научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ GAAS ПОСЛЕ ТРАВЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕ СМЕСЕЙ HCL/AR, HCL/CL2, HCL/H2 МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ GAAS ПОСЛЕ ТРАВЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕ СМЕСЕЙ HCL/AR, HCL/CL2, HCL/H2 МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 1, с. 17-22

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 537.525

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ GaAs ПОСЛЕ ТРАВЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕ СМЕСЕЙ HCl/Ar, HCl/Cl2, HCl/H2 МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

© 2014 г. А. В. Дунаев

Ивановский государственный химико-технологический университет E-mail: dunaev-80@mail.ru Поступила в редакцию 19.03.2013 г.

Для формирования топологии на поверхности полупроводников часто применяется хлорсодержа-щая плазма и ее смеси с молекулярными и инертными газами. Проведено сравнительное исследование качества поверхности полупроводниковой структуры после плазмохимического травления в плазме смесей HCl/Ar, HCl/Cl2, HCl/H2. Высокие скорости травления в хлоре приводят к множеству нежелательных эффектов, в то время как плазма хлороводорода и его смесей позволяет проводить травление с лучшей равномерностью и чистотой процесса. Тем не менее, контроль качества поверхности образцов остается актуальной задачей современной электроники. Контроль поверхности образцов проводился посредством атомно-силового микроскопа Solver-P47Pro.

DOI: 10.7868/S0544126914010049

ВВЕДЕНИЕ

Очевидно, что технологический процесс производства современной электроники требует размерного структурирования поверхности подложек для получения заданного топологического рельефа высокого разрешения. Решение этой задачи возможно лишь методами плазменного травления. Неравновесная низкотемпературная плазма хло-роводорода и его смесей применяется в технологии электроники для очистки и "сухого" травления поверхности полупроводниковых пластин и функциональных слоев ИМС. В качестве образца использовался ОаА — один из перспективных материалов электроники будущего и служит основой широкого спектра высокочастотных быстродействующих приборов [1].

Вследствие высокой интегральной плотности современных изделий электроники требования к качеству поверхности после обработки в плазме очень высоки. В настоящее время в качестве плазмообразующей среды используются галоген-содержащие газы, в частности смеси на основе С12 [2, 3]. Главный недостаток плазмы хлора — низкая анизотропия, вызванная ее высокой активностью, что приводит к существенному ухудшению рельефа поверхности после обработки. На практике для плазмообразующей травящей среды редко используют только хлорсодержащие газы. Обычно это многокомпонентные смеси. В технологии широкое распространение получили как смеси хлорсодержащих газов друг с другом, так и их смеси с инертными (Не, Аг) и молекулярными

(O2, H2) газами. В частности инертные газы могут выступать как в качестве просто газов-разбавителей, так и источников ионов для ионной бомбардировки поверхности в целях дополнительной ионной стимуляции десорбции продуктов взаимодействия.

При всем сказанном остается вопрос о методах контроля поверхности полупроводника после операции травления. С точки зрения исследования рельефа, одной из наиболее перспективных является атомно-силовая микроскопия (АСМ), главными достоинствами которой являются: возможность получения достоверных данных о высоте микрорельефа, отсутствие дополнительных промежуточных процедур, снижающих достоверность результатов, возможность получения нанометро-вого разрешения на воздухе и т. д.

В наших работах [4, 5] 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.

2

17

18

ДУНАЕВ

0

Рис. 1. Поверхность GaAs после травления в плазме HCl при p = 100 Па, ip = 40 мА, тобр = 5 мин.

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для экспериментального исследования взаимодействия плазмы HCl и его смесей с молекулярными и инертными газами с GaAs в условиях тлеющего разряда постоянного тока использовался цилиндрический проточный плазмохими-ческий реактор (внутренний диаметр d = 3.4 см, длина зоны разряда l = 40 см). В качестве внешних параметров разряда выступали ток разряда (ip = = 10—60 мА) и давление (p = 100 Па) плазмообра-зующего газа. Для получения HCl был использован химический метод, основанный на реакции между хлористым натрием и серной кислотой [6]. В качестве компонента газовой смеси в работе использовался аргон, водород и хлор. Аргон брали из баллонов с маркой "чистый" (МРТУ 51-77-66), содержание основного газа не менее 99.985%. Для получения водорода использовался метод, в основе которого лежит химическая реакция между Zn и HCl, реакция проводилась в аппарате Кипа [6]. Хлор получали термическим разложением хлорной меди в вакууме [6]. Чистота газов предварительно контролировалась по спектрам излучения разряда, измерение давления газа проводили U-образным масляным манометром.

