고밀도 CHF3 플라즈마에서 바이어스 전압과 이온의 입사각이 Photoresist 의
식각에 미치는 영향
강세구·민재호·이진관·문상흡† 서울대학교화학생물공학부
151-742 서울시관악구신림동산56-1 (2006년 2월 11일접수, 2006년 7월 3일채택)
Effects of Bias Voltage and Ion-incident Angle on the Etching of Photoresist in a High-density CHF
3Plasma
Se-Koo Kang, Jae-Ho Min, Jin-Kwan Lee and Sang Heup Moon†
Dept. of Chem. Eng., Seoul National University, San 56-1, Shilim-dong, Gwanak-gu, Seoul 151-742, Korea (Received 11 February 2006; accepted 3 July 2006)
요 약
고밀도 CHF3플라즈마를이용한식각에서 photoresist(PR)의식각속도및 SiO2의 PR에대한식각선택도가이온의 입사각도에따라변화하는특성을관찰하였다. 플라즈마내에파라데이상자를설치하여이온의입사각도를조절하 였으며, 바이어스전압을변화시켜이온의입사에너지를조절하였다. 대부분의바이어스전압에서 SiO2의식각속도는 이온입사각도가증가함에따라단조감소함에비해 PR의식각속도는중간각도영역까지일정하다가그이후에감소 하기시작하였다. 이온입사각도가 0o인조건에서의식각속도를기준으로정규화된식각속도(NER)는 SiO2의경우 cosine
함수와거의일치하였으나 PR의경우중간각도영역에서 over-cosine 형태를보였다. PR에대한 SiO2의식각선택도는 이온입사각도에따라점차로감소하였는데, 이는 PR이 SiO2에비해중간각도에서물리적스퍼터링에의해식각수율 이크게증가하였기때문이다. 또한, 바이어스전압의증가에따라 PR에대한식각선택도는대부분의이온입사각도에 서감소하였다.
Abstract −The etch rates of photoresist (PR) and the etch selectivity of SiO2 to PR in a high density CHF3 plasma were investigated at different ion-incident angles and bias voltages. A Faraday cage was employed for the accurate con- trol of ion-incident angles. The ion energy was controlled by changing bias voltages. The etch rate of SiO2 continuously decreased with ion-incident angles but the etch rate of PR remained constant up to the middle angle region and decreased afterwards. The etch rates of SiO2 normalized to those at 0o incident angle changed with the ion-incident angle following a cosine(θ) curve. On the other hand, the normalized etch rates of the PR changed showing a drastic over- cosine shape in the middle angle region. The etch selectivity of SiO2 to PR decreased with an increase in the ion-inci- dent angle because the etch yields of PR were enhanced by physical sputtering in the middle angle region compared to the case of SiO2 etching. The etch selectivity of SiO2 to PR decreased with an increase in the bias voltage at nearly all ion-incident angles.
Key words: Plasma Etching, Faraday Cage, Photoresist, Ion-incident Angle, Etch Selectivity
1. 서 론
현재반도체회로에서요구되는미세회로를구현하기위해서는 반도체기판표면을회로의패턴대로정확히식각하는과정이필요 하다. 여기에플라즈마식각이독점적으로사용되고있는데이는높 은식각속도로비등방성의식각단면을얻는데유리한특성을가지
기때문이다[1]. 플라즈마식각에서는반응기외부에서가해주는전
기적인힘에의해서반응기내부에서발생하는기체의방전을이용 함으로써, 중성원자와라디칼에의한화학적식각, 전기장을통해 가속되는이온에의한물리적식각그리고이두요소의상호작용 에의한식각을이용하여높은비등방도를얻을수있다. 그러나식
각속도, 비등방도, 마스크에대한식각선택도, 균일성등이반응기 체의종류, 반응기의형태, 압력, 전압, 식각대상의기하학적형태,
마스크의형태및조성등수많은공정변수에의해영향을받기 때문에식각공정을정확하게제어하는것은매우어려운일이다.
따라서이러한공정변수들이식각에미치는영향력을연구하는것
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
고밀도 CHF3 플라즈마에서 바이어스 전압과 이온의 입사각이 Photoresist의 식각에 미치는 영향 499 은플라즈마식각연구의주요한과제라할수있다.
