In this paper, the emerging role of ionic species in plasma assisted chemical deposition processes is discussed in detail for commemorating the Career of John Coburn, who studied the role of ionic species in plasma etching processes forty years ago. It is shown that, in both plasma enhanced chemical vapor deposition and plasma enhanced atomic layer deposition processes, plasma ions can play a major role in tuning a wide range of physical properties of thin films. In both processes, the possibility of extracting plasma ions with a tunable incident kinetic energy driven on the substrate surface is shown to provide a valuable additional degree of freedom in plasma processing. While a too large incident kinetic energy of plasma ions may have damaging effects linked to surface sputtering and atomic peening, a relatively low energy ion bombardment ensures a substantial improvement of thin film purity and the effective tuning of their microstructural properties. This phenomenon is attributed to the synergetic effect boosting momentum transfer and chemical reactivity among radicals and ionic plasma species, which, in turn, modulates plasma-surface interactions. Taking advantage of these tunable physical properties opens up the way to a large array of pathways for selective deposition processes in both 2D and 3D nanoscale microstructures.

1.
J. W.
Coburn
and
Harold F.
Winters
,
J. Vac. Sci. Technol. A
16
,
391
(
1979
).
2.
J. W.
Coburn
and
Harold F.
Winters
,
J. Appl. Phys.
50
,
3189
(
1979
).
3.
J. R.
Webster
,
C. W.
Dyck
,
C. D.
Nordquist
,
J. A.
Felix
,
M. R.
Shaneyfelt
,
J. R.
Schwank
, and
J. C.
Banks
, 2005 43rd Annual IEEE International Reliability Physics Symposium, San Jose, CA (IEEE, 2005), pp. 330–336.
4.
K.-M.
Chang
,
W.-C.
Yang
, and
C.-P.
Tsai
,
IEEE Trans. Electron. Dev.
51
,
63
(
2004
).
5.
Alan K.
Fritz
and
Leonard J.
Olmer
,
IEEE Trans. Semicond. Mater.
30
,
426
(
2017
).
6.
H.
Miyajima
,
K.
Ishikawa
,
M.
Sekine
, and
M.
Hori
,
Plasma Process. Polym.
16
,
1
(
2019
).
7.
H. C.
Shiny
and
C.
Hu
,
Semicond. Sci. Technol.
11
,
463
(
1996
).
8.
A. H. M.
Smets
,
W. M. M.
Kessels
, and
M. C. M.
van de Sanden
,
J. Appl. Phys.
102
,
073523
(
2007
).
9.
A.
Michelmore
,
J. D.
Whittle
, and
R. D.
Short
,
Front. Phys.
3
,
1
(
2015
).
10.
B.
Kim
and
S.
Kim
,
J. Kor. Phys. Soc.
54
,
1187
(
2009
).
11.
R. G.
Andosca
,
W. J.
Varhue
, and
E.
Adams
,
J. Appl. Phys.
72
,
1126
(
1992
).
12.
L.
Martinu
and
D.
Poitras
,
J. Vac. Sci. Technol. A
18
,
2619
(
2000
).
13.
L.
Martinu
,
J. E.
Klemberg-Sapehia
,
O. M.
Küttel
,
A.
Ravel
, and
M. R.
Wertheimer
,
J. Vac. Sci. Technol. A
12
,
1360
(
1994
).
14.
J. C.
Angus
,
P.
Koidl
, and
S.
Domitz
,
Plasma Deposited Thin Films
, edited by
J.
Mort
and
F.
Jansen
(
CRC
,
Boca Raton
, FL,
1986
).
15.
J.
Robertson
,
Surf. Coat. Technol.
50
,
185
(
1992
).
16.
B.
Kalache
,
A. I.
Kosarev
,
R.
Vanderhaghen
, and
P.
Roca i Cabarrocas
,
J. Non Cryst. Solids
63,
299
302
(
2002
).
17.
D.
Goghero
,
A.
Goullet
,
G.
Borvon
, and
G.
Turban
,
Thin Solid Films
471
,
123
(
2005
).
18.
A.
Durandet
and
D. R.
McKenzie
,
J. Appl. Phys.
80
,
4707
(
1996
).
19.
O.
Joubert
,
R.
Burke
,
L.
Vallier
,
C.
Martinet
, and
R. A. B.
Devine
,
Appl. Phys. Lett.
