2.3 Травление кремния гексафторидом серы

Рассмотрим травление кремния гексафторидом серы (SF₆) в процессе РИПТ. В этом случае кремний удаляется в основном в результате протекания реакции , при которой зажжённая плазма гексафторида серы приводит к диссоциации этого вещества на серу и фтор, а также на радикальные комплексы . Образованные атомы фтора хемосорбируются кремнием, а образовавшийся фторид кремния десорбируется с кремния за счёт нагрева кремния и ударных процессов в плазме (давление насыщенных паров больше давления плазменной среды).

Однако при невысокой химической активности свободных атомов и радикалов к обрабатываемому материалу или при образовании нелетучих продуктов реакции основной вклад в травление материала вносит процесс физического распыления. Это происходит, например, при травлении кремния и его соединений в ненасыщенных или водородсодержащих фторуглеродах, при травлении кремния и оксида алюминия в хлорсодержащей плазме, при травлении ниобата лития в плазме SF₆.

2.4 Плазменное атомно-слоевое травление и осаждение

Технология плазменного атомно-слоевого травления тесно связана с процессом атомно-слоевого осаждения из-за общей идеи взаимодействия материала дисперсной среды (плазмы, газа, пара) с целевым (обрабатываемым) материалом.

Атомно-слоевое травление (АСТ (англ. ALE)) – циклический процесс воздействия на верхний атомарный слой материала X ускоренными ионами в вакууме. В целом каждый цикл можно представить в виде четырёх этапов. Первый этап – напуск активного (травильного) газа (например, хлора) для минимизации энергии взаимного притяжения атомов материала и формирования в результате его адсорбции на поверхности материала X молекулярного слоя соединения XCl_x. Травильный газ часто диссоциируется в плазме для увеличения скорости адсорбции. При правильном выборе травильного газа и параметров можно добиться самоограничения, когда протекание химических реакций прекращается после формирования одного монослоя. Самоограничивающиеся реакции относятся к тем реакциям, которые замедляются или прекращаются как функция времени или, эквивалентно, как функция дозы вида.

Следующий шаг – продувка всего остаточного травильного газа. Затем идёт нагрев подложки с бомбардировкой поверхности инертными ионами низкой энергии (например, аргона), которые удаляют (травят) прореагировавший поверхностный слой XCl_x. Здесь также можно добиться самоограничения, если энергии ионов достаточно для удаления химически модифицированного слоя, но недостаточно для травления нижележащего объёмного материала.

Последним шагом проводят удаление продуктов травления из рабочей камеры.

Метод получил наиболее широкое практическое применение в производстве полупроводниковых структур на основе кремния и его соединений. В отличие от классических методов химического и плазмохимического травления, АСТ имеет ряд особых преимуществ: скорость, равномерность, а также возможность селективного травления отдельных материалов многослойной гетероструктуры на кремниевой подложке.

Атомно-слоевое осаждение (АСО (англ. ALD)) так же, как и АСТ – это получение тонких плёнок в циклическом процессе, в котором подложка подвергается воздействию двух реактивов A и B последовательным, не перекрывающимся образом. В отличие от других технологий, таких как химическое осаждение из паровой фазы (англ. CVD), где рост тонкой плёнки происходит в постоянном режиме, в ALD каждый реактив реагирует с поверхностью самоограниченно: молекулы реактива могут реагировать только с конечным числом реактивных участков на поверхности. Как только все эти участки будут израсходованы в реакторе, рост прекращается. Оставшиеся молекулы реактива смываются, и только после этого в реактор вводится реактив B. Попеременное воздействие А и В приводит к осаждению тонкой плёнки.

Процесс ALD может быть термическим и плазменным. Термический ALD требует относительно высоких температур (обычно 150–350 °C). Он происходит за счёт поверхностных реакций, что позволяет точно контролировать толщину независимо от геометрии подложки и конструкции реактора.

Синтез Al2O3 из триметилалюминия (ТМА) и воды является одним из наиболее известных примеров термического ALD. Во время воздействия ТМА диссоциативно хемосорбируется на поверхности подложки, а оставшийся ТМА откачивается из камеры. В результате диссоциативной хемосорбции ТМА на поверхности остается AlCH3. Затем поверхность подвергается воздействию паров H2O, которые реагируют с поверхностным -CH3, образуя CH4 в качестве побочного продукта реакции и приводя к гидроксилированной поверхности Al2O3.

В плазменном ALD (PA-ALD) высокая реакционная способность плазмы позволяет снизить температуру осаждения без ухудшения качества пленки; также можно использовать более широкий спектр прекурсоров и, таким образом, осаждать более широкий спектр материалов по сравнению с термическим ALD.

Источники информации:

ALE:

• J. Vac. Sci. Technol. A 33, 020802 (2015); https://doi.org/10.1116/1.4913379

ALD:

• George, Steven M. (2010). Atomic Layer Deposition: An Overview. Chemical Reviews, 110(1), 111–131. doi:10.1021/cr900056b

• Ritala, Mikko (2002). Handbook of Thin Films || Atomic layer deposition. , (), 103–159. doi:10.1016/B978-012512908-4/50005-9

• Johnson, Richard W.; Hultqvist, Adam; Bent, Stacey F. (2014). A brief review of atomic layer deposition: from fundamentals to applications. Materials Today, 17(5), 236–246. doi:10.1016/j.mattod.2014.04.026