МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 6, с. 413-417
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 537.525
СПЕКТРАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАВЛЕНИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
В ПЛАЗМЕ HCl
© 2011 г. А. В. Дунаев, С. А. Пивоварёнок, С. П. Капинос, А. М. Ефремов, В. И. Светцов
Ивановский государственный химико-технологический университет E-mail: dunaev-80@mail.ru, sap@isuct.ru, d-tritus04@mail.ru Поступила в редакцию 02.09.2010 г.
Хлорсодержащие газы широко применяются в травлении ряда материалов. Хлористый водород — один из перспективнейших в данной области. В статье проведено исследование травления арсенида галлия в плазме последнего методом эмиссионной спектроскопии. Весь спектр излучения газа представлен только атомарными компонентами. Возбуждение атомов осуществляется электронным ударом, а их гибель — излучательной деактивацией. Контроль процесса травления можно осуществлять спектрально по интенсивностям монохлорида и резонансным линиям галлия. Для спектральных (как и для гравиметрических) кинетических кривых травления арсенида наблюдался индукционный период (~1мин), который отсутствовал для образцов, уже повергавшихся травлению.
ВВЕДЕНИЕ
Хлор и хлорсодержащие газы широко используются в микроэлектронике при плазмохимиче-ском травлении ряда полупроводниковых материалов, в том числе арсенида галлия, алюминия, меди и др. [1—2]. Одним из наиболее перспективных хлорсодержащих газов является хлористый водород, применение которого в качестве плаз-мообразующего позволяет проводить полирующее анизотропное травление арсенида галлия с технологически приемлемыми скоростями. Естественно, что использование плазмохимического травления как метода формирования рисунка требует разработки простого и надежного метода контроля, позволяющего получать информацию о кинетике процесса. В настоящее время одним из наиболее перспективных методов исследования плазмохимических реакций является эмиссионная спектроскопия, позволяющая получать данные по абсолютным и относительным концентрациям, как активных частиц, так и продуктов взаимодействия непосредственно в зоне реакции в реальном масштабе времени [3].
Данная работа посвящена изучению травления арсенида галлия в плазме хлористого водорода методом эмиссионной спектроскопии при различных условиях проведения процесса.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для экспериментального исследования взаимодействия плазмы HCl с GaAs в условиях тлеющего разряда постоянного тока использовался цилиндрический проточный плазмохимический реактор (внутренний диаметр 3.4 см, длина зоны разряда 40 см), изготовленный из стекла С-49. В
качестве внешних параметров разряда выступали ток разряда (10—60 мА), давление (20—100 Па) и расход (2—8 см3/с при нормальных условиях) плазмообразующего газа. Хлористый водород получали химическим методом, основанным на обменной реакции между хлористым натрием и серной кислотой [4]. Измерение давления и расхода газа проводили U-образным масляным манометром и капиллярным реометром.
Подвергаемые травлению образцы представляли собой фрагменты полированных пластин GaAs (средняя площадь 1 см2, толщина 400 мкм). Образцы располагались в области положительного столба разряда под плавающим потенциалом, температура образца контролировалась по температуре подложкодержателя. Определение скоростей травления осуществлялось гравиметрически, по изменению массы образца до и после обработки. Взвешивание образцов проводилось на аналитических весах с точностью ±5 х 10-5 г.
Контроль поверхности полупроводниковых образцов проводился посредством атомно-сило-вого микроскопа Solver P47-Pro, который позволяет исследовать поверхность образцов на участках размером до 50 х 50 мкм. Минимальный шаг сканирования 0.006 нм.
Температура нейтральных частиц определялась при решении уравнения теплового баланса реактора [5] с использованием экспериментальных данных по температуре наружной стенки. Напряженность электрического поля измерялась зондовым методом. Запись спектров излучения плазмы HCl осуществлялась с помощью оптоволоконного спектрометра AvaSpec-2048-2 с фотоэлектрической системой регистрацией сигнала и накоплением данных на ЭВМ. Рабочий диапазон
25 г
20
д
(D
X н
о д
н о о
X «
и
о
к
CD
н
к К
15 Ь
10 Ь
350
375
400
-425
450
650 700 750 800 850 900
X, нм
Рис. 1. Общий вид спектра излучения плазмы HCl р = 100 Па, р = 20 мА.