62
,
228
(
1993
).
20.
K. L.
Seaward
,
J. E.
Turner
,
K.
Nauka
, and
A. M. E.
Nel
,
J. Vac. Sci. Technol. B
13
,
118
(
1995
).
21.
S. C.
Deshmukh
and
E. S.
Aydil
,
J. Vac. Sci. Technol. A
13
,
2355
(
1995
).
22.
S. M.
Han
and
E. S.
Aydil
,
J. Vac. Sci. Technol. A
14
,
2062
(
1996
).
23.
S.
Ratzsch
,
E. B.
Kley
,
A.
Tünnermann
, and
A.
Szeghalmi
,
Materials
8
,
7805
(
2015
).
24.
S.
Iwashita
,
T.
Moriya
,
T.
Kikuchi
,
M.
Kagaya
,
N.
Noro
,
T.
Hasegawa
, and
A.
Uedono
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
021515
(
2018
).
25.
T.
Faraz
 et al.,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
13158
(
2018
).
26.
T.
Faraz
,
M.
van Drunen
,
H. C. M.
Knoops
,
A.
Mallikarjunan
,
I.
Buchanan
,
D. M.
Hausmann
,
J.
Henri
, and
W. M. M.
Kessels
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
1858
(
2017
).
27.
T.
Faraz
,
K.
Arts
,
S.
Karwal
,
H. C. M.
Knoops
, and
W. M. M.
Kessels
,
Plasma Sources Sci. Technol.
28
,
024002
(
2019
).
28.
S.
Karwal
,
M. A.
Verheijen
,
B. L.
Williams
,
T.
Faraz
,
W. M. M.
Kessels
, and
M.
Creatore
,
J. Mater. Chem. C
6
,
3917
(
2018
).
29.
H. B.
Profijt
,
M. C. M.
Van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
J. Vac. Sci. Technol. A
31
,
01A106
(
2013
).
30.
C.
Cavallotti
,
M.
Di Stanislo
, and
S.
Carrà
,
Prog. Cryst. Growth
48/49
,
123
(
2004
).
31.
H. R.
Kaufman
and
J. M. E.
Harper
,
J. Vac. Sci. Technol. A
22
,
221
(
2004
).
32.
A.
von Keudell
,
Plasma Sources Sci. Technol.
9
,
455
(
2000
).
33.
D.
Li
,
S.
Elisabeth
,
A.
Granier
,
M.
Carette
,
A.
Goullet
, and
J. P.
Landesman
,
Plasma Process Polym.
13
,
918
(
2016
).
34.
D.
Li
,
S.
Dai
,
A.
Goullet
, and
A.
Granier
,
Plasma Process Polym.
16
,
1900034
(
2019
).
35.
F.
Thièry
,
C.
Vallée
,
Y.
Arnal
, and
J.
Pelletier
,
Surf. Coat. Technol.
186
,
146
(
2004
).
36.
P.
Reinke
,
W.
Jacob
, and
W.
Möller
,
J. Appl. Phys.
74
,
1354
(
1993
).
38.
T.
Scwarz-Selinger
,
A.
von Keudell
, and
W.
Jacob
,
J. Appl. Phys.
86
,
3988
(
1999
).
39.
K. G. Y.
Letourneur
,
S. C. M.
Aerts
,
M. C. M.
Van de Sanden
, and
D. C.
Schram
, Proceedings of the CIP’97, Le Mans, May 25–29 1997 (Société du Vide, 1997).
40.
W. S.
Tan
,
P. A.
Houston
,
G.
Hill
,
R. J.
Airey
, and
P. J.
Parbook
,
J. Electron. Mater.
33
,
400
(
2004
).
41.
F.
Piallat
,
C.
Vallée
,
R.
Gassilloud
,
P.
Michallon
,
B.
Pelissier
, and
P.
Caubet
,
J. Phys. D Appl. Phys.
47
,
185201
(
2014
).
42.
P. D.
Szkutnik
,
M.
Aoukar
,
V.
Todorova
,
L.
Angélidès
,
B.
Pelissier
,
D.
Jourde
,
P.
Michallon
,
C.
Vallée
, and
P.
Noé
,
J. Appl. Phys.
121
,
105301
(
2017
).
43.
W. S.
Yoo
,
R.
Swope
, and
D.
Mordo
,
Jpn. J. Appl. Phys.
36
,
267
(
1997
).
