Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 21, Numéro 6, juin 1986
Page(s) 377 - 399
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:01986002106037700
Rev. Phys. Appl. (Paris) 21, 377-399 (1986)
DOI: 10.1051/rphysap:01986002106037700

Mécanismes d'anisotropie dans la gravure du silicium en plasma SF6. Modèle de gravure

B. Petit et J. Pelletier

Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés, UA C.N.R.S. n° 844, CNS-CNET, B.P. 98, 38243 Meylan Cedex, France


Abstract
The mechanisms responsible for etching of silicon in low pressure SF 6 plasma under low energy ion impact are studied using Microwave Multipolar Plasmas. Experimental results using both mass spectrometric and etch profile analysis show the evolution of anisotropy and etch rate as a function of pressure. In particular, a transition to perfect anisotropy is observed below a threshold pressure. To account for these experimental results, a new interpretation is proposed for the surface processes observed in plasma etching. To make the current models consistent, it is necessary to add three following assumptions : i) large lateral repulsive interactions between chemisorbed fluorine atoms in nearest neighbour positions ; ii) chemisorbed fluorine atom diffusion on the silicon surface ; iii) multilayer adsorption for the Si/F system. The analytical treatment of the model points out that the etch rate is limited by the partial pressure of atomic fluorine, and that the anisotropy is controlled by the ion current density.


Résumé
Les mécanismes de gravure du silicium en plasma de SF6 sont étudiés aux basses pressions et aux faibles énergies ioniques dans un Plasma Multipolaire Micro-onde. L'analyse des profils obtenus sur des motifs gravés et celle des produits de réaction détectés par spectrométrie de masse montre comment la vitesse de gravure et l'anisotropie évoluent en fonction de la pression. En particulier, on observe une transition régime isotrope-régime anisotrope pour une valeur critique de la pression. Pour expliquer les résultats expérimentaux obtenus, une nouvelle interprétation des mécanismes de surface intervenant en gravure plasma est proposée. Afin de rendre cohérents les modèles existants, il est nécessaire de leur adjoindre trois hypothèses supplémentaires, à savoir : i) existence de fortes interactions répulsives entre atomes de fluor adsorbés proches voisins; ii) diffusion en surface des espèces adsorbées ; iii) modèle d'adsorption multicouches pour le système Si/F. Le traitement analytique du modèle met en évidence que la vitesse de gravure est limitée par la pression partielle de fluor atomique dans le plasma, tandis que l'anisotropie est contrôlée par la densité de courant ionique.

PACS
7920N - Atom , molecule , and ion surface impact and interactions.

Key words
elemental semiconductors -- silicon -- sputter etching -- Si etching -- SF sub 6 plasmas -- plasma etching -- low energy ion impact -- mass spectrometric -- etch profile analysis -- anisotropy -- etch rate -- surface processes -- large lateral repulsive interactions -- chemisorbed fluorine atoms -- diffusion -- multilayer adsorption -- partial pressure -- ion current density