Микроэлектроника, 2019, T. 48, № 4, стр. 279-283

ВВЕДЕНИЕ

В технологии важно правильно подобрать плазмообразующую среду для травления того или иного материала. Необходимо, чтобы рабочий газ обеспечивал достаточную скорость, селективность и анизотропию процесса травления, а также образовывал с исследуемым материалом продукты травления, обладающие высокой летучестью. В технологии микроэлектроники для травления кремния и его соединений традиционно использовались фторсодержащие газы из семейства фреонов C_xH_yF_z, которые удовлетворяют вышеописанным характеристикам.

Арсенид галлия имеет ряд преимуществ по сравнению с кремнием: высокие значения подвижности носителей заряда и их максимальная дрейфовая скорость, а также большая ширина запрещенной зоны, что позволяет расширить диапазон рабочих частот элементной базы, понизить напряжение питания интегральной схемы (ИС) и увеличить температуру эксплуатации [1, 2]. Однако скорость взаимодействия GaAs с атомами фтора очень мала вследствие образования на его поверхности продуктов травления, обладающих малой летучестью. Дихлордифторметан (CF₂Cl₂) является источником атомарного фтора и хлора, поэтому достаточно часто используется при реактивном ионном травлении широкого круга неорганических материалов, в частности, при плазменной обработке полупроводниковых материалов группы A³B⁵.

В технологии при проведении процессов сухого травления в качестве плазмообразующих сред широкое использование получили двух и более компонентные газовые смеси. Это связано с тем, что различные газовые добавки (инертные – Ar, He либо молекулярные – H₂, O₂) оказывают определенное влияние на протекание процесса травления. Например, инертная добавка к галогенсодержащим газам может привести к тому, что скорость травления материала может либо в разы увеличиваться, либо незначительно уменьшаться, так как происходит влияние на электрофизические параметры плазмы и кинетику плазмохимических процессов [3]. Добавка водорода способствует как разрушению пленки естественного оксида, так и полирующему травлению полупроводниковых материалов группы A³B⁵, а кислород подавляет полимеризацию ненасыщенных продуктов распада углеродсодержащих молекул на поверхности материала [4].

Целью данной работы являлось исследование влияния добавки азота на скорость травления арсенида галлия в условиях ВЧ-плазмы CF₂Cl₂.

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для исследования плазмохимических процессов в условиях ВЧ-разряда использовалась установка “Платран-100ХТ”. Она предназначена для плазмохимического травления полупроводниковых материалов, а также металлических пленок, продукты реакции которых с плазмообразующими газовыми смесями на основе хлора и фтора образуют летучие соединения. Установка обеспечивает возможность обработки пластин диаметром до 100 мм, а также меньших размеров толщиной от 0.3 до 2 мм.

Откачка системы производилась механическим пластинчато-роторным (Leybold BCS, производительность 30 м³/ч) и турбомолекулярным (TMP 803 LMTC, производительность 800 л/с) насосами до предельного давления остаточных газов порядка 10^–6 Торр. Контроль рабочего давления в реакторе осуществлялся емкостным датчиком (баратрон) с верхним пределом измерения 0.1 Торр. Измерение и контроль расхода плазмообразующего газа проводились при помощи расходомеров с верхним пределом 500 см³/мин. Система контроля температуры предусматривает возможность автоматической стабилизации температуры подложки за счет регулирования скорости потока охлаждающей жидкости.

В экспериментах вкладываемая в разряд мощность (W_rf) являлась величиной постоянной и составляла 950 Вт, мощность смещения W_bias = 0–300 Вт, расход плазмообразующего газа 20 см³/мин (~1.4 мТорр). Температура образцов поддерживалась постоянной и составляла 373 К. Время травления изменялось от 60 до 180 секунд с интервалом 30 секунд. Первая партия образцов обрабатывалась в отсутствии мощности смещения на подложкодержателе, вторая – при мощности смещении 150 Вт, третья – при максимальной мощности 300 Вт.

Образцы представляли собой фрагменты полированных пластин GaAs толщиной ~400 мкм с размерами 10 × 10 мм.

Скорость травления определялась гравиметрическим методом, путем взвешивания образцов до и после обработки в плазме на аналитических весах WA-34 с точностью ±5 × 10^–5 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Плазма на основе CF₂Cl₂ сама по себе является многокомпонентной системой и поэтому, чтобы понять какой вклад вносит использование газовых добавок, следует проанализировать ее в чистом виде.

Сначала остановимся на анализе типов активных частиц плазмы CF₂Cl₂, способных участвовать в процессе химического взаимодействия с поверхностью GaAs. В экспериментах, проведенных ранее, было найдено, что молекулы CF₂Cl₂ химически не взаимодействуют с GaAs при отсутствии разряда, так как после обработки визуально отсутствует какое-либо изменение поверхности, а изменение массы образца после обработки находится на уровне погрешности весовых измерений. Это позволяет говорить либо об отсутствии реакции на поверхности, либо о крайне низкой скорости взаимодействия молекул CF₂Cl₂ с арсенидом галлия, а в качестве основных химически активных частиц рассматриваются атомы хлора [5].

В таблице 1 представлены зависимости скорости травления арсенида галлия в плазме CF₂Cl₂. Зависимости скорости травления образца от времени обработки имеют линейный характер, что свидетельствует о протекании процесса в стационарной области.

