МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 4, с. 271-278
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 537.525
ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ И МЕХАНИЗМЫ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ GaAs В СМЕСЯХ HCl С АРГОНОМ И ХЛОРОМ
© 2013 г. А. В. Дунаев, С. А. Пивоваренок, А. М. Ефремов, В. И. Светцов,
С. П. Капинос, А. В. Юдина
Ивановский государственный химико-технологический университет E-mail: dunaev-80@mail.ru, sap@isuct.ru, d-tritus04@mail.ru Поступила в редакцию 16.04.2012 г.
Проведено исследование параметров плазмы и механизмов плазмохимического травления GaAs в смесях HCl—Ar и HCl—Cl2 в условиях тлеющего разряда постоянного тока. При математическом моделировании плазмы установлено, что разбавление HCl аргоном или хлором приводит к противоположным изменениям плотностей потоков ионов и атомов хлора. Показано, что изменение скорости травления GaAs в смеси HCl—Ar соответствует изменению плотности потока атомов хлора на поверхность. Предположено, что немонотонная зависимость скорости травления от состава смеси HCl—Cl2 обусловлена сменой режима (лимитирующей стадии) травления при изменении степени заполнения обрабатываемой поверхности продуктами взаимодействия.
DOI: 10.7868/S0544126913040029
ВВЕДЕНИЕ
Арсенид галлия (GaAs) — один из наиболее востребованных материалов современной микро-и наноэлектроники. Причина этого заключается в сочетании большой ширины запрещенной зоны и высокой подвижности носителей заряда, что позволяет создавать на основе ОаЛ8 широкий спектр высокочастотных быстродействующих приборов и фотоэлектронных устройств. Кроме этого, ОаЛз является перспективным материалом квантовой наноэлектроники на основе гетеропереходов в системе ЛЮаЛз [1]. Очевидно, что все из перечисленных применений ОаЛз требуют размерного структурирования поверхности подложек для получения заданного топологического рельефа высокого разрешения. Решение этой задачи возможно лишь методами плазменного травления.
В настоящее время существует значительное количество работ, посвященных исследованиям кинетики механизмов плазменного травления ОаЛз в водородсодержащих (Н2, СН4) [2, 3] или хлорсодержащих (ВС13, С12) [4, 5] газах. Результаты этих работ могут быть обобщены в виде следующих положений: 1) водородная химия обеспечивает полирующее травление с сохранением стехиометрии поверхности, однако скорости травления являются очень низкими; 2) хлорная химия позволяет получать высокие скорости процесса, но также приводит к высокой шероховатости поверхности и нарушению стехиометрии из-за более высо-
Работа выполнена по тематике НИИ ТД и КХП.
кой летучести хлоридов галлия по сравнению с хлоридами мышьяка. Можно предположить, что достоинства водородной и хлорной химии могут быть объединены при использовании в качестве плазмообразующего газа HCl.
В нашей работе [6] было проведено сравнительное исследование кинетики и механизмов плазмохимического травления GaAs в Cl2 и HCl при одинаковых внешних параметрах разряда. Установлено, что в обеих системах характер изменения скорости травления при варьировании тока разряда и давления газа согласуется с изменением плотности потока атомов хлора на обрабатываемую поверхность. Плазма HCl характеризуется более низкими скоростями травления GaAs (например, в 3 раза по сравнению с плазмой Cl2 при p = 80 Па, ip = 40 мА), но обеспечивает значительно меньшую шероховатость поверхности после обработки. Последнее может быть отнесено к реакциям атомов водорода.
Целью данной работы являлось исследование кинетических закономерностей плазмохимического травления GaAs в смесях HCl—Ar и HCl—Cl2 переменного состава. Основное внимание было уделено выявлению механизмов влияния начального состава смеси при постоянном общем давлении газа на скорость травления через изменение электрофизических параметров и состава плазмы.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для экспериментального исследования параметров плазмы и закономерностей плазмохимиче-
ского травления в условиях тлеющего разряда постоянного тока использовался цилиндрический проточный плазмохимический реактор (внутренний радиус r = 1.7 см, длина зоны разряда l = 40 см), изготовленный из стекла. В качестве внешних параметров разряда выступали ток разряда (ip = = 10—60 мА), давление (p = 100 Па) и расход (q = = 2—8 см3/с при н.у.) плазмообразующего газа. Температура нейтральных частиц (T) рассчитывалась при решении уравнения теплового баланса реактора по измеренной температуре наружной стенки. Зондовая диагностика плазмы обеспечивала данные по осевой напряженности электрического поля в зоне положительного столба разряда (E). При определении приведенной напряженности поля (E/N, где N = p/kBT — общая концентрация частиц в реакторе) и при моделировании плазмы проводилось усреднение температуры и концентраций частиц на 0.5r по заданным профилям радиального распределения этих параметров.
Запись спектров излучения плазмы осуществлялась с помощью оптоволоконного спектрометра AvaSpec-2048-2 с фотоэлектрической системой регистрации сигнала и накоплением данных на ЭВМ. Рабочий диапазон длин волн составлял 300— 1000 нм.