이연구에서는회로의화상형성(image printing)용사진식각에사 용되는감광성고분자인포토레지스트(photoresist, PR)의식각을중 심으로연구를진행하였다. 불화탄소기반의플라즈마에서저유전 물질의식각시 PR의저항마스크로써식각선택도가효과적이기때
문에포토마스크를이용한공정은고집적회로의화상형성및미세 회로가공의핵심기술로발전하였다. 회로의고집적화가진행됨에 따라회로의선폭은줄어들고식각깊이는유지되어야하기때문에
식각단면의종횡비(aspect ratio)는커지고있는추세이다. 높은식
각단면종횡비를갖는구조를형성하기위해서는 PR의식각저항 성(resistance) 및해상도(resolution), line edge roughness(LER), PR
각면의기울기(faceting 정도) 등에따라발생하는문제해결이수반
되어야한다. PR의식각특성에따라그하층구조의식각형태가
달라지게되므로 PR의식각기구를규명하는일은고집적화에따 라요구되는최종식각형태를형성하는데반드시수행되어야할 과제이다. 본연구에서는 PR에대한실리콘산화막의식각선택도 메커니즘을이온의입사각과바이어스전압의변화에초점을두고 조사하였다. PR의식각에있어서플라즈마화학종과이온이식각속
도나식각구조에미치는영향은산화막의식각에서와어떻게다르 며, 특히 PR 식각속도의각도의존성이산화막의그것과어떠한메 커니즘에의해다른형태를보이게되는지정성적인방법을통해 고찰하였다. 여기서 PR 및산화막의각면기울기에따른이온의입
사각도를조절하기어렵고미세패턴의식각양상을관찰하는것은 불가능하기때문에파라데이상자(faraday cage)를사용하여이러한 문제점을해결하고각도에따른식각속도를관찰하였다.
2. 실 험
이연구에서는감광성고분자물질로서서울대학교반도체공동 연구소의표준제공포토레지스트(photoresist, PR)인 AZ1512의조
건을사용하여식각실험을진행하였다. 실험에사용된 PR 시료의 두께는약 12,000 Å으로 p-type Si wafer 위에 HMDS를바른후
4,000 rpm으로 35초동안 spin coating하였다. 한편, 비교를위하여 사용한실리콘산화막은 p-type Si wafer 위에 thermal oxidation 방
법으로약 5,000 Å의두께로성장시켜준비하였다.
실험에사용한식각장비는 Fig. 1과같이유도결합형플라즈마
(inductively coupled plasma, ICP) 가운데서도 TCP(transfoemer
coupled plasma)라불리는 ICP 유형의플라즈마소스를사용한식
각장비를사용하였다.
식각중기판으로의이온입사각도는 Fig. 1에나타낸것과같이 식각장치내부에장착한파라데이상자를사용하여조절하였다. 파 라데이상자는그전기적특성으로인하여내부에장착된시편및
시편지지대(sample holder)의배치에관계없이이온들을상자위쪽
의 grid 면에수직으로입사하게한다[2]. 그러므로이온의평균자
유행로(mean free path)가충분히큰낮은압력에서시편지지대의
각도를조절함으로써시편으로의이온입사각도를조절할수있다.
실험에사용한파라데이상자는 Fig. 2와같이높이가 15 mm인구
리재질의벽면과덮개 grid로구성되며, grid는직경 0.1 mm의황
동선을 0.5 mm 간격으로엮은것이다. 또한, 각각다른각도의경
사면을가진높이 4 mm의시편지지대는스테인리스스틸로제조
되었으며, 이들을파라데이상자내부에측정위치가동심원을이 루도록배치하여고정하였다.
식각실험은 CHF3플라즈마에서수행하였으며, 탄소와불소의함 량비율이다른 CF4, C4F8기체를사용하여추가적인실험을진행하고
CHF3플라즈마조건에서의상태와비교하고자하였다. 식각기체는
4 sccm의유속으로공급하였으며, 반응기내부의압력은 5~6 mTorr
로유지하였다. Cathode의표면온도는내부로냉각수를흘려 15oC
로고정하였으며, Source power는 150 Watt로통일하였다. 또한, 바
이어스전압은−100 V에서최대−400 V까지변화시켰으며각바이
어스전압에서 2분 30초동안식각을진행하여식각속도의재현성 을얻었다. 이온의입사각도는 0o, 15o, 30o, 40o, 50o, 60o, 70o, 80o, 90o로조절하여이온입사각도에따른식각속도를관찰하였다.