На рис. 1 представлена зависимость скорости травления GaAs от потока газа (CF₂Cl₂). Как видно из зависимости при отсутствии мощности смещения на подложкодержателе (W_bias = 0 Вт) скорость травления материала уменьшается с ростом потока газа. Можно предположить, что при таких условиях взаимодействие ионов с поверхностью выступает в качестве лимитирующей стадии при травлении образца, что, в свою очередь, согласуется с влиянием потока газа на плотность потока ионов на поверхность в условиях плазмы [6]. Однако при мощностях смещения 150 и 300 Вт скорость травления арсенида галлия увеличивается линейно с ростом потока газа, и лимитирующей стадией при травлении может выступать химическая реакция на чистой поверхности.

Рис. 1.

Зависимость скорости травления GaAs от потока газа (CF₂Cl₂) при W_rf = 950 Вт и T = 100°С: 1 – W_bias = 0 Вт; 2 – W_bias = 150 Вт; 3 – W_bias = 300 Вт.

На рис. 2 приведена зависимость скорости травления GaAs от мощности, вкладываемой в разряд. Как можно видеть, при варьировании мощности смещения от 0 до 300 Вт скорость травления материала линейно возрастает с ростом мощности, вкладываемой в плазму, что связано с ростом концентрации химически активных частиц (атомов хлора), так как с увеличением W_rf происходит рост концентрации электронов в объеме плазмы, и в результате степень диссоциации молекул плазмообразующего газа будет увеличиваться.

Рис. 2.

Зависимость скорости травления GaAs от мощности, вкладываемой в плазму, при p = 1.4 мТорр: 1 – W_bias = 0 Вт; 2 – W_bias = 150 Вт; 3 – W_bias = 300 Вт.

Теперь рассмотрим, что происходит при введении второго газа в систему. На рис. 3 представлена зависимость скорости травления образца от времени обработки в плазме CF₂Cl₂/N₂ в соотношении 1/1. Данная зависимость так же линейна, как и в плазме CF₂Cl₂, что свидетельствует о протекании процесса в стационарной области. Как видно из зависимости, при травлении материала от 1 до 3 мин скорость травления образца увеличилась в 2.6 раза (от 0.5 × 10¹⁶ до 1.3 × 10¹⁶ см^–2 с^–1).

Рис. 3.

Зависимость скорости травления арсенида галлия в плазме CF₂Cl₂/N₂ от времени обработки при p = 1.4 мТорр, W_rf = 950 Вт и T = 100°С: 1 – W_bias = 0 Вт; 2 – W_bias = 150 Вт; 3 – W_bias = 300 Вт.

Сравнивая среднее абсолютное значение скорости травления образца в данной системе со средним абсолютным значением скорости травления образца в плазме CF₂Cl₂ можно сказать, что данная величина уменьшилась в 1.6 раза. Однако при разбавлении рабочего газа азотом в соотношении 1/1 следовало бы ожидать, что скорость травления образца также изменится в два раза согласно эффекту концентрационного разбавления. При увеличении доли азота в системе будет происходить уменьшение концентрации основного газа, который является источником химически активных частиц (атомов хлора) в условиях плазмы, и скорость взаимодействия должна уменьшаться пропорционально разбавлению. Такое несоответствие, вероятно, связано с тем, что при введении второго газа происходит изменение электрофизических параметров плазмы. Вероятнее всего, происходит деформация функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) при разбавлении электроотрицательного газа электроположительным. Доля высокоэнергетичных электронов и средняя энергия электронов будут возрастать, что приведет к росту коэффициентов скоростей пороговых элементарных процессов вследствие снижения потерь энергии электронами на процессы возбуждения и ионизации частиц из-за малых величин сечений и высоких пороговых энергий процессов для молекул азота (ε_th = 15.6 эВ). За счет изменения электрофизических параметров разряда могут возрасти скорости диссоциации молекул основного газа прямым электронным ударом, что, в свою очередь, может привести к изменению скорости генерации основных химически активных частиц (атомов хлора) в объеме плазмы [7].

В обеих системах (CF₂Cl₂, CF₂Cl₂/N₂) происходит значительное увеличение скорости травления материала при подаче мощности смещения на подложкодержатель. Например, при подаче мощности смещения на подложкодержатель 150 Вт в плазме CF₂Cl₂ средние абсолютные значения скоростей травления образца увеличиваются практически в 5 раз, а при 300 Вт – в 8 раз (см. табл. 1). При подаче мощности смещения 150 или 300 Вт на подложкодержатель, в плазме CF₂Cl₂/N₂ также наблюдается увеличение средних абсолютных значений скоростей травления образца (например, приблизительно в 3.5 раза при 150 Вт и в 5.8 раза при 300 Вт). Увеличение мощности смещения может привести как к более эффективной ионно-стимулированной десорбции продуктов травления, так и физическому распылению материала. По сравнению с плазмой CF₂Cl₂ средние абсолютные значения скоростей травления образца в плазме CF₂Cl₂/N₂ при подаче мощности смещения уменьшились в среднем приблизительно в 2 раза при тех же условиях. Подобные результаты наблюдались в системах CF₂Cl₂/Ar и CF₂Cl₂/He [7].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование влияния добавки азота на скорость травления арсенида галлия в условиях ВЧ-плазмы CF₂Cl₂. Показано, что в смеси CF₂Cl₂/N₂ в соотношении 1/1 изменения в средних абсолютных значениях скоростей травления образца не согласуются с эффектом концентрационного разбавления, что может свидетельствовать об увеличении скорости диссоциации молекул основного газа. Разбавление CF₂Cl₂ азотом в соотношении 1/1 приводит к несущественной потере в скорости травления, что позволяет снизить расход газа-реагента, продлить срок службы откачных систем. При подаче мощности смещения на подложкодержатель в обеих системах (CF₂Cl₂, CF₂Cl₂/N₂) наблюдается существенное увеличение в скорости травления образца.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проект 3.1371.2017/4.6).