44.
P.
Noé
,
C.
Vallée
,
F.
Hippert
,
F.
Fillot
, and
J.-Y.
Raty
,
Semicond. Sci. Technol.
33
,
013002
(
2018
).
45.
K.
Xu
,
L.
Souriau
,
D.
Hellin
,
J.
Versluijs
,
P.
Wong
,
D.
Vangoidsenhoven
,
N.
Vandenbroeck
,
H.
Dekkers
,
X.
Shi
,
J.
Albert
,
C.L.
Tan
,
J.
Vertommen
,
B.
Coenegrachts
,
I.
Orain
,
Y.
Kimura
,
V.
Wiaux
, and
W.
Boullart
,
J. Micro/Nanolithogr. MEMS MOEMS
12
(
4
),
041302
(
2013
).
46.
C.
Detavernier
,
J.
Dendooven
,
D.
Deduytsche
, and
J.
Musschoot
,
ECS Trans.
16
,
239
(
2008
).
47.
H.
Kim
and
I.-K.
Oh
,
Jpn. J. App. Phys.
53
,
03DA01
(
2014
).
48.
49.
H. B.
Profijt
,
S. E.
Potts
,
M. C. M.
Van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
J. Vac. Sci. Technol. A
29
,
050801
(
2011
).
50.
H. C. M.
Knoops
,
T.
Faraz
,
K.
Arts
, and
W. M. M.
Kessel
,
J. Vac. Sci. Technol. A
37
,
030902
(
2019
).
51.
S. M.
Rossnagel
,
A.
Sherman
, and
F.
Turner
,
J. Vac. Sci. Technol. B
18
,
2016
(
2000
).
52.
H.
Kim
,
C.
Cabral
,
C.
Lavoie
, and
S. M.
Rossnagel
,
J. Vac. Sci. Technol. B
20
,
1321
(
2002
).
53.
E.
Langereis
,
M.
Creatore
,
S. B. S.
Heil
,
M. C. M.
Van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
081915
(
2006
).
54.
R.
Ovanesyan
,
E. A.
Filatova
,
S. D.
Elliott
,
D. M.
Hausslann
,
D. C.
Smith
, and
S.
Agarwal
,
J. Vac. Sci. Technol. A
37
,
060904
(
2019
).
55.
H. C. M.
Knoops
,
E.
Langereis
,
M. C. M.
Van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
J. Electrochem. Soc.
157
,
G241
(
2010
).
56.
S. V.
Nugyuen
,
IBM J. Res. Dev.
43
,
109
(
1999
).
57.
H. B.
Profijt
,
M. C. M.
Van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
Electrochem. Solid State
15
,
G1
(
2012
).
58.
A.
Chaker
,
C.
Vallée
,
V.
Pesce
,
S.
Belahcen
,
R.
Vallat
,
R.
Gassilloud
,
N.
Posseme
,
M.
Bonvalot
, and
A.
Bsiesy
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
043101
(
2019
).
59.
S.
Belahcen
,
C.
Vallée
,
A.
Bsiesy
, and
M.
Bonvalot
, 19th International Conference on Atomic Layer Deposition, Bellevue, WA, 21–24 July 2019 (unpublished).
60.
M.
Koster
and
H. M.
Urbassek
,
Phys. Rev. B
63
,
224111
(
2001
).
61.
T.
Takagi
,
J. Vac. Sci. Technol. A
2
,
382
(
1984
).
62.
A. J. M.
Mackus
,
A. A.
Bol
, and
W. M. M.
Kessels
,
Nanoscale
6
,
10941
(
2014
).
63.
A. J. M.
Mackus
,
M. J. M.
Merkx
, and
W. M. M.
Kesselsl
,
Chem. Mater.
31
,
2
(
2019
).
64.
K.
Cao
,
J.
Cai
,
X.
Liu
, and
R.
Chen
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
010801
(
2018
).
65.
R.
Clark
,
K.
Tapily
,
K.-H.
Yu
,
T.
Hakamata
,
S.
Consiglio
,
D.
O’Meara
,
C.
Wajda
,
J.
Smith
, and
G.
Leusink
,
APL Mater.
6
,
058203
(
2018
).
66.
K. J.
Hughes
and
J. R.
Engstrom
,
J. Vac. Sci. Technol. A
30
,
01A102
(
2012
).
67.