Подвергаемые травлению образцы представляли собой фрагменты полированных пластин GaAs толщиной 400 мкм площадью ~1 см2. Образцы располагались в области положительного столба разряда на уровне стенки реактора под плавающим потенциалом. Температура образца контролировалась по температуре подложкодержателя, скорость травления определялась гравиметрическим методом по изменению массы образца. Взвешивание образцов проводилось на аналитических весах с точностью ±5 х 10-5 г.
Алгоритм моделирования плазмы включал в себя совместное решение следующих уравнений: 1) стационарное кинетическое уравнение Больц-мана в двучленном приближении; 2) уравнения химической кинетики образования и гибели нейтральных и заряженных частиц в квазистационарном приближении; 3) уравнение электропроводности разрядного промежутка. Вопросы формирования кинетических схем процессов, выбора сечений и кинетических коэффициентов, а также оценки адекватности моделей для плазмы Cl2, HCl и их смесей с аргоном рассмотрены в наших работах [7—9]. Выходными параметрами модели служили функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), интегральные характеристики электронного газа, коэффициенты скоростей элементарных процессов, средние по объему плазмы концентрации частиц и их потоки на поверхность.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ кинетики и установление механизма плазменного гетерогенного процесса требуют знания стационарного массового состава и параметров плазмы, определяющих плотности потоков нейтральных и заряженных частиц на обрабатываемую поверхность. Вопросы взаимосвязи внешних параметров плазмы, энергетического распределения электронов, кинетики процессов при электронном ударе и стационарного массового состава нейтральных и заряженных частиц при разряде в смеси НС1—Аг были подробно исследованы в наших работах [9]. Поэтому остановимся лишь на обобщении и сравнении результатов, представляющихся наиболее важными для цели данной работы.
Параметры плазмы и концентрации активных частиц
Увеличение содержания аргона в смеси с HCl приводит к снижению стационарных значений E/N (рис. 1а). Это связано с одновременным снижением как частоты диссоциативного прилипания (vda « k1nHCl = 9.6 X 105—9.5 X 104 с-1 при 0-90% Ar, где R1: HCl + e ^ H + Cl-), так и частоты диффузионной гибели электронов (vdif = 2.2 х 106—1.3 х х 106 с-1 при 0—90% Ar) из-за соответствующего изменения их эффективного коэффициента диффузии De. Напротив, разбавление HCl хлором сопровождается ростом частоты объемной гибели электронов (vda« k1nHCl + k2nCli = 9.6 х 105—1.3 х 106 с-1 при ip = 25 мА и 0-90% Cl2, где R2: Cl2 + e ^ Cl- + + Cl) из-за различий констант скоростей диссоциативного прилипания электронов к молекулам HCl (k1 = 6.5 х 10-11-6.4 х 10-11 см3/с при 0-90% Cl2) и Cl2 (k2 = 2.6 х 10-10-2.02 х 10-10 см3/с при 090% Cl2). В условиях vda « vdif это приводит к росту стационарного значения E/N, необходимого для поддержания данного тока разряда. Удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных величин E/N позволяет говорить об адекватности математической модели.
В обеих системах характер изменения средней энергии электронов (е) формально не согласуется с поведением E/N. Так, в смеси HCl-Ar снижение потерь энергии электронов на возбуждение и ионизацию молекул HCl не компенсируется аналогичными процессами для атомов Ar. Поэтому разбавление HCl аргоном при ip, p = const сопровождается обогащением ФРЭЭ высокоэнерге-тичными электронами и ростом (е) (рис. 1б, кривая 1). Последний эффект, однако, не приводит к увеличению De, так как компенсируется изменением режима диффузии от свободного к амбипо-лярному при уменьшении электроотрицательно-
4.0 3.5 3.0
(N
И 2.5
ш
1 2.0 ^1.5 1.0 0.5 0
S 6 о
" 4
"со
20 40 60 80 100
Содержание Ar или Cl2 в смеси с HCl, %
(б)
^ 2 .
0 20 40 60 80 100
Содержание Лг или С12 в смеси с НС1, %
Рис. 1. Электрофизические параметры плазмы (а) в смесях НС1/Лг и НС1/С12 переменного состава при ¡р = 25 мА; (б) 1, 2 — средняя энергия электронов; 3, 4 — концентрация электронов. Точки — эксперимент; линии — расчет.
сти плазмы (nCl - /ne = 91—18 при ip = 25 мА и 0—90% Ar). В сочетании с постоянством суммарной скорости ионизации это приводит к росту ne с ростом степени разбавления HCl аргоном (рис. 1б, кривая 3). В смеси HCl—Cl2 снижение потерь энергии на электронное возбуждение молекул HCl с избытком восполняется аналогичными процессами для Cl2. Это вызывает "провал" в средней части ФРЭЭ в области 4—15 эВ и снижение величины <s>. Хотя этот эффект частично компенсируется ростом электроотрицательности плазмы (n - /ne = = 91—125 при 0—90% Cl2), величина De также сни-
жается (7.9 х 105—4.7 х 105 см2/с при ¡р = 25 мА и 0— 90% С12). Таким образом, противоположный характер изменения \аа и обеспечивает близкое к постоянному значение пе (рис. 1б, кривая 4).
Суммарная концентрация положительных ионов п+ в смеси НС1—Лг снижается с ростом доли аргона (2.1 х 1011—5.3 х 1010 см-3 при ¡р = 25 мА и 0-90% Лг). Это связано как со снижением частоты ионизации « к3пНС1 + к4
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.