4. Механізм плазмохімічних та іонно-хімічних травлень матеріалів

Травлення матеріалів (твердих тіл) в процесах ПХТ здійснюється в результаті гетерогенних хімічних реакцій на кордоні розділу фаз: газорозрядна плазма - поверхня оброблюваного матеріалу. Ці процеси складаються з наступних стадій:

1) транспорт реактивних частинок плазми до поверхні оброблюваного

матеріалу;

2) адсорбція реактивних частинок на поверхні;

3) власне хімічна реакція з утворенням летючого з'єднання;

4) десорбція молекул продукту реакції з поверхні;

5) видалення молекул продукту реакції при поверхневої області.

Гетерогенна хімічна реакція травлення може протікати тільки в тому випадку, коли забезпечується безперервна доставка реактивних частинок до оброблюваної поверхні і коли відбувається безперервне видалення продуктів реакції. Швидкість процесу в цілому визначається швидкістю найбільш повільної (лімітуючої) стадії.

5. Механізм взаємодії хімічно активних іонів з матеріалами при іхт.

При ІХТ з хімічно активної плазми, яка утримується в автономному джерелі, відбираються хімічно активні іони, прискорюються до певних енергій (зазвичай 200 - 500 еВ) та спрямовуються на оброблювану поверхню. Відстань плазми від оброблюваного матеріалу і малий час життя радикалів практично виключають їх участь в процесі травлення.

Основну частину позитивно заряджених іонів в хімічно активній плазмі становлять молекулярні іони, наприклад, CF₃+, CCl_­3+, CHF₂⁺+І т.п. При взаємодії молекулярних енергетичних іонів (Е > 10 еВ) з твердим тілом відбуваються зіткнення кожного з атомів, складових іон, з атомами твердого тіла в результаті чого повністю руйнуються зв'язки між атомами в іоні, тобто молекулярний іон фрагментируєтся на атоми. Утворилися при фрагментації іона вільні атоми гальмуються в твердому тілі як вільні енергетичні частинки, параметри гальмування яких визначаються їх індивідуальними характеристиками, такими як енергія, маса і атомний номер.

Внаслідок відносно високої енергії хімічно активних іонів при ІХТ процеси хімічної взаємодії, на відміну від ПХТ, протікають не тільки на поверхні оброблюваного матеріалу, але й на певній глибині в ньому. Так, наприклад, при ІХТ кремнію іонами CF₃+ З енергією 500 еВ хімічні реакції аналогічні розглянутим раніше в процесах ПХТ, проте вирізняється при дисоціації CF₃⁺ Вуглець не тільки повністю покриває поверхню кремнію, але і викликає утворення видозміненого шару кремнію товщиною близько 2,5 нм. При цьому на глибину до 0,5 нм від поверхні поширюється структура карбіду кремнію - SiC, від 0,5 до 1 нм - структура, перехідна до структури графіту, і на глибині більше 1 нм вуглець утворює структуру графіту.

Хімічні реакції при ІХТ повинні йти швидше, ніж у процесах ПХТ, оскільки іонна бомбардування в значній мірі послаблює і розриває зв'язки атомів оброблюваного матеріалу, тобто знижує енергію активації реакції, що призводить до утворення продуктів взаємодії.

Процес взаємодії хімічно активних енергетичних іонів з матеріалами є сумою процесів фізичного розпилення і хімічної взаємодії, в результаті яких відбувається травлення матеріалу. При достатньо великих енергіях (≥ 500еВ) ймовірність хімічної взаємодії іонів з атомами матеріалу мала. Тому на першому етапі процесу ІХТ основну роль відіграє фізичне розпорошення матеріалу і адсорбованих на його поверхні чужорідних атомів. У міру того, як в результаті гальмування іон втрачає енергію починає переважати хімічну взаємодію з атомами матеріалу.

У зв'язку з тим, що процес ІХТ несе в собі елементи фізичного розпилення, має місце залежність швидкості травлення від кута падіння іонів.

6. Дефекти в при поверхневих шарах кремнію після реактивно-іонного травлення.

При плазмохімічній обробці в при поверхневій області кремнієвої пластини неминуче вносяться дефекти. Освіта дефектів викликано як забрудненням, так і радіаційним порушенням при поверхневого шару напівпровідника. Структура порушеного в внаслідок реактивно-іонного травлення шару кремнію включає, як правило, тонку (одиниці нм) полімерну плівку, наприклад, (CF2) n і далі порушений шар, збагачений домішками (F, C) та іншими дефектами кристалічної решітки, і область «просочування» глибиною до декількох мкм.

Фтор і вуглець є залишками частинок плазми, головним чином іонів, які внаслідок досить високої кінетичної енергії впроваджуються в кремній. Присутність фтору, пов'язаного в SiFx(X = 1,2,3), спостерігається в малих кількостях, так як фтор в основному випаровується в складі продуктів взаємодії. Велика частина вуглецю зосереджена на поверхні, але в результаті іонного бомбардування деяка кількість вуглецю впроваджується в кремній до глибини ~ 10 нм. Концентрація накопичився вуглецю зростає з збільшенням тривалості обробки, а концентрація фтору практично не залежить від часу обробки.

В області «просочування» спостерігається утворення різного роду дефектів, яким відповідають глибокі локальні рівні в забороненій зоні кремнію. Освіта радіаційних дефектів на товщинах більше 1 мкм за час травлення кілька хвилин при кімнатній температурі зразка може бути якісно пояснено дифузією,прискореної точковими дефектами решітки, генерованими на поверхні кремнію іонним потоком. Профілі розподілу радіаційних дефектів, що утворилися в процесі реактивно-іонного травлення, виявляють сильну залежність глибини «просочування» від тиску в реакторі, оскільки із зменшенням тиску зростають енергії іонів і відповідно темп генерації точкових дефектів на оброблюваній поверхні. Концентрація і структура радіаційних дефектів з глибокими рівнями залежить від типу робочого газу, що пояснюється істотною роллю фізико-хімічних умов на поверхні кремнію в процесі травлення. Так, значно менша концентрація глибоких центрів після реактивно-іонного травлення вCF3Br в порівнянні з травленням в CF4 знаходить своє пояснення в якійсь захисної ролі атомів брому, що покривають поверхню кремнію. Крім іонного бомбардування, стимулюючою дією для створення дефектів може володіти УФ- випромінювання з плазми.

При реактивно-іонному травленні кремнію можливо також створення макродефектів. Наприклад, якщо поверхня кремнію перед45травленням канавок недостатньо добре очищена від оксиду, то острівці окисла можуть діяти при травленні в якості мікромаскі. У цьому випадку дно канавки виявляється безладно усіяним найтоншими голками різної висоти.

Особливу роль відіграють забруднення поверхні пластин кремнію при травленні атомами металів (Fe, Ni, Al та ін) за рахунок розпилення стінок реактора. Обмеження на забруднення такого типу в субмікронної технології мікроелектроніки дуже жорсткі, причому вони посилюються по міру просування в область все більше малих розмірів елементів на кристалі. Це висуває високі вимоги до захисних покриттів металевих стінок реактора.