실험전후의두께는두께측정장치(Spectra Thick 2000-Deluxe,
K-mac)를사용하여측정하였다. 각도를갖는시편은각측정지점
의식각속도를동일조건에서정규화된 0o시편의식각속도로보 정하여이온플럭스의균일성을유지하고오차를줄였다.
3. 결과 및 고찰
고밀도 CHF3를이용한 PR과 SiO2의식각실험에서이온의입사 각도에따른각각의식각속도는바이어스전압에따라서로판이하 게다른형태를보였다. 마스크로써다른형태를보이는 PR의각도
의존적식각 mechanism은하층부에위치하게되는 SiO2의선택적
식각에큰영향을미친다. 이연구에서는바이어스전압과이온의 입사각이 PR과 SiO2의식각형태에어떠한변화를주는지알아보 았다.
Fig. 1. TCP Etcher.
Fig. 2. Faraday cage and substrates arrangement.
3-1. Photoresist와 SiO2의식각속도비교
CHF3플라즈마에서 Source power를 150 W로고정하고−100 V,
−400 V의바이어스전압에대하여 PR의식각속도를이온의입사
각도에따라나타내어 Fig. 3에도시하였다. PR의식각속도는이
온의입사각도가 50o가될때까지는큰변화없이거의일정하게
유지가되고, 그후부터이온입사각도가증가함에따라식각속도 가감소하는형태를보였다. 또한, 90o에서는식각속도가음의값 을보이는증착현상을나타내었으며, 바이어스전압이 −400 V로 증가함에따라식각속도는전체적으로증가하였다. 한편, 이와는대
조적으로 SiO2의식각속도의각도의존성은코사인곡선과비슷한
경향을보인다고여러논문에서보고되었다[2-5]. Fig. 4에서는위
PR과동일식각조건에서실험하여산출한산화막의식각속도를
이온의입사각도에따라나타내었다. 식각속도는이온입사각도 가증가함에따라서서히점진적으로감소하였으며, −400 V의 90o
각도에서증착현상을관찰하였다. SiO2의식각속도는같은바이어 스전압에서 PR의식각속도보다높았다.
각도에따른식각속도및식각특성을수월하고효과적으로비 교하기위해서 PR과 SiO2에대하여각각 Fig. 5, Fig. 6에서처럼다 양한각도를가지는시편의식각속도(etch rate, ER)를 0o에서의식
각속도로나눈값, 즉, ER(θ)/ER(0o)로정의되는정규화된식각속 도(normalized etch rate, NER)를구하였다. PR의 NER은바이어스
Fig. 3. Etch rates of photoresist.
Fig. 4. Etch rates of SiO2.
Fig. 5. NERs of photoresist.
Fig. 6. NERs of SiO2.
고밀도 CHF3 플라즈마에서 바이어스 전압과 이온의 입사각이 Photoresist의 식각에 미치는 영향 501 전압에관계없이 50o까지는대체적으로일정하였으나 50o이상의
각도에서바이어스전압의증가에따라약간증가하는경향을보였 다. 또한, PR의 NER은바이어스전압에관계없이시편에입사하는 입자의플럭스변화를의미하는코사인곡선에서상당히위로올라
간형태가나타났다. 이러한 over-cosine 경향은물리적스퍼터링을
의미하는것으로알려져있다[4]. 즉, 물리적스퍼터링을의미하는
over-cosine 경향이바이어스전압이증가함에따라 50o이상의이
온입사각도에서점점더심하게나타나고있는것을알수있다.
