ористого водорода. Реакция взаимодействия кремния с парогазовой смесью идет с образованием продуктов реакции в виде легколетучих соединений SiCl2 или SiCl^

Si (тв) -f НС1 (газ) ^ SiCl2 (пар) -f Н2 (газ).

Наряду с рассмотренным процессом с использованием смеси (НС1-{-Н2), аналогичные результаты по качеству обработки можно получить с использованием смесей (НВг+Н2) и (Ш-{-Н2). Если обработку в этих смесях проводить при температурах и концентрациях таких же, как и в смеси (HCl-f-H2), то скорости удаления кремния будут одного порядка.

Обработка в смесях (С12+Н2), (Вг2 + Н2) и (J2 + H2). Основным преимуществом данного способа обработки перед предыдущими является снижение температуры рабочего процесса с 1200°С для смеси (НС1 + Н2) до 1100°С. Процесс обработки кремниевых подложек проводят в рассмотренных установках. Реакция взаимодействия кремния с хлором имеет вид

Si (тв)-(- С12(газ) SiCl2(nap).

Обработка в смеси (Н20+Н2). Обработку кремния парами воды проводят при высокой температуре (1250—1270°С). В рабочую камеру поступает поток водорода, в который добавляются пары воды в количестве, не превышающем 0,02—0,1%. Реакция

3—210

65

взаимодействия кремния с парами воды имеет вид

Si (тв) -f Н20 (пар) :? SiO(пар) -f Н2 (газ).

Обработка в смеси (H2S+H2). Взаимодействие кремния с сероводородом происходит при-высоких рабочих температурах (порядка 1200°'С). Реакция имеет вид

Si (TB)-f H2S (газ) :? SiS (пар) + H2 (газ).

Для обработки кремния используют 0,5%-ный сероводород в потоке водорода. Качество обработки поверхности кремния в сероводороде несколько лучше, чем при обрабтоке в (HCl+Нг) и (Н20+Н2).

Основным недостатком сероводорода является его токсичность.

Эпитаксиальные слои, выращенные на кремниевых подложках, обработанных в парогазовой смеси (H2S+H2), содержат меньшее количество дефектов упаковки и посторонних включений.

Обработка в смеси (SF6+H2). В отличие от сероводорода гексафторид серы является веществом нетоксичным. Использование гексафторида серы для парогазовой обработки кремния дает возможность снизить рабочую температуру процесса до 1000° С.

Реакция взаимодействия кремния с гексафторидом серы имеет вид

5Si (тв) -4- 2SF6 (пар) ^ 2SiS (пар) -(- 3SiF4 (цар).

Процесс обработки в смеси (SF6 + H2) используют для локального травления кремния. Он позволяет получать углубления (лунки) с плоским дном и перпендикулярными боковыми гранями.

Таблица 4.1

Парогазовая смесь Концентрация реагента, % Температура процесса, °С Скорость травления, мкм/с

(Н20 + Н2) 0,1 1270 0,001

(НС1 + Н2) 0,85 1200 0,005

(Вг2 + Н2) 0,7 1220 0,006

(С12 + Н2) 0,2 1000 0,012

(SF6 + H2) 0,2 1050 .0,003

(H2S + H2) 0,5 1200 0,02

Для всех рассмотренных процессов обработки кремния (кроме обработки в парах воды) наличие примесей в рабочих смесях приводит к образованию нежелательных посторонних включений на поверхности обрабатываемой подложки.

При попадании в рабочую камеру кислорода на поверхности кремния могут образовываться включения SiO или S1O2, а при попадании в камеру азота наблюдаются отдельные включения из нитрида кремния (Si3N4) размером в несколько ангстрем.

66

Глубина стравленных слоев кремния при парогазовой обработке обычно не превышает 10—15 мкм. В табл. 4.1 приведены режимы обработки для различных парогазовых смесей.

Для снижения рабочей температуры процессов парогазовой обработки можно использовать газовые смеси хлора с гелием, а также более сложные составы газовых смесей, например водорода, гелия, йодистого водорода и фтористого водорода, взятых в соотношении 80 : 20 : 0,5 : 0,001.

§ 4.8. Ионно-плазменная обработка подложек

Ионно-плазменная обработка подложек является одним из специфических процессов в полупроводниковой микроэлектронике, который не требует использования жидких травителей. Сущность процесса состоит во взаимодействии ускоренного потока ионов инертного газа с поверхностью обрабатываемой подложки.

Для осуществления этого процесса исходную полупроводниковую подложку помещают в рабочую камеру, где создается определенное давление инертного газа. С помощью расположенных внутри камеры (невдалеке от подложки) электродов добиваются стабильного тлеющего разряда. Пространство тлеющего разряда заполнено квазинейтральной электронно-ионной плазмой. На обрабатываемую ^полупроводниковую подложку относительно плазмы подается достаточно большое отрицательное напряжение (2—3 кВ). В результате положительно заряженные ионы плазмы бомбардируют поверхность подложки и слой за слоем выбивают атомы с поверхности, т. е. обрабатывают (травят) ее.

