МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 6, с. 429-434
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 537.525
КИНЕТИКА И РЕЖИМЫ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ GaAs В УСЛОВИЯХ ИНДУКЦИОННОГО ВЧ РАЗРЯДА В CF2Cl2 © 2014 г. А. М. Ефремов, Д. Б. Мурин, А. Е. Левенцов
ФГБОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет" E-mail: efremov@isuct.ru, dim86@mail.ru Поступила в редакцию 30.10.2013 г.
Проведено исследование кинетики и режимом плазмохимического травления GaAs в условиях индукционного ВЧ разряда в CCl2F2. Подтверждено, что основными химически активными частицами, обеспечивающими травление GaAs, являются атомы хлора. Показано, характер кинетических кривых и вид зависимостей скорости травления от давления газа определяется энергией ионов, бомбардирующих поверхность. Установлено, что при протекании процесса травления в стационарном режиме имеет место удовлетворительная корреляция между изменениями скорости убыли массы образца и концентрацией продуктов травления в газовой фазе разряда.
DOI: 10.7868/S0544126914060039
1. ВВЕДЕНИЕ
Полупроводники группы А3В5 и, в частности, арсенид галлия (GaAs) в настоящее время находят широкое применение в технологии микро- и на-ноэлектроники. Основными достоинствами ОаАз являются большая ширина запрещенной зоны (1.42 эВ против 1.1 эВ для 81) и высокая подвижность носителей заряда (8500 см2/Вс у электронов против 1500 см2/Вс для 81). Это позволяет создавать на его основе высокочастотные быстродействующие приборы, помехоустойчивые приборы и приборы силовой электроники [1]. Кроме этого, прямозонный характер ОаАз обуславливает его высокую востребованность для производства оптоэлектронных приборов [1, 2].
Размерное структурирование подложек или функциональных слоев ОаАз обычно проводится в плазме С12, ВС13 и смесей на их основе. Предшествующие работы по исследованию кинетики и механизмов плазменного травления ОаАз в этих газах (например, [3—5]), позволяют заключить, что: 1) Основными химически активными частицами являются атомы хлора, и 2) Основными продуктами травления в диапазоне температур 300—600 К являются ОаС1х и АзС1х при х < 3, которые обладают высоким давлением насыщенных паров и эффективно газифицируются при температурах более 400 К. В качестве основных проблем практически всеми авторами отмечались изотропный профиль травления, низкая селективность по отношению к органическим фоторезистам и нарушение стехиометрии поверхности из-за различных летучестей хлоридов галлия и мышьяка. В работе [6] было найдено, что первые два недостатка могут быть существенно миними-
зированы при использовании в качестве плазмо-образующего газа фреона-12, СБ2С12. К сожалению, имеющиеся немногочисленные исследования закономерностей травления ОаАз в плазме СБ2С12 (например, [7—9]) охватывают узкие диапазоны условий и не рассматривают взаимосвязей скоростей взаимодействия с внутренними параметрами и составом плазмы. Таким образом, многие аспекты кинетики и механизмов травления ОаАз в плазме дифтордихлорметана, необходимые для оптимизации и эффективного контроля процесса, до сих пор остаются не изученными.
Целью данной работы являлось исследование кинетических закономерностей и режимов травления ОаАз в плазме индукционного ВЧ-разряда в СС12Б2 в условиях, реализуемых в типовых промышленных плазмохимических реакторах.
2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты проводились на установке плазмохимического травления Платран 100 ХТ. Рабочая камера представляла собой цилиндр из нержавеющей стали 0 30 см. В верхней части камеры располагалось кварцевое окно 0 18 см, отделяющее вакуумную зону от медного индуктора в форме спирали. Плазма возбуждалась при подаче на индуктор питания от 13.56 МГц ВЧ генератора. В нижней части камеры находился термо-статируемый подложкодержатель, на который подавалось регулируемое отрицательное смещение от независимого источника. Высота рабочей зоны реактора, то есть расстояние от подложко-держателя до кварцевого окна, составляло 13 см. Откачка системы производилась механическим
пластинчато-роторным и турбомолекулярным насосами до предельного давления остаточных газов ~10-6 торр.
Эксперименты проводились в диапазоне давлений р = 3—15 шТогг, вкладываемой мощности Жр = 400—1000 Вт и мощности смещения = 0— 200 Вт. Температура образцов во всех экспериментах поддерживалась постоянной и составляла 373 К. Выбор данного значения обусловлен температурным пределом устойчивости большинства современных фоторезистивных масок. Образцы ОаЛ представляли собой фрагменты полированных пластин толщиной ~500 мкм и размером ~10 х 10 мм. Определение скоростей травления проводилось гравиметрическим методом, путем взвешивания образцов до и после обработки на аналитических весах ШЛ-34 с точностью ±5 х 10-5 г. Расчет скоростей травления в единицах "мкм/мин" проводился по соотношению ЯЕ = = Дт^0/т0х, где й0 и т0 — толщина и масса образца до обработки в плазме, Ат — изменение массы образца после обработки в плазме в течении времени т. Величина т выбиралась в пределах линейного либо квазилинейного участков кинетических кривых.
