Механизмы удаления метильных групп с поверхности low-k диэлектриков плазмой различного состава

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Диэлектрики с ультранизкой диэлектрической проницаемостью (так называемые low-k материалы) используют в качестве межслойных изоляторов медных проводников в сверхбольших интегральных схемах. Диффузия атомов Cu может приводить к деградации их свойств, и наиболее эффективным способом решения этой проблемы является создание на их поверхности ультратонких барьерных металлических слоев. Однако этот процесс затруднен сложным рельефом поверхности low-k пленок и наличием на ней гидрофобных CH3-групп, препятствующих осаждению металла. Поэтому перед нанесением слоев необходимо провести предварительную функционализацию поверхности, основной целью которой является удаление метильных групп. В настоящей работе выполнено динамическое моделирование методом теории функционала плотности воздействия радикалов и ионов плазмы различного состава (инертных газов, молекулярного азота и кислорода) на поверхность low-k диэлектрика с целью исследования механизмов удаления указанными частицами метильных групп. Полученные результаты продемонстрировали возможность осуществления этого процесса при достаточно низкой (10–15 эВ) энергии воздействующих частиц. В работе представлен подробный анализ рассчитанных траекторий частиц, выполнено сравнение взаимодействия с CH3-группами атомов инертных газов Ne и He и более химически активных атомов N и O, описаны особенности удаления групп под действием молекул и молекулярных ионов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Сычева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: solovykh.aa19@physics.msu.ru
Россия, Москва

А. А. Соловых

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: solovykh.aa19@physics.msu.ru
Россия, Москва

