МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 1, с. 19-22
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
УДК 537.525
СПЕКТРАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ТРАВЛЕНИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ В ПЛАЗМЕ ХЛОРА И ХЛОРОВОДОРОДА © 2013 г. А. В. Дунаев, С. А. Пивоваренок, С. П. Капинос
Ивановский государственный химико-технологический университет E-mail: dunaev-80@mail.ru; sap@isuct.ru; d-tritus04@mail.ru Поступила в редакцию 22.02.2012 г.
Изучены спектры излучения плазмы хлора и хлороводорода при травлении арсенида галлия. Выбраны контрольные линии и полосы для спектрального контроля скорости процесса травления по интенсивности излучения линий и полос продуктов травления. Показано, что связь между интенсивностью излучения продуктов травления GaAs и скоростью травления арсенида галлия в плазме хлора и хлороводорода описывается прямо пропорциональной зависимостью, что подтверждает предположение о возможности контроля скорости процесса травления спектральным методом в реальном масштабе времени.
DOI: 10.7868/S0544126912060051
1. ВВЕДЕНИЕ
Неравновесная низкотемпературная плазма хлора и хлороводорода применяется в технологии современной электроники для очистки и "сухого" травления поверхности полупроводниковых пластин и функциональных слоев интегральных микросхем. Одним из основных процессов здесь является формирование топологического рельефа на поверхности GaAs, который является перспективным материалом электроники будущего. Причины этого заключаются в сочетании большой ширины запрещенной зоны и высокой подвижности носителей заряда, что позволяет создавать на основе данного полупроводника широкий спектр высокочастотных быстродействующих приборов.
В настоящее время большое внимание специалистов в области плазмохимического травления (ПТ) уделяется галогеноводородам, в том числе — HCl. Достоинства HCl — низкие (по сравнению с плазмой С12) степени диссоциации [1], обеспечивающие преимущество в анизотропии и селективности процесса, а также лучшую равномерность и чистоту обработки поверхности, достигаемые за счет химических реакций атомов водорода [2].
Очевидно, что успешная технологическая реализация ПТ с использованием хлора и хлороводорода в качестве плазмообразующего газа невозможна без разработки простого и надежного метода контроля таких процессов, позволяющего получать информацию о скорости целевого процесса в режиме реального времени. В настоящее время один из самых распространенных методов исследования гетерогенных плазменных процессов — эмиссионный спектральный анализ. Цель настоящей работы — исследование возможностей этого метода применительно к ПТ GaAs в среде C12 и HCl.
2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для экспериментального исследования взаимодействия плазмы C12 и HCl 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 (i = 10—60 мА), давление (p = 20—100 Па) и расход (q = 2—8 см3/с при нормальных условиях) плазмообразующего газа. Хлор получали термическим разложением хлорной меди в вакууме [3]. Для получения HCl был использован химический метод, основанный на реакции между хлористым натрием и серной кислотой [4]. Измерение давления и расхода газа проводили U-образным масляным манометром и капиллярным реометром соответственно. Подвергаемые травлению образцы представляли собой фрагменты полированных пластин GaAs (площадь ~1 см2, толщина 400 мкм).
Запись спектров излучения плазмы хлора и хлороводорода осуществлялась с помощью оптоволоконных спектрометров AvaSpec-3648 и AvaSpec-2048-2 с фотоэлектрической системой регистрации сигнала и накоплением данных на ЭВМ. Рабочий диапазон длин волн составлял 200—1000 нм. При расшифровке спектров использовались справочники [5, 6].
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для получения информации о кинетике процесса травления GaAs нами был использован метод эмиссионной спектроскопии, основанный на слежении за интенсивностями излучения актив-
19
2*
t, мин
0 2 4 6 8 10 12
t, мин
Рис. 1. Спектральные зависимости интенсивностей излучения атомарных линии Оа (а) и полос ОаС1 (б) от времени травления, I = 40 мА, р = 50 Па.
ных частиц плазмы и продуктов их взаимодействия с поверхностью полупроводника.
Излучение разряда в чистом С12 в общем случае, представлено молекулярными полосами с максимумами при 256.4 и 307.4 нм, а также двумя группами линий атомарного хлора: в сине-зеленой части спектра (432.3, 436.3, 437.2, 438.0, 439.0 и 452.6 нм, е1Ь = 11.8—11.9 эВ) и в красной области (725.6, 741.4, 754.7 нм с ~ 10.6 эВ и 822.1, 837.6, 858.6 нм с е1Ь ~ 10.4 эВ) [7]. Наиболее интенсивными и стабильно проявляющимися во всем диапазоне параметров разряда являются линии С1 725.6 нм (4р48° - 484Р, = 10.6 эВ) и С1 837.6 нм (4р^0 — 484Р, = 10.4 эВ), причем последняя из них обеспечивается переходом в основное состояние и часто используется в аналитических целях.