Запись спектров излучения плазмы осуществлялась с помощью оптоволоконных спектрометров Луа8рее-3648 и Луа8рее-2048-2 в диапазоне длин волн 200—1000 нм. При расшифровке спектров использовались справочники [10, 11].
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Из работ [12—14] следует, что плазма СБ2С12 является сложной многокомпонентной системой, стационарный состав которой определяется не только процессами диссоциации исходных молекул, но и реакциями атомно- и радикально-молекулярного взаимодействия продуктов диссоциации. На рис. 1 представлен спектр излучения плазмы СБ2С12 в диапазоне длин волн 200—1000 нм. Излучение молекулярных компонентов плазмы представлено полосами С12 256.4 нм и СС1 277.8 нм, а также системами полос СБ 200—230 нм, СБ2 245—265 нм и С2 465—590 нм. Излучение атомарных частиц присутствует в виде групп линий углерода, фтора и хлора. Наиболее интенсивными и стабильно проявляющими во всем исследованном диапазоне условий здесь являются С 247.9 нм, Б 685.8 нм, С1 452.6 нм, С1 725.7.6 нм и С1 8372.6 нм. Все указанные максимумы излучения неоднократно наблюдались ранее при спектральном исследовании плазмы СБ4 [15] и С12 [16, 17]. Данные рис. 1 позволяют сделать следующие общие выводы по составу и свойствам плазмы СБ2С12, которые необходимо учитывать при анализе механизмов травления:
1) в исследованном диапазоне условий имеет место полное разложение исходной молекулы до атомарного углерода. Об этом свидетельствует не только излучение С и С2, но и СС1. Так как доминирующим механизмом диссоциации молекулы СБ2С12 при электронном ударе являются процессы с отрывом атомов хлора [13, 14], то образование радикалов СС1 может быть обусловлено только реакциями вида С + С1 ^ СС1, протекающими как в объеме плазмы, так и на поверхности разрядной камеры;
2) присутствие в плазме радикалов СБ и СБ2 будет способствовать образованию фторуглерод-ной полимерной пленки на поверхностях, контактирующих с плазмой. Это явление обсуждалось в большом количестве работ, посвященных исследованиям плазмы фреонов, например, СБ4 [18, 19].
Согласно экспериментам, длительная (более 30 мин) выдержка ОаЛ в атмосфере СБ2С12 без разряда при температурах 573—623 К не приводит к химическому взаимодействию на поверхности. Поэтому исходные молекулы СБ2С12 (а равно и другие насыщенные продукты плазмохимических реакций, например СБ3С1, СБС13, СБ4, СС14) могут быть исключены из набора химически активных частиц и в условиях плазменного травления. Известно, что при плазменном травлении широкого круга неорганических материалов химическая активность радикалов вида СБХ (х = 1—3) и СС1х (х = 1—3) пренебрежимо мала по сравнению с активностью (вероятностью взаимодействия с поверхностью) атомов фтора или хлора [20, 21]. Таким образом, в качестве основных химически активных частиц при травлении ОаЛ в плазме СБ2С12 следует рассматривать только атомы фтора и хлора. Доминирующая роль последних, по нашему мнению, предопределяется двумя основными причинами. Во-первых, механизм диссоциации вида СРиС1т + е ^ СРиС1т _ 1 + + С1 + е при близких константах скоростей рекомбинации атомов [13, 14] неизбежно приведет к диспропорционированию их концентраций в плазме с выполнением условия пС1 > щ. Во-вторых, фториды галлия являются значительно менее летучими соединениями, чем хлориды. Например, температура плавления ОаС13 составляет менее 80°С, в то время как аналогичная величина для ОаР3 превышает 1000°С [8]. Таким образом, взаимодействие ОаЛ е атомами фтора не обеспечивает развития процесса травления из-за пассивации поверхности нелетучими фторидами галлия.
На рис. 2 представлены кинетические зависимости плазменного травления ОаЛ в СБ2С12. Видно, что в исследованном диапазоне условий характер кинетической кривой определяется величиной
540
450
д. е 360
н.
т
о 270
180
90
0
(a) CCl 277.8
Cl2 256.4
C 247.9 / 7 i f :
CF2 262.9
Cl 452.6
C2 466-473
Cl 439.0 \
------> \
4 >
r_CF_n /4 lb/
-L//-L-
200 250 300 350 400
X, нм
450
500
700
800
900
1000
X, нм
Рис. 1. Спектр излучения плазмы Ср2С12 при р = 10.5 мторр, Жр = 950 Вт.
мощности смещения на подложкодержателе. Наличие такого эффекта, на наш взгляд, связано с тем, что процесс травления протекает в режиме ионно-стимулированной химической реакции. Этому способствует температура образца, не обеспечивающая полной очистки поверхности от продуктов взаимодействия за счет спонтанной (термической) десорбции и полимеризация на обрабатываемой поверхности. К сожалению, разделить вклады этих эффектов в рамках данного исследования не представляется возможным.
При = 0—50 Вт кинетические зависимости не линейны и стремятся к насыщению при временах обработки более 5 мин. По-видимому, обеспечиваемые при этом энергии ионов недостаточны для эффективной газификации продуктов травления и/или разрушения полимерной пленки. Качественно аналогичная ситуация имеет место, например, при травлении меди в плазме хлора [22]. Лимитирующей стадией процесса здесь предположительно является диффуз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.