Ионно-плазменная обработка, как и химическая, может быть общей и локальной. Преимуществом локальной ионно-плазменной обработки является отсутствие «подтравливания» под маску: стенки вытравленного рельефа практически перпендикулярны поверхности обрабатываемой подложки, а площади углублений (лунок) равны площади окон в защитной маске. Кроме того, процесс ионно-плазменной обработки является универсальным, т. е. с его помощью можно обрабатывать подложки из любого полупроводникового материала.

Рассмотрим теоретические представления о механизме ионно-плазменного удаления материала с поверхности полупроводниковой подложки. Наиболее приемлемой следует считать теорию, исходящую из возможности возникновения радиационных дефектов в обрабатываемой полупроводниковой подложке при бомбардировке ее поверхности заряженными ионами инертных газов.

При соударении заряженного иона с атомом полупроводниковой подложки происходит передача момента количества движения бомбардирующего иона атомам подложки. Другими сло-вами.^ускоренный до определенной энергии положительно заряженный ион инертного газа из ионной плазмы ударяется о поверхность подложки. При этом заряженный ион, сталкиваясь с атомами решетки, передает им свою энергию. Так как началь-

яая энергия иона велика, то первый атом, столкнувшийся с ионом (если энергия иона больше энергии связи атома в решетке), покидает свое место и в свою очередь соударяется с Другим атомом кристаллической решетки, который после соударения тоже может покинуть свое место. Таким образом может создаться ситуация, когда серия последовательных столкновений ион — атом и атом —атом приведет к тому, что последний из соуда-рившихся атомов окажется расположенным на поверхности подложки. Если энергия, переданная приповерхностному атому, больше его работы выхода, то он покидает поверхность подложки и переходит в объем рабочей камеры.

Техника проведения процессов ионно-плазменной обработки связана с методом образования ионной плазмы инертного газа. Существует три основных метода образования плазмы. По первому методу источником плазмы служит самостоятельный тлеющий разряд, возникающий при определенном давлении инертного газа в рабочей камере при приложении напряжения между анодом и катодом. По второму методу плазма возбуждается за счет дугового разряда, стимулированного током термоэлектронной эмиссии. Третий метод создания плазмы основан на использовании систем с высокочастотным (ВЧ) возбуждением.

Для поддержания плазмы тлеющего разряда используют эф-' фекты автоэлектронной и ионно-электронной эмиссии за счет высокого межэлектродного поля и бомбардировки поверхности катода положительными ионами плазмы. Основным преимуществом этого метода является его простота и возможность создания равномерной плотности плазмы в большом объеме прикатодного пространства.

Для поддержания плазмы дугового разряда используют специальный источник электронов в виде накаливаемого термоэмиссионного катода. Эмиттируемые этим катодом электроны ускоряются по направлению к аноду и ионизируют по пути молекулы инертного газа. Плотность такой плазмы может быть намного большей, чем плотность плазмы тлеющего разряда. Для увеличения плотности плазмы дугового разряда используют магнитные линзы, которые стягивают ее в шнур за счет фокусировки электронов вдоль направления силовых линий магнитного поля. Поле пространственного заряда сфокусированных электронов притягивает положительно заряженные ионы плазмы, и ее плотность резко возрастает.

Системы с высокочастотным (ВЧ) возбуждением плазмы применяются для ионно-плазменной обработки подложек из диэлектрических материалов. При обработке диэлектрической подложки возникает затруднение, связанное с накоплением на ней положительного заряда, препятствующего дальнейшему процессу удаления материала. Это затруднение преодолевается тем, что на обрабатываемую подложку наряду с постоянным отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты (около 15 Мгц) с амплитудой, несколько превышающей постоян-68

положительный заряд за

иое напряжение. Тогда при отрицательном полупериоде результирующее напряжение на обрабатываемой подложке отрицательно и происходит процесс удаления материала подложки. При этом

на поверхности подложки создается .....~л,т.....й

счет положительно заряженных ионов плазмы. Кроме того, положительные ионы из плазмы ускоряются по направлению к подложке и бомбардируют ее. Некоторая часть ионов рекомбинируег с электронами и остается на поверхности диэлектрической подложки, увеличивая тем самым ее положительный потенциал.

При положительном полупериоде высокочастотного напряжения на подложке суммирующее напряжение будет положительным и подложка будет притягивать электроны из плазмы. В этом случае процесс удаления материала с подложки прекращается, но зато происходит компенсация накопленного положительного заряда.

На рис. 4.1 приведена схема установки ионно-плазменной обработки подложек. В рабочей камере / размещены три основных электрода: термоэмиссионный катод 2, анод 3 и обрабатываемая подложка 4. Между катодом и анодом создается плазма 5 инертного газа за счет дугового разряда.

Процесс ионно-плазменной обработки состоит в следующем. Из рабочей камеры откачивают воздух и заполняют ее инертным газом. Наиболее часто для этих целей используют аргон. Пред-. варительно обработанную подложку закрепляют внутри камеры на электроде 4. Давлен