При помещении в реактор образца ОаЛ спектр излучения плазмы заметно изменяется [8] за счет появления максимумов излучения продуктов взаимодействия — системы полос ОаС1 (325.5, 330.4, 334.7, 341.8, 352.7 нм с е1Ь = 3.70 эВ) и резонансных линий Оа (403.3 и 417.3 нм с ~ 3.07 эВ). Последние также обеспечиваются возбуждением прямым электронным ударом с последующим переходом в основное состояние [7]. Поэтому можно полагать, что, при условии постоянства внешних параметров плазмы и в предположении о малом возмущении плазмы продуктами гетерогенных плазмохимиче-ских реакций, интенсивности излучения линий С1 837.6 нм и Оа 403.3 и 417.3 нм пропорциональны концентрациям этих частиц в газовой фазе.
Как видно из рис. 1а, 1б при плазмохимиче-ском травлении арсенида галлия в хлоре на зависимостях интенсивности излучения линий Оа и ОаС1 от времени наблюдается индукционный период. Постоянство интенсивности излучения, а, следовательно, и скорости травления во времени, отвечающее первому кинетическому порядку реакции, устанавливается не сразу после включения разряда, а через время порядка двух—шести минут в зависимости от внешних параметров процесса. Аналогичные результаты были получены ранее в работе [8]. Эксперименты, проведенные в этой работе показали, что в исследованном диапазоне условий весовые кинетические кривые травления имеют начальный нелинейный участок Ат, в пределах которого скорость травления зависит от времени процесса. Наличие индукционного периода на кинетической кривой может быть связано с необходимостью образования на поверхности ОаЛ слоя адсорбированного хлора; неравномерностью травления по площади полированного слоя из-за изначально неравномерного распределения активных центров; удалением слоя естественного окисла, который плохо реагирует как с молекулярным, так и с атомарным хлором. В пользу последнего механизма говорит тот факт, что для образцов ОаЛ с предварительно удаленным полированным слоем величина Ат снижалась практически до нуля. Согласно [8], такое поведение параметра 1/Ат не согласуется с характером изменения плотности потока положительных ионов, но коррелируют с поведением плотности потока нейтральных частиц (атомов и молекул хлора). На основании этого можно предположить, что в пределах нестационарного участка скорость взаимодействия хлорной плазмы с ОаЛ8 не лимитируется процессами с участием ионов, например — образованием под действием ионной бомбардировки новых активных центров, способных адсорбировать хлор. В качестве лимитирующей стадии здесь предположительно можно рассматривать либо адсорбционно-десорбцион-ные процессы, либо химическую реакцию на по-
СПЕКТРАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ТРАВЛЕНИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ 21
I, отн. ед. 25
20 "
Cl (4p)
15
10 -
0
350 375 400 425 450 650 700 750 800 850 900
X, нм
Рис. 2. Общий вид спектра излучения плазмы HCl при травлении GaAs. i = 20 мА, p = 100 Па.
5
верхности в условиях непостоянства плотности активных центров. В стационарном режиме травления (t > Ах и t + Ах « t, где t — время процесса) скорость взаимодействия увеличивается с ростом тока разряда и давления газа, что качественно согласуется с влиянием этих параметров на плотность потока атомов и молекул хлора на поверхность, ограничивающую объем плазмы.
Исследование эмиссионных спектров плазмы чистого HCl проводилось ранее в работах [9] и показало наличие в них излучения как атомарных, так и молекулярных компонентов. Так, в спектре присутствуют две группы линий атомарного хлора (менее интенсивные в сине-зеленой части спектра 430—460 нм и более интенсивные в красной области 700—900 нм), а также две характерные линии атомов водорода Ha, Hß серии Бальмера с длинами волн 656.3 и 486.1 нм, соответственно. Излучение молекул представлено полосами молекул Cl2 с длинами волн 256.4 и 307.4 нм, которые стабильно проявляются и в спектрах излучения плазмы хлора.
На рис. 2 изображен общий вид спектра излучения плазмы HCl при травлении арсенида галлия. При помещении в реактор образца GaAs спектр излучения плазмы изменяется за счет появления максимумов излучения продуктов взаимодействия — полос GaCl (330.4, 352.7 с sth = = 3.70 эВ) [10]. Резонансные линии Ga (403.3 и 417.3 нм с sth ~ 3.07 эВ), имеющие высокую интенсивность при травлении арсенида галлия в плазме хлора [8], в наших экспериментах менее
интенсивны по сравнению с полосами монохлорида галлия, но могут быть использованы для анализа кинетических закономерностей травления. Можно полагать, что интенсивности излучения полос монохлорида галлия с длинами волн 330.4 и 352.7 нм и резонансных линий галлия (403.3 и 417.3 нм) пропорциональны концентрации соответствующих частиц в газовой фазе, а, следовательно, и скорости плазмохими-ческого травления.
Наличие некоего индукционного периода на спектральной кинетической кривой травления GaAs в HCl может быть связано с теми же причинами, что и при обработке арсенида галлия в плазме хлора. Тем не менее, в плазме хлороводо-рода удаление слоя оксида достаточно эффективно протекает при взаимодействии с ним атомов водорода, образующихся при диссоциации молекул HCl. Последний фактор явля
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.