions.

PACS
8160C - Surface treatment and degradation in semiconductor technology.
7920F - Electron surface impact: Auger emission.
5275 - Plasma devices and applications.
2550E - Surface treatment semiconductor technology.
2520C - Elemental semiconductors.

Key words
Auger effect -- elemental semiconductors -- plasma applications -- plasma production -- silicon -- sputter etching -- surface structure -- chlorofluoromethane -- RIBE -- plasma ion source -- selectivity -- surface modification -- electrostatic reflex ion source -- source discharge -- semiconductor -- reactive ion etching -- ellipsometry -- Auger electron spectroscopy -- Auger sputter profiling -- Si -- Si SiO sub 2