Е. Н. Воронина

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: solovykh.aa19@physics.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Baklanov M.R., Ho P.S., Zschech E. Advanced Interconnects for ULSI Technology. Wiley & Sons, 2012. 596 p.
  2. Jenkins M., Austin D.Z., Conley J.F., Fan J., de Groot C.H., Jiang L., Fan Ye, Ali R., Ghosh G., Orlowski M. // ECS J. Solid State Sci. Technol. 2019. V. 8. P. 159. https://www.doi.org/10.1149/2.0161910jss
  3. Volksen W., Miller R.D., Dubois G. // Chem. Rev. 2010. V. 110. P. 56. https://www.doi.org/10.1021/cr9002819
  4. Baklanov M.R., de Marneffe J.-F., Shamiryan D., Urbanowicz A.M., Shi H., Rakhimova T.V., Huang H., Ho P.S. // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. P. 041101. https://www.doi.org/10.1063/1.4765297
  5. Rakhimova T.V., Lopaev D.V., Mankelevich Yu.A., Kurchikov K.A., Zyryanov S.M., Palov A.P., Proshina O.V., Maslakov K.I., Baklanov M.R. // J. Phys. D. 2015. V. 48. P. 175204. https://www.doi.org/10.1088/0022-3727/48/17/175204
  6. Braginsky O.V., Kovalev A.S., Lopaev D.V., Malykhin E.M., Mankelevich Yu.A., Rakhimova T.V., Rakhimov A.T., Vasilieva A.N., Zyryanov S.M., Baklanov M.R. // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 073303. https://www.doi.org/10.1063/1.3486084
  7. Yamamoto H., Takeda K., Ishikawa K., Ito M., Sekine M., Hori M., Kaminatsui T., Hayashi H., Sakai I., Ohiwa T. // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. P. 084112. https://www.doi.org/10.1063/1.3562161
  8. Matsunaga N., Okumura H., Jinnai B., Samukawa S. // Jpn. J. Appl. Phys. 2010. V. 49. https://www.doi.org/10.1143/JJAP.49.04DB06
  9. Kunnen E., Baklanov M.R., Franquet A., Shamiryan D., Rakhimova T.V., Urbanowicz A.M., Struyf H., Boullart W. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2010. V. 28. № 3. P. 450. https://www.doi.org/10.1116/1.3372838
  10. Sycheva A.A., Voronina E.N., Rakhimova T.V., Rakhimov A.T. // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 475. P. 1021. https://www.doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.078
  11. Xu H., Hu Zh.-J., Qu X.-P., Wan H., Yan Sh.-S., Li M., Chen Sh.-M., Zhao Y.-H., Zhang J., Baklanov M.R. // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 498. P. 143887. https://www.doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143887
  12. Lionti K., Volksen W., Magbitang T., Darnon M., Dubois G. // ECS J. Solid State Sci. Technol. 2014. V. 4. P. 3071. https://www.doi.org/10.1149/2.0081501jss
  13. Walton S.G., Hernández S.C., Boris D.R., Petrova Tz.B., Petrov G.M. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. P. 354001. https://www.doi.org/10.1088/1361-6463/aa7d12
  14. Palov A.P., Proshina O.V., Rakhimova T.V., Rakhimov A.T., Voronina E.N. // Plasma Process. Polym. 2021. V. 18. P. 2100007. https://www.doi.org/10.1002/ppap.202100007
  15. Voronina E.N., Sycheva A.A., Solovykh A.A., Proshina O.V., Rakhimova T.V., Palov A.P., Rakhimov A.T. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2022. V. 40. P. 062203. https://www.doi.org/10.1116/6.0002006
  16. Jensen F. Introduction to Computational Chemistry. Wiley & Sons, 2007. 620. p.
  17. Кон В., Попл Дж.А. // Усп. физ. наук. 2002. Т. 172. С. 335. https://www.doi.org/10.3367/UFNr.0172.200203d.0335
  18. Rakhimova T.V., Braginsky O.V., Ivanov V.V., Kovalev A.S., Lopaev D.V., Mankelevich Yu.A. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. V. 35. P. 1229. https://www.doi.org/10.1109/TPS.2007.905201
  19. Kovalev A.S., Kurchikov K.A., Proshina O.V., Rakhimova T.V., Vasilieva A.N., Voloshin D.G. // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. P. 123501. https://www.doi.org/10.1063/1.5123989
  20. Kresse G., Joubert D. // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 1758. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.59.1758
  21. Perdew J.P., Ruzsinszky A., Tao J. // J. Chem. Phys. 2005. V. 123. P. 062201. https://www.doi.org/10.1063/1.1904565
  22. Kresse G., Furthmüller J. // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 11169. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169
  23. Blöchl P.E. // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 17953. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953
  24. Chaudhari M., Du J. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2011. V. 29. P. 031303. https://www.doi.org/10.1116/1.3568963
  25. Rimsza J.M., Kelber J.A., Du J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. V. 47. P. 335204. https://www.doi.org/10.1088/0022-3727/47/33/ 335204
  26. Kazi H., Rimsza J., Du J. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2014. V. 32. P. 051301. https://www.doi.org/10.1116/1.4890119
  27. Соловых А.А., Сычева А.А., Воронина Е.Н. // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48. С. 19. https://www.doi.org/10.21883/PJTF.2022.07.52286. 19085
  28. Voevodin V.V., Antonov A.S., Nikitenko D.A., Shvets P.A., Sobolev S.I., Sidorov I.Yu., Stefanov K.S., Voevodin V.V., Zhumatiy S.A. // Supercomput. Front. Innovations. 2019. V. 6. P. 4. https://www.doi.org/10.14529/jsfi190201
  29. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. // J. Mol. Graphics. 1996. V. 14. P. 33. https://www.doi.org/10.1016/0263-7855(96)00018-5
  30. Darwent B. // Nat. Stand. Ref. Data Ser. NSRDS-NBS 31. Nat. Bur. Stand. 1970. P. 52. https://www.doi.org/10.6028/NBS.NSRDS.31
  31. Соловых А.А., Сычева А.А., Воронина Е.Н. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2023. № 2. С. 63. https://www.doi.org/10.1134/S1027451023010391
  32. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Т. 1. Механика. М.: Наука. 1988, 224. с.
  33. Balucani N. // Chem. Soc. Rev. 2012. V. 41. Iss. 16. P. 5473. https://www.doi.org/10.1039/c2cs35113g
  34. Voronina E.N., Mankelevich Yu.A., Rakhimova T.V., Lopaev D.V. // J. Vacuum Sci. Technol. A. 2019. V. 37. Iss. 6. P. 061304. https://www.doi.org/10.1116/1.5122655
  35. Balucani N., Bergeat A., Cartechini L., Volpi G.G., Casavecchia P., Skouteris D., Rosi M. // J. Phys. Chem. A. 2009. V. 113. Iss. 42. P. 11138. https://www.doi.org/10.1021/jp904302g
  36. Lopaev D.V., Zyryanov S.M., Zotovich A.I., Rakhimova T.V., Mankelevich Yu.A., Voronina E.N. // J. Physics D. Appl. Phys. 2020. V. 53. P. 175203. https://www.doi.org/10.1088/1361-6463/ab6e99
  37. Tait K.S., Kolb C.E., Baum H.R. // J. Chem. Phys. 1973. V. 59. Iss. 6. P. 3128. https://www.doi.org/10.1063/1.1680454
  38. Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул. Москва: Изд-во иностр. лит. 1949. 404. с.
  39. Sadeghi N., Foissac C., Supiot P. // J. Phys. D Appl. Phys. 2001. V. 34. P. 1779. https://www.doi.org/10.1088/0022-3727/34/12/304