Подвергаемые травлению образцы представляли собой фрагменты полированных пластин GaAs (толщина 400 мкм). Образцы располагались в области положительного столба разряда, на уровне стенки реактора. Контроль рельефа поверхности образцов проводился посредством атомно-силового микроскопа Solver-P47-PRO,

который позволяет исследовать поверхность образцов на участках размером до 50 х 50 мкм. Минимальный шаг сканирования 0.006 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В технологии одним из важнейших аспектов травления является показатель качества поверхности после травления. Плазма хлороводорода (см. [4, 7]) позволяет получать полирующее травление GaAs, обеспечивая лучшую равномерность и чистоту процесса за счет эффективного удаления окислов и загрязнений атомарным водородом. Данный эффект виден на микрофотографиях поверхностей, представленных в указанных статьях.

На рис. 1 представлен скан поверхности GaAs после 5 мин обработки в чистом хлороводороде. Как можно видеть, даже в условиях безмасочного травления после проведения процесса травления поверхность образца остается относительно ровной. Показатель средней квадратичной шероховатости составляет (а ~ 120 нм). Для нетравленых образцов арсенида галлия этот показатель в среднем составлял ~ 10 нм.

Микрофотографии поверхностей образцов GaAs обработанных в смеси HCl/Ar представлены на рис. 2. Визуально качество поверхности выше, чем для плазмы HCl, и это действительно так — показатель средней квадратичной шероховатости (а) составляет ~40 нм. Это следовало ожидать, так как в смеси скорость спонтанного

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ GaAs ПОСЛЕ ТРАВЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕ

19

(а)

0

Рис. 2. Поверхность GaAs, травленного в плазме HCl—Ar состава 60/40 для ip = 20 (а) и 40 мА (б) при тобр = 5 мин.

химического взаимодействия ниже, поэтому и результирующая шероховатость поверхности должна быть также меньше. Отметим, что для составов 80/20, 60/40 и 40/60 НС1/Аг соответственно, при 1р = 40 мА наблюдается близость показателей средней квадратичной шероховато-

сти, несмотря на существенную разницу в скоростях обработки материала. Это говорит о том, что в условиях смеси ионная стимуляция десорбции протекает гораздо эффективней, чем в случае плазмы неразбавленного HCl, и эффект "микромаскирования" поверхности продуктами взаимо-

0

Рис. 3. Поверхность ОаАБ, травленного в плазме НС1—С12 состава 60/40 для 1р = 20 (а) и 40 мА (б) при тобр = 5 мин.

действия проявляется в меньшей степени. Таким образом, инертные газы, в частности аргон могут выступать как в качестве просто газов — разбавителей (снижение концентрации активных частиц, повышение анизотропии процесса, снижение рас-

хода рабочего газа), так и источников ионов для дополнительной ионной стимуляции десорбции продуктов взаимодействия.

На рис. 3 и 4 представлены поверхности образцов ОаАз, обработанных в смесях НС1/С12 и

нм 50 40 -30 -20 10

мкм 25

20 мкм

Рис. 4. Поверхность GaAs, травленного в плазме HCl—H2 для ip = 40 мА при тобр = 5 мин. Составы 80/20 (а) и 60/40 (б).

0

НС1/Н2 (условия указаны в подписях к соответствующим фотографиям). В отношении смеси НС1/С12 отметим, что скорости травления сопоставимы со скоростями в плазме чистого хлора [4, 8], поэтому и ожидался схожий с обработкой в чистом хлоре результат. При ¡р = 20 мА поверх-

ность после окончания процесса заметно грубее (а = 150 нм), чем после обработки в плазме хлоро-водорода. При большем токе разряда (¡р = 40 мА) скорость спонтанного химического взаимодействия увеличивается практически в 3 раза. В результате этого фиксируется крайне грубая поверх-

22

ДУНАЕВ

□ 80% HCl □ 60% HCl

120

10

45

35

60

20

Чистый

HCl

HCl—Ar

HCl-H

2

I

HCl-Cl

2

Рис. 5. Средняя квадратичная шероховатость (ст) как показатель качества обработки поверхности. родщ = 100 Па, 1р -= 40 мА, тобр = 5 мин.

ность, свойственная обработке в плазме чистого С12 с явными следами разрушения структуры и переосаждения материала и продуктов взаимодействия на поверхности образца. Показатель средней квадратичной шероховатости возрастает более чем в два раза (а = 330 нм), что не всегда приемлемо в технологии современной микро- и наноэлектроники.

Для образцов, протравленных в смеси ИС1/И2, для состава 80/20 а поверхности напрямую коррелирует с изменением скорости обработки. При дальнейшем разбавлении (60/40) а уже на уровне, близком к нетравленным образцам, на снимках регистрируется небольшое стравливание малого приповерхностного слоя материала. Были про-сканированы образцы, убыль массы которых не регистрировалась гравиметрически — зафиксированные снимки практически не отличаются от снимков образцов, не подвергавшихся плазмохи-мической обработке. Таким образом водородная химия обеспечивает полирующее травление с сохранением стехиометрии поверхности, однако скорости травления очень низки и часто неприемлемы с точки зрения технологии [9].

На рис. 5 представлена столбчатая диаграмма средней квадратичной шероховатости (а) как пок

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»