Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ В ПЛАЗМЕ СМЕСЕЙ ХЛОРА С АЗОТОМ, КИСЛОРОДОМ И ВОДОРОДОМ

Овчинников Н.Л., Светцов В.И., Ефремов А.М.

Ивановский государственный химико-технологический университет

В последние годы при плазмохимическом травлении полупроводниковых материалов типа A^IIIB^V и в частности арсенида галлия широко используются смеси хлора и хлорсодержащих газов с молекулярными добавками (N₂, O₂, H₂). Использование подобных смесей позволяет не только уменьшить расход газа-реагента, но в ряде случаев повысить и скорость травления. Кроме того, при использовании смесей хлора с водородом появляется принципиальная возможность регулировать состояние поверхности травимого материала, т.е. подобрать условия, обеспечивающие полирующее травление арсенида галлия при технологически приемлемых скоростях.

Целью данной работы было исследование влияния добавок азота, кислорода и водорода к хлору на скорость травления арсенида галлия.

Исследования проводились в стеклянной разрядной трубке с электродами, расположенными в боковых отростках и размещении образца на термостатируемом столике в области положительного столба разряда. Хлор получали термическим разложением бихлорида меди в вакууме, давление и поток газа измеряли U-образным масляным манометром и реометром. Общее давление плазмообразующей смеси во всех экспериментах составляло 100 Па. Скорость травления измеряли гравиметрическим методом, путем взвешивания образцов до и после обработки на аналитических весах с точностью ± 5^.10^-4 г.

Проведено исследование кинетических закономерностей процесса травления GaAs в смесях хлора с азотом, кислородом и водородом . Эксперименты показали, что гравиметрические кинетические кривые травления арсенида галлия в смесях Cl₂-N₂, Cl₂-O₂, Cl₂-H₂  различного состава аппроксимируются линейной зависимостью. Из спектральных кинетических кривых травления арсенида галлия, полученных по интенсивности излучения резонансной линии галлия 417.3 нм, следует, что процесс травления GaAs в смеси Cl₂-O₂ при различныхее составах не имеет индукционного периода и характеризуется установлением постоянного значения скорости за время порядка 2 минут. В отличие от травления в смеси Cl₂-O₂ спектральные кинетические кривые травления GaAs в смеси Cl₂-H₂ характеризуются практически линейным возрастанием скорости процесса во времени с последующим установлением постоянного значения. Время установления постоянства скорости травления составляет 6 - 8 мин и определяется как установлением температуры образца, так и изменением состояния поверхности в процессе травления. Наличие начального индукционного периода может быть обусловлено несколькими факторами, в том числе неравномерностью травления по компонентам и возможностью обратного осаждения галлия и мышьяка из газовой фазы на поверхность.

Исследованиями установлено, что температурные зависимости скорости травления GaAs в плазме смесей хлора с азотом, кислородом и водородом различного состава экспоненциальны. Вычисленные из температурных зависимостей энергии активации процесса травления арсенида галлия составляет 46.2, 41.1 и 33.3 кДж/моль для смесей Cl₂-N₂, Cl₂-O₂, Cl₂-H₂ соответственно.

Эксперименты показали, что при 20%-ом содержаниие азота в смеси имеет место максимум скорости травления. Быстрое уменьшение скорости взаимодействия при содержании азота более 20% может быть связано с образованием на поверхности образца пассивирующего слоя GaN, скорость травления которого в хлорной плазме мала по сравнению с чистым арсенидом галлия. Другим фактором, ведущим к падению скорости травления, является разбавление активного газа.

Установлено, что при травлении арсенида галлия в смеси хлор-водород наблюдается эффект увеличения скорости процесса (~ в 1.5 раза выше чем в чистом хлоре) с максимумом при 20 % -ом содержании водорода в смеси. Было установлено, что абсолютные значения скоростей травления арсенида галлия в водороде на 2 порядка ниже, чем в чистом хлоре.

Для объяснения эффекта увеличения скорости процесса травления арсенида галлия в смесях хлора с азотом и водородом были рассчитаны потоки активных частиц на поверхность образца. Данные по потокам в сравнении со скоростями травления, приведены в таблице 1. Из результатов расчетов следует, что практически во всем диапазоне концентраций азота и водорода в смеси поток атомов хлора в среднем на три порядка величины больше потока положительных ионов (Cl₂⁺, Cl⁺). Поэтому основной вклад во взаимодействие вносят атомы хлора, а влияние ионов на увеличение скорости травления может сводиться лишь к дополнительной активации поверхностных активных центров.

С использованием данных по концентрациям атомов хлора в плазме были вычислены вероятности взаимодействия атомов хлора с арсенидом галлия в смесях хлора с азотом, кислородом и водородом. Вероятность взаимодействия определялась как отношение потоков атомов мишени и активных частиц. Она зависит от состава смеси и имеет аналогичный характер, что и скорость травления.

Показано, что увеличение скорости травления при разбавлении хлора азотом и водородом определяется гетерогенными стадиями процесса.

Исследования показали, что для плазмы смеси хлор-кислород скорость травления максимальна в чистом хлоре, добавки кислорода ведут лишь к ее монотонному уменьшению. Уменьшение скорости травления определяется окислением поверхности GaAs активным кислородом, образующимся в разряде.

Таблица 1

Потоки активных частиц на поверхность образца и поток продуктов травления

арсенида галлия в плазме смесей Cl₂-N₂, Cl₂-O₂, Cl₂-H₂

[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |