Реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ)

При проведении реактивного ионно-плазменного травления (синоним – реактивного ионного травления) обрабатываемые образцы находятся в контакте с плазмой и размещаются на электроде, подключенном к источнику ВЧ напряжения. Удаление материала происходит как за счет физического распыления ускоренными ионами химически активных газов, так и в результате химических реакций между свободными атомами и радикалами, образующими в плазме, и поверхностными атомами обрабатываемого материала. При проведении РИПТ физический и химический механизмы не являются независимыми: физическое распыление активирует поверхность материала, повышая скорость химических реакций, которые, в свою очередь, ослабляют химические связи поверхностных атомов, увеличивая тем самым скорость физического распыления. Поэтому скорости соответствующих процессов складываются неаддитивно, то есть количество материала, удаленного при одновременном протекании обоих процессов, больше суммы парциальных скоростей химической реакции и физического распыления.

Соотношение вкладов химического и физического механизмов при РИПТ в каждом конкретном случае определяется видом рабочего газа, энергией ионов, вводимой в разряд мощностью, давлением рабочего газа, типом и геометрией реактора. В низкотемпературной плазме степень ионизации обычно не превышает десятых долей процента, тогда как степень диссоциации, определяющая концентрацию нейтральных ХАЧ, достигает нескольких десятков процентов. Поэтому в случае высокой активности ХАЧ к обрабатываемому материалу и образования летучих стабильных продуктов взаимодействия основной вклад в РИПТ вносит химический механизм. 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. Если энергия бомбардирующих поверхность ионов становится меньше 100 эВ, вклад физического распыления в травление материала будет несущественным (коэффициент распыления меньше 0.1 атом/ион), в этом случае травление переходит в плазменное. Так как энергия ионов, бомбардирующих материал, сильно зависит от вида рабочего газа, уровня ВЧ мощности и геометрических параметров системы травления, то в некоторых случаях в одной и той же системе могут быть реализованы процессы реактивного ионно-плазменного травления и плазменного травления.

Процессы РИПТ проводят в горизонтальных диодных и триодных ВЧ системах с плоскими параллельными электродами, а также в вертикальных диодных ВЧ системах с коаксиальными электродами в виде многогранной призмы и цилиндра (рис. 1). Во всех системах обрабатываемые пластины располагаются на электродах, к которым подводится ВЧ напряжение.

Рис. 1. Наиболее распространенные системы РИПТ: 1 – рабочая камера, 2 – заземленный электрод, 3 – ВЧ электрод, 4 – заземленный экран, 5 – обрабатываемые пластины, 6 – линия откачки, 7 – линия напуска газа, 9 – магнитная система

Зависимость скорости РИПТ от операционных параметров в каждом конкретном случае зависит от того, какой механизм – физический или химический – вносит определяющий вклад в скорость процесса. Увеличение вкладываемой мощности во всех случаях приводит к росту скорости травления, что обусловлено соответствующим влиянием мощности на скорость генерации как нейтральных ХАЧ, так и ионов. Влияние давления рабочего газа на скорость РИПТ сочетает признаки плазменного и ионного плазменного процессов. Начальное возрастание скорости травления с ростом давления можно объяснить увеличением числа энергетических и химически активных частиц, связанным с повышением концентрации молекул рабочего газа. Однако с ростом давления уменьшается средняя энергия электронов, поэтому эффективность диссоциации и ионизации снижается. Соответственно, начинает снижаться и РИПТ. Кроме этого, с увеличением давления уменьшается длина свободного пробега ионов и энергия ионов, бомбардирующих поверхность обрабатываемого материала. При давлении выше 100 Па характеристики РИПТ приближаются к характеристикам плазменного травления.

Если стадия доставки энергетических и химически активных частиц является лимитирующей, то скорость РИПТ при постоянном давлении возрастает с увеличением расхода рабочего газа, достигает максимума, что связано с увеличением эффективности доставки химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала. При дальнейшем увеличении расхода газа наступает такой момент, когда химически активные частицы будут уноситься потоком газа и откачиваться, не успев вступить в реакцию с обрабатываемым материалом. Следовательно, скорость травления будет уменьшаться при больших расходах рабочего газа. Наличие загрузочного эффекта отмечается в процессах РИПТ с доминированием химического механизма. Примерами таких процессов являются травление алюминия и сплавов на его основе в хлорсодержащей плазме, кремния во фторсодержащей плазме, титана, молибдена, вольфрама, ниобия и тантала во фторсодержащей плазме.

Селективность РИПТ изменяется в широких пределах в зависимости от операционных и конструкционных параметров процесса. При РИПТ Al наибольшая селективность по отношению к SiO₂ достигается в CCl₄ , увеличивается с ростом давления, но снижается с ростом вкладываемой мощности. Эффект давления обусловлен ростом скорости химического травления Al, в то время как скорость травления SiO₂ снижается из-за снижения энергии ионов, бомбардирующих поверхность. При увеличении вкладываемой мощности скорость РИПТ SiO₂ возрастает быстрее, поэтому селективность процесса снижается. Зависимость селективности от скорости потока газа через реактор проявляется через изменения времени пребывания ХАЧ у обрабатываемой поверхности. В системе SiO₂/Si, снижение времени пребывания ХАЧ сказывается, в первую очередь, на скорости травления кремния. Поэтому рост скорости потока газа приводит к росту селективности SiO₂/Si. Максимум на зависимости селективности РИПТ от мощности разряда в системе SiO₂/Si также связан с перераспределение вкладов физического и химического механизмов травления. Селективность РИПТ зависит также от материала электрода, на котором находятся обрабатываемые пластины.

Равномерность РИПТ определяется, в основном, двумя факторами: равномерностью доставки химически активных частиц к поверхности и равномерностью распределения температуры. Преобладание влияния того или иного фактора на равномерность травления определяется лимитирующей стадией конкретного процесса.

Разрешение РИПТ целиком определяется его анизотропией. Чем выше показатель анизотропии, тем с меньшими искажениями размеров переносит он рисунок с маски на слой рабочего материала и тем более он подходит для получения субмикронных размеров. Анизотропия травления определяется направленным воздействием энергетических и химически активных частиц на поверхность материала. При РИПТ электромагнитное поле, создаваемое ВЧ напряжением, приложенным к электродам, обеспечивает бомбардировку материала заряженными частицами перпендикулярно его поверхности (если подложки расположены на электродах), что увеличивает скорость травления по нормали к поверхности относительно скорости бокового травления. Однако в травлении участвуют не только заряженные частицы, но и свободные атомы и радикалы, движение которых не столь упорядочено. Поэтому РИПТ обладает меньшей анизотропией, а следовательно, меньшей разрешающей способностью по сравнению с чисто ионными процессами.

Подобно ионно-плазменному и ионно-лучевому процессам, РИПТ вызывает нарушения структуры поверхностных слоев обрабатываемых материалов, загрязнение их поверхностей распыленными частицами электродов, деградацию электрофизических параметров обрабатываемых слоев и границ раздела между слоями, ухудшение рабочих параметров создаваемых приборов. Однако существенный вклад химического механизма в РИПТ значительно уменьшает вышеперечисленные опасности по сравнению с процессами чисто ионного травления. Например, если скорость удаления материала в результате химической реакции достаточно высока, то нарушенные ионной бомбардировкой слои успевают стравиться, прежде чем дефекты диффундируют из них в глубь материала. Для устранения нежелательных изменений электрофизических параметров обрабатываемых слоев, границ раздела между слоями и рабочих характеристик приборов образцы после процессов РИПТ можно подвергнуть восстанавливающему отжигу.