이온의입사각도에따라나타낸 SiO2의 NER은 PR의 NER 그
래프와비교함으로써효과적으로분석할수있다. SiO2의경우에는
−100 V의 NER 곡선이코사인곡선을거의따르면서화학적스퍼
터링경향을나타냈으며[2], 바이어스전압이−400 V로증가함에따
라 NER 곡선도대부분의이온입사각도에서증가하는경향을보였
다. 하지만−400 V에서 SiO2의 NER 최대값은−100 V에서 PR의
NER 최소값보다작게관찰되었다. 이결과로부터, PR과 SiO2의 식각은서로다른식각기구의영향을받으면서진행되기때문에 두물질의식각수율이각도및바이어스전압등에따라서로다른 형태를보인다고할수있다. 위에언급한각도에따른두물질의
상이한식각속도변화의결과는이온의입사각도가증가할수록 감소하게되는이온플럭스의영향을내포하고있다. 따라서이러 한이온플럭스의영향을배제하고각각도에서의상대적인수율을 조사하기위해정규화된식각수율(normalized etch yield, NEY)을 Fig. 7과 Fig. 8에도시하였다. 나타낸 NEY는 PR과 SiO2의 NER을 코사인값으로나눈것으로서임의의각도에서의식각수율을 0o에 서의식각수율로나눈값[EY(θ)/EY(0o)]과동일하다. Fig. 7로부터
PR의식각수율이 50o이상의높은이온입사각도영역에서부터바
이어스전압에따라차이를보이고있음을확인하였으며, −100 V에서
−400 V로증가함에따라최대식각수율을보이는각도가 60o에서
70o로증가하였다. 높은각도에서는충돌이온이쉽게반사되며, 바닥 면으로부터발생한입자의증착또한쉽게일어나기때문에식각수 율이급격히감소하는현상이나타난다.
이연구에서진행한것과같은플라즈마식각은화학적스퍼터링 과물리적스퍼터링의두가지식각기구에의해서진행된다[4]. Cho
등은식각이완전히화학적스퍼터링에의해지배받을경우, 표면 에전달되는이온의에너지가 cos2θ(θ, 이온의입사각도)에비례한
다는가정을바탕으로식각수율은입사각도의코사인값에비례함 을주장하였다[2]. 한편, Mayer 등은 Cl+/Si와 CFx+/Si의반응성이 온빔식각에서코사인곡선과비슷한식각수율그래프를얻었고,
이러한결과를입사각도가수직일때반응성이온의주입이최대 가되어표적원자와화학결합에의한식각이최대가되기때문으 로설명하였다[6]. 반면에, 지배식각기구가화학반응이관여하지 않는물리적인스퍼터링인경우에는이온의운동량전달이중간각
도(60~75o)에서최대가되므로[4] 이온입사각도에따른식각수율
도중간각도영역에서최대가된다. 이와같이이온의입사각도에 따라단조감소하는화학적스퍼터링에의한식각수율과중간각 도에서최대가되는물리적스퍼터링수율의경쟁반응과그조합 정도에따라 Fig. 7과 Fig. 8에서나타낸 PR과 SiO2의특정적인식 각수율의각도의존성에영향을미치게된다. 실제로, 물리적인스 퍼터링의영향을알아보기위해반응식각생성물이생성되지않는
Ar 조건의플라즈마에서식각실험을진행하였을때, PR의경우
NER과 NEY가 Fig. 9와 Fig. 10과같이나타났으며, 이로부터 PR의 고유식각특성이물리적스퍼터링으로부터기인하고있음을확인 할수있다. 이온의입사각도가증가할수록물리적스퍼터링에의 한식각수율이증가하고있으며, 이것이 PR의지배적식각기구를 형성하고있다.
3-2.정상상태불화탄소고분자박막의두께
불화탄소기반의플라즈마식각에있어서여러다양한물질들의 표면에정상상태의얇은불화탄소고분자박막(CFx film)이형성되 고, 이고분자박막은매우중요한식각변수의역할을하고있음을
여러연구자들이제시하였다[7-13]. 또한, 식각은반드시이 CFx film Fig. 7. NEYs of photoresist.
Fig. 8. NEYs of SiO2.
을통하여진행되어야만한다는것을확인하였다. 일반적으로 CFx
film은 fluorine 비율이상대적으로적은플라즈마기체에서바이어
스가걸리지않은차가운표면에쉽게증착되며, 고밀도플라즈마
에서는 CFx film의증착률이바이어스전압에따라영향을받는다.