5
0
длин волн составлял 300—1000 нм. При расшифровке спектров использовались справочники [6, 7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 изображен общий вид спектра излучения плазмы HCl при травлении арсенида галлия. Эксперименты показали, что спектр излучения плазмообразующего газа HCl в рассматриваемом диапазоне длин волн представлен только атомарными компонентами. Так, в спектре присутствуют две группы линий атомарного хлора (менее интенсивные в сине-зеленой части спектра 430—460 нм, обусловленные возбуждением состояния 5p, и более интенсивные в красной области 700—900 нм, связанные с излучательной дезактивацией состояния 4p) [8], а также три характерные линии атомов водорода Ha, Hß и HY серии Бальмера с длинами волн 656.3 нм, 486.1 нм и 434.0 нм соответственно. Излучение молекул HCl лежит в ультрафиолетовой области спектра за пределами доступного нам диапазона длин волн. Отсутствие излучения молекул Cl2 связано, по-видимому, с низкой чувствительностью спектрального оборудования в приграничной области длин волн и с низкой концентрацией этих частиц
в плазме. Наиболее интенсивными, стабильно проявляющимися и свободными от перекрывания с соседними являются линии С1 452.6 нм (Ев = 11.94 эВ), С1 725.7 нм (Ев = 10.6 эВ), С1 837.6 нм (Ев = 10.4 эВ) и На 656.3 нм (Ев = 12.09 эВ). Высокие значения пороговых энергий позволяют рассматривать возбуждение атомов электронным ударом как основной механизм заселения верхних состояний, пренебрегая механизмом диссоциативного возбуждения [8]. Кроме этого, низкие времена жизни соответствующих возбужденных состояний позволяют рассматривать излучатель-ную дезактивацию как основной механизм данного процесса. При помещении в реактор образца ОаА спектр излучения плазмы заметно изменяется за счет появления максимумов излучения продуктов взаимодействия — системы полос ОаС1 (325.5, 330.4, 334.7, 341.8, 352.7 нм с Ев = 3.70 эВ). Резонансные линии Оа (403.3 и 417.3 нм с Ев ~ 3.07 эВ), имеющие высокую интенсивность при травлении арсенида галлия в плазме хлора [9], в наших экспериментах малоинтенсивны по сравнению с полосами монохлорида галлия, но могут быть использованы для анализа кинетических закономерностей травления. Можно полагать, что, при условии постоянства внешних параметров плаз-
Время, мин
Рис. 2. Гравиметрические кинетические кривые травления арсенида галлия в плазме хлористого водорода.
I, отн. ед,
Рис. 3. Зависимость интенсивности излучения продуктов травления GaAs в плазме HCl от времени при периодическом увеличении тока разряда без выключения последнего.
мы и в предположении о малом возмущении плазмы продуктами гетерогенных плазмохимиче-ских реакций, интенсивности излучения полос монохлорида галлия с длинами волн 325.5 нм 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 плазмохимического травления. Важ-
0.80 г
0.50
6 8 10
RT 1015, см-2 с-1
12
14 16
0
2
4
Рис. 4. Зависимость интенсивности излучения полосы GaCl от скорости травления арсенида галлия в плазме HCl (р = 20 мА).
но отметить, что благодаря малым значениям энергий возбуждения излучающих состояний галлия и его монохлорида, изменение электрофизических параметров плазмы и условий проведения процесса не будет оказывать заметного влияния на коэффициент скорости возбуждения.
На рис. 2 приведены гравиметрические кинетические кривые травления арсенида галлия в плазме хлористого водорода, полученные для полированных исходных образцов. На кинетической кривой имеется индукционный период порядка одной минуты, после чего наблюдается линейное изменение массы образца во времени и постоянство интенсивности излучения исследуемых линий и полос. Такой вид кинетических кривых соответствует первому порядку реакции. Аналогичные результаты были получены ранее в работах [9] для травления арсенида галлия в хлорной плазме. Наличие индукционного периода на кинетической кривой может быть связано с необходимостью образования на поверхности GaAs слоя адсорбированного хлора толщиной до 0.1 нм [10]; 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 [9]. В плазме хлороводорода удаление слоя оксида достаточно эффективно протекает при взаимодействии с ним атомов водорода, образующихся при диссоциации молекул HCl. Последний фактор является причиной меньшей ве-
личины индукционного периода при травлении арсенида галлия в плазме хлороводорода (-1 мин) по сравнению с хлорной плазмой (-3 мин). Для образцов, ранее уже подвергаемых травлению, индукционный период практически отсутствует. Это наглядно видно на рис. 3, где показана зависимость интенсивности излучения резонансной линии галлия от времени при периодическом увеличении тока разряда без выключения последнего.
Связь между интенсивностью излучения продуктов травления GaAs (на примере полосы GaCl с длиной волны 352.7 нм) и скоростью травления арсенида галлия в плазме хлороводорода описывается прямо пропорциональной зависимостью (рис. 4), что подтверждает сделанное выше предположение о возможности контроля скорости процесса спектральным методом в реальном масштабе времени.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. V. 1. Process Technology. N. Y.: Lattice Press. 2000, 890 p.
2. Lochte-Holtgreven W. Plasma Diagnostics, AIP Press, New York. 1995, 928 p.
3. Coburn J.W., Chen M. Optical emission spectroscopy of reactive plasmas: A method for
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.