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение канавки и воздействующих ионов (а); модель молекулы ПОСС для случая перпендикулярной и параллельной ориентаций налетающей молекулы N2 (б): черными большими кружками отмечены атомы O; светлыми большими — Si; малыми — H; серым кружком представлен атом C. Стрелка показывает направление движения налетающей молекулы, а овалом отмечены зафиксированные при моделировании атомы.

Скачать (169KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рассчитанные последовательные положения атомов при воздействии атомов Ne (а) и He (б) с E0 = 15 эВ в течение первых ∼ 100 фс процесса взаимодействия. Точками отмечены траектории движения атомов C. Временные зависимости (в) энергии движения центра масс Ecm (пунктирная линия), полной кинетической энергии метильной группы Etot (сплошная линия) и кинетической энергии налетающего атома: Ne (1, 3) He (2, 4). Изменение расстояний C–N (1, 2) и C–H (3, 4) в зависимости от времени (г) при воздействии атомами He (1, 3) и Ne (2, 4) с E0 = 15 эВ.

Скачать (334KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Рассчитанные последовательные положения атомов под воздействием атома (непрозрачные атомы) и иона (прозрачные атомы) Ne в течение первых ∼ 140 фс процесса взаимодействия (а). Временные зависимости (б) величины валентного угла O–Si–O (1, 2); расстояний между атомами Si и центром масс молекулы ПОСС (3, 4); Si и ближайшего атома O (5, 6) при взаимодействии с атомом (2, 3, 5) и ионом (1, 4, 6) Ne с E0 = 15 эВ.

Скачать (196KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Временные зависимости (а) кинетической энергии налетающего атома N с E0 = 4 (1); 1 эВ (2). Изменение расстояний C–N при E0 = 1 (1); 4 эВ (2); Si–C при E0 = 4 эВ (3) в зависимости от времени.

Скачать (129KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Рассчитанные последовательные положения атомов под воздействием молекулы N2 при E0 = 10 (а, б) и 20 эВ (в) для параллельной (а) и перпендикулярной (б, в) ориентации налетающей молекулы в течение первых ∼ 160 фс процесса взаимодействия. Точками отмечены траектории движения атомов N и C.

Скачать (158KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Временные зависимости энергии поступательного движения Ecm (пунктирные линии) и полной кинетической энергии Etot (сплошные линии) (а); кинетической энергии вращательно-колебательного движения Evr (б) молекулы N2 при E0 = 20 (1); 10 эВ (2). Отношение Evr / Etot в зависимости от E0 при перпендикулярной (1) и параллельной (2) ориентации налетающего иона.

Скачать (118KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Рассчитанные последовательные положения атомов под воздействием молекулы O2 при перпендикулярной ориентации налетающей молекулы при E0 = 10 (а) и 15 эВ (б) в течение первых ∼ 140 фс процесса взаимодействия. Точками отмечены траектории движения атомов O и C. Временные зависимости (в) Etot (сплошные линии) и Ecm (пунктирные линии) CH3-радикала после удара молекулы O2 с энергией E0 = 20 (1); 15 (2); 10 (3); 5 эВ (4) при перпендикулярной ориентации налетающей молекулы.

Скачать (183KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Рассчитанные последовательные положения атомов под воздействием иона O2+ с E0 = 10 (а) и 20 эВ (б) и N2+ с E0 = 20 эВ (в) при перпендикулярной ориентации налетающей молекулы в течение первых ∼ 130 фс процесса взаимодействия. Временные зависимости кинетической энергии отлетающей молекулы O2 при начальной энергии иона O2+ E0 = 20 эВ (в); энергии Ecm (пунктирная линия), Etot (сплошная линия) (г); энергии вращательного движения (пунктирная линия) и вращательно-колебательного движения (сплошная линия) (д).

Скачать (306KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2025