이실험의결과에서도관찰할수있듯이식각을진행할때특정각 도이상의영역에서식각수율이증가하는현상이나타난다. 이는앞 서언급한물리적스퍼터링의영향뿐만아니라시편의표면에형성
되는 CFx film의두께변화가주요한요소로서식각에영향을미치
고있기때문이다. CFx박막은이온이기판의표면위에직접충돌 하는것을방지하고, 반응성화학종이식각표면으로확산하는속
도를억제함으로써기판의식각속도에영향을준다. Fig. 11에서는
Fig. 3에서보인 CHF3플라즈마조건의 −400 V 결과에식각기체
를 CF4와 C4F8으로바꾸어얻은결과를추가하여서로비교하였다.
그림과같이탄소와불소의비율이다른식각기체를사용하여식 각을진행함으로써 PR 위에상당한두께의차이가있는 CFx박막 을형성하였고, 그두께에따라식각속도가달라짐을확인하였다.
식각주입기체의탄소함량비율이적을수록식각속도가높았는 데, 이는식각기체의탄소함유율이높을수록형성되는정상상태 불화탄소고분자막의두께가두꺼워지기때문이다. Fig. 12에서는
Fig. 9. NERs of PR at −100 V and −400 V in a Ar plasma.
Fig. 10. NEYs of PR at −100 V and −400 V in a Ar plasma.
Fig.11.Etch rates of PR at −400 V in various gases different in C/F ratio.
Fig. 12. NERs of PR in a CHF3 and CF4.
고밀도 CHF3 플라즈마에서 바이어스 전압과 이온의 입사각이 Photoresist의 식각에 미치는 영향 503
CHF3기체를사용하여보다두꺼운 CFx film을형성했을경우, 그보
다얇은고분자막이형성되는 CF4의경우와비교하여각도가증가
할수록 NER은보다 over-cosine의형태를보이며중간각도영역에
서식각수율이증가함을확인하였다. 이는, 식각을억제하고있던
두꺼운 CFx film이각도가증가함에따라얇아져중간각도에서는
이온의에너지가시편으로충분히전달되기때문이다. 반면두께가 두껍지않았던 CFx film의경우에는각도가증가하여 CFx film이 얇아져도이온의에너지전달은수평한시편과각도를가진시편 사이에큰차이가없었기때문에중간각도영역에서의식각수율의 증가정도가덜하였다고판단된다.
PR과 SiO2위에형성되는서로다른두께의 CFx film의거동도 같은경향을보인다. 따라서 Fig. 7과 Fig. 8에보인 PR과 SiO2의 식각수율그래프는이온의입사각도및바이어스전압등에따라 변화하는 CFx박막의두께에의해서형태및특성이다르게나타난 다. 반응성이온에의한물리적인식각이진행될때이온입사각 도가증가할수록이온의운동량전달이증가하기때문에이온운동 량전달이최대가되는각도의영역에서최대의식각수율을보인 다. 기판의표면위에형성되는 CFx박막도입사하는이온의각도 가증가하면서같은영향을받게되며, 그두께에변화가일어나게 된다. PR을구성하는화학적특성상 PR 위의 CFx박막에대한두 께의정량적인측정은불가능하지만위와같은정성적인방법으로 분석이가능하다고하겠다.
식각속도는바이어스전압과이온의에너지에비례하여표현된 다. 이온에너지가증가하면 CFx박막의식각속도가증가할뿐만 아니라 PR의식각속도도함께증가하여 CFx박막의소비량이증 가한다[14]. 때문에바이어스전압이−100 V에서−400 V로증가하
면서 CFx박막의두께가상당히감소하게된다. Fig. 7에서확인한
바와같이 PR의식각수율이약 50o까지는각바이어스전압영역 에서일정한경향을보이다가그이상의각도에서바이어스전압 증가에따라증가하는것은, 높은바이어스전압에서기울어진시
편의 CFx박막의두께감소비율이커지기때문이다. 또한, 이온에 너지가높은경우에는이온이 CFx박막을투과하여표면과직접충 돌함으로써 PR의식각수율을증진시킬수있다.