R. C.
Longo
,
S.
McDonnell
,
D.
Dick
,
R. M.
Wallace
,
Y. J.
Chabal
,
J. H. G.
Owen
,
J. B.
Ballard
,
J. N.
Randall
, and
K.
Cho
,
J. Vac. Sci. Technol. B
32
,
03D112
(
2014
).
68.
B.
Kalanyan
,
P. C.
Lemaire
,
S. E.
Atanasov
,
M. J.
Ritz
, and
G. N.
Parsons
,
Chem. Mater.
28
,
117
(
2016
).
69.
S. E.
Atanasov
,
B.
Kalanyan
, and
G. N.
Parsons
,
J. Vac. Sci. Technol. A
34
,
01A148
(
2016
).
70.
D.
Dick
,
J. B.
Ballard
,
R. C.
Longo
,
J. N.
Randall
,
K.
Cho
, and
Y. J.
Chabal
,
J. Phys. Chem. C
120
,
24213
(
2016
).
71.
A. J. M.
Mackus
,
N.
Leick
,
L.
Baker
, and
W. M. M.
Kessels
,
Chem. Mater.
24
,
1752
(
2012
).
72.
M.
Yan
,
Y.
Koide
,
J. R.
Babcock
,
P. R.
Markworth
,
J. A.
Belot
,
T. J.
Marks
, and
R. P. H.
Chang
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1709
(
2001
).
73.
R.
Chen
,
H.
Kim
,
P. C.
Mclntyre
, and
S. F.
Bent
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
4017
(
2004
).
74.
M. H.
Park
,
Y. J.
Jang
,
H. M.
Sung-Suh
, and
M. M.
Sung
,
Langmuir
20
,
2257
(
2004
).
75.
K. J.
Park
,
J. M.
Doub
,
T.
Gougousi
, and
G. N.
Parsons
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
051903
(
2005
).
76.
R.
Chen
and
S. F.
Bent
,
Adv. Mater.
15
,
1086
(
2006
).
77.
E.
Färm
,
M.
Kemell
,
M.
Ritala
, and
M.
Leskelä
,
Chem. Vap. Depos.
12
,
415
(
2006
).
78.
E.
Farm
,
M.
Vehkamaki
,
M.
Ritala
, and
M.
Leskelä
,
Semicond. Sci. Technol.
27
,
074004
(
2012
).
79.
M.
Fang
and
J. C.
Ho
,
ACS Nano
9
,
8651
(
2015
).
80.
F. S. M.
Hashemi
,
C.
Prasittichai
, and
S. F.
Bent
,
ACS Nano
9
,
8710
(
2015
).
81.
A.
Mameli
,
M. J. M.
Merkx
,
B.
Karasulu
,
F.
Roozeboom
,
W. M. M.
Kessels
, and
A. J. M.
Mackus
,
ACS Nano
11
,
9303
(
2017
).
82.
R.
Vallat
,
R.
Gassilloud
,
B.
Eychenne
, and
C.
Vallée
,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
01B104
(
2017
).
83.
R.
Vallat
,
R.
Gassilloud
,
O.
Salicio
,
K.
El Hajjam
,
G.
Molas
,
B.
Pelissier
, and
C.
Vallée
,
J. Vac. Sci. Technol. A
37
,
020918
(
2019
).
84.
M. F. J.
Vos
,
S. N.
Chopra
,
M. A.
Verheijen
,
J. G.
Ekerdt
,
S.
Agarwal
,
W. M. M.
Kessels
, and
A. J. M.
Mackus
,
Chem. Mater.
31
,
3878
(
2019
).
85.
S. K.
Song
,
H.
Saare
, and
G. N.
Parsons
,
Chem. Mater.
3
,
4793
(
2019
).
86.
W. H.
Kim
 et al.,
ACS Nano
10
,
4451
(
2016
).
87.
J. K.
Sprenger
,
H.
Sun
,
A. S.
Cavanagh
, and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
01A118
(
2018
).
88.
J. K.
Sprenger
,
H.
Sun
,
A. S.
Cavanagh
,
A.
Roshko
,
P. T.
Blanchard
, and
S. M.
George
,
J. Phys. Chem. C
122
,
9455
(
2018
).
89.
M.
Hirayama
and
S.
Sugawa
,
Jpn. J. Appl. Phys.
58
,
110902
(
2019
).
You do not currently have access to this content.