불화탄소플라즈마를사용하여 SiO2를식각하는경우, Si 원자는
주로 F 라디칼과반응하여 SiF2또는 SiF4등을 O 원자는주로 CF2
라디칼과반응하여 CO, CO2, COF2등의휘발성생성물을발생시
킨다[15-17]. 같은원리로 SiO2위에형성된 CFx박막은 O 원자와 반응하여휘발성생성물로제거되면서 PR보다상대적으로얇은불
화탄소고분자막으로형성된다. 물질에따라다르게형성된 CFx
박막의두께는시편의기울어진정도에따라또다르게나타난다.
이는 CFx박막을통해입사하는이온의투과깊이에직접적인영향 을주며이온입사각도에따른식각수율차를유발할수있다.
3-3.식각 수율이식각선택도에미치는영향
Fig. 13은 PR에대한 SiO2의식각선택도를이온의입사각도에 대한함수로나타낸그래프이다. 80o이상의시편표면에서는식각
속도의현저한저하로인해식각선택비를산출하는과정에상당한 오차를유발할수있으며증착만이일어나는경우도있기때문에 그이상의값들을배제한그래프로도시하였다.
식각선택도는바이어스전압과이온의입사각에의존하며변하
였다. −100 V일때가−400 V일때에비하여전각도영역에서높
은값을보였으며, 바이어스전압에관계없이이온입사각도가증 가함에따라감소하는경향을보였다. 이결과는 PR을마스크로사 용하는산화막의식각이각도에따라진행될때그식각형태를유 추할수있는공정모사등에매개변수등을제공할수있다. 이온
입사각도에따른산화막의식각기구가여러연구를통해알려진 반면에 PR의각도의존성자료는부족하기때문에식각선택비의 각도의존성을유추하기위해서는 PR의각도에따른식각수율데 이터의확보가필요하다. 이와같은 PR에대한 SiO2의식각선택도 의각도의존성은각각의식각수율의각도의존성에의해결정된
다. Fig. 13에나타낸것과같이바이어스전압에관계없이이온입
사각도가증가함에따라식각선택도가감소하는것은 photoresist
의각도에따른식각수율의증가폭이산화막의경우보다크게나 타나기때문이며상대적으로두껍게형성된 PR 표면의 CFx박막 두께가중간각도이상의영역에서큰폭으로감소하기때문이다.
한편, 바이어스전압이증가함에따라식각선택도의전체적인값 이감소하였는데, 이는이온에너지에의한물리적식각이지배적
인 PR이높은바이어스전압에서높은식각수율을보이기때문이다.
4. 결 론
고밀도 CHF3플라즈마식각에서 PR과 SiO2의식각속도의각도 의존성및 PR에대한 SiO2의식각선택도가이온입사각도와바 이어스전압에따라변화하는특성을관찰하였다.
PR의경우, 정규화된식각수율(NEY)은이온입사각도에따라
함께증가하였으며, 그값은 –400V일때 70o에서 2.3이었고, −100V
일때 60o에서 1.6을나타내었다. NEY가중간각도에서증가하는것 은 PR 자체의고유식각속성이물리적인스퍼터링에지배적인영 향을받기때문이기도하지만표면에형성되는 CFx박막의두께가 물리적인스퍼터링으로인해감소하는탓도있다.
PR에대한 SiO2의식각선택도는이온입사각도와바이어스전압
Fig. 13. Etch selectivity of SiO2 to photoresist.
에따라큰차이를보였다. 0o시편의경우바이어스전압이−100V
에서−400 V로증가할때식각선택도가 2.9에서 1.8로감소하였다.
즉, 식각선택도는전각도에서바이어스전압이증가할때감소하 는경향을보였으며, 이는바이어스전압이증가함에따라 SiO2보다
PR의경우에물리적인영향에의한식각속도가빠르게증가하였기
때문이다. 또한, 바이어스전압에관계없이이온입사각도가증가함 에따라식각선택도는감소하는경향을나타내는데이는중간각도 이상의영역에서급속히증가하는 PR의식각수율이원인이다.
감 사
이논문은 Brain Korea 21 project, Center for Ultramicrochemical Systems(CUPS), National Research Laboratory program의지원으로
수행되었는바, 그동안의지원에감사를드립니다.
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