УДК 66.088

ОБЗОР ГАЗОВОЙ ХИМИИ ДЛЯ СУХОГО ТРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Запевалин Александр Иванович
Пензенский государственный университет
аспирант кафедры «Приборостроение»

Аннотация
В этой статье краткий обзор различной газовой химии для травления GaAs, AlGaAs, InP, InGaAs , InSb, и InAs. Кратко указаны преимущества для каждого процесса.

Ключевые слова: газовая химия, полупроводниковые соединения, сухое травление полупроводниковых соединений, травление


OVERVIEW OF GAS-PHASE CHEMISTRY FOR DRY ETCHING SEMICONDUCTOR COMPOUNDS

Zapevalin Alexander Ivanovich
Penza State University
Postgraduate of "Instrument making" department

Abstract
In this article, a brief overview of various gas-phase chemistry to etch GaAs, AlGaAs, InP, InGaAs, InSb, and InAs. Briefly outlines the advantages of each process.

Рубрика: 02.00.00 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Запевалин А.И. Обзор газовой химии для сухого травления полупроводниковых соединений // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 6. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/06/35792 (дата обращения: 29.09.2017).

Почти все полупроводниковые соединения III-V и их гетероструктуры можно травить в плазме хлора и брома. Совсем недавно были исследованы сухие процессы травления на основе CH4/H2-химии. Основные соображения при травлении III-V полупроводниковых структур включают

(I)                    малая шероховатость, поскольку многие из этих структур используются в оптических приборах,

(II)                  низкое повреждение полупроводникового слоя;

Обычно галогениды V группа имеют очень высокое давление паров и, следовательно, легко удаляется в процессе сухого травления. Тем не менее, галогениды III группа не настолько легко удалимы. Например, точки кипения AlCl3 262 C, GaCl2 – 535 C, GaCl3 – 201 C, InCl -608 C, и InCl3 ~ 600 C. Кроме того, фториды III группы чрезвычайно стабильные соединения и трудно улетучиваются; например, точка кипения AlF3 1291C, GaF3 ~ 1000C , и InF3 > 1200C. Таким образом, чисто химическое травление GaAs можно провести в плазме хлора, но тем же самым процессом не добиться хороших результатов при травлении InP из-за нелетучести  InCl3. Кроме того, добавление фтора в плазму хлора может быть использовано для получения высокой селективности во время травления GaAs на AlGaAs. Фторсодержащая плазма также обеспечивает средства для селективного травления маски нитрида кремния и диоксида кремния на полупроводниковых соединениях III-V группы.

Наиболее часто используемые материалы для маскирования травления соединений III-V – это металлы, такие как Cr, Ni, Ti, Al; химически осажденные из газовой фазы Si3N4 , SiO2, и новолачные смолы на основе фоторезистов и электрорезистов. Металлы показывают самую высокую селективность в этих применениях; однако размер зерна осажденной пленки определяет шероховатость боковой стенки и достижимую гладкость. Самые гладкие результаты травления были достигнуты с помощью задубленных, многослойных, новолачных синтетических смол на основе фоторезистов. Электронно-лучевой резист имеет плохую селективность, по сравнению с новолачными резистами.

Травление GaAs и AlGaAs

Таблица 1 содержит скорости травления, некоторых обычно используемых маскирующих материалов при травлении GaAs [1].

Реактивное травление в SiCl4 плазмы: Травление при средних давлениях 2,63-13.15Па является химическим по природе. Обычно травление GaAs при этом давлении, в плазме хлора и брома происходит быстро, спонтанно, и анизотропно, как видно на рисунке 1.[2] Относительные скорости химического травления GaAs в различных кристаллических плоскостях: (111) > (100) > (110) > (111). Тетрахлорид кремния не так коррозионный как Cl2 и плазма не оставляет трудноудаляемых остатков и является процессом хорошо подходящим для кристаллографического сухого травления.

Таблица 1 – Скорости травления и селективность различных масок относительно

Материал Скорость травления (нм/мин) Селективность к GaAs
GaAs 28,33 1
Au-Pd 2,5 11,333
Au 1,75 16,19
SiO2 0,708 40
Cr 1,25 22,67
Ni 0,5 56,6667
Ni-Cr 0,833 34
AZ-1350 (фоторезист) 2,916 9,714

Рисунок 1 – Анизотропное реактивно-ионное травление GaAs в SiCl4 плазме (2,63Па, 150Вт)

Реактивное ионное травление в плазме Cl2: Гладкие и вертикальные канавки получаются из-за высокого DC-смещения при ионной бомбардировки. Четко прослеживается  зависимость  скорости травления от аспектного-отношения. Для того чтобы избежать образования шероховатости или «травы» из-за микрозагрузки, это травление должно выполняться при очень низких давлениях в диапазоне 0.066-0.66 Па. Добавление BCl3 и Ar может привести к образованию очень гладкой канавки[3]. На рисунке 2 показано РЭМ изображение, получен гладкий профиль травления GaAs с использованием плазмы хлора [2].

Реактивное ионное травления в плазме BCl3 + Ar: при травлении в этой химии при низком давлении и при высоком содержании аргона может быть получена одинаковая скорость травления GaAs и AlGaAs – 280 нм/мин при 50 Вт, 1,97 Па, и 90% Ar [1]. Добавление 10% кислорода к этой смеси, приводит к селективности ~ 5:1, однако приводит к удивительно низкой скорости травления GaAs –  10 нм/мин.

Рисунок 2 – Анизотропное реактивно-ионное травление GaAs в Cl2 плазме (0,2Па, 150Вт)

Реактивное ионное травление в SiCl4 и SiF4 плазме: Это химия обеспечивает травление GaAs с высокой селективностью относительно AlGaAs. Использование отдельно хлора и фтора, в отличие от CCl2F2 (CCl2F2 является озоноразрушающим хлорфторуглеродом, использование которого в настоящее время вступает в противоречие с “Монреальским протоколом”) дает большую гибкость в управление соотношением Cl/F. Кроме того, не наблюдается формирование полимеров в этой газовой смеси. Анализ результата травления AlF3 показывает допустимость его использования как слоя остановки для AlGaAs во фторсодержащей плазме. На рисунке 3 приведена зависимость селективности GaAs относительно AlGaAs от процентного содержания SiCl4 в SiF4 [4]. Очевидно, более высокая селективность GaAs относительно AlGaAs получается для GaAs с более высокой концентрации алюминия и при низких концентрациях SiCl4.

Рисунок 3 – Селективность во время травления GaAs относительно AlGaAs в зависимости от содержания SiCl4 в SiF4.

Реактивное ионное травление в плазме CH4 и H2: Водород-алкановая смеси могут также использоваться для травления GaAs [5, 6]. Тем не менее, скорости травления в этом случае гораздо ниже, чем в плазме хлора. Плазма водорода приводит к наименьшим повреждениям подложки [5]. Само травление происходит за счет образования  AsH3 и (СН3)3Ga как летучих продуктов реакции.

Травление InP , InGaAs , InSb, и InAs

Реактивное ионное травление в плазме Cl2: материалы на основе фосфида индия, успешно травятся с использованием плазмы хлора [7-9]. Однако в связи с энергонезависимым характером InCl3, травление проводили при комнатной температуре. В том числе при ионной бомбардировке была обнаружена низкая скорость травления и грубые морфологии. При травлении с повышенной температурой> 140C значительно увеличилась скорость травления > 2 мкм/мин в связи с увеличением испарения InClx. При повышении температуры до 200-250C, наблюдается доминирование анизотропного травления. Тем не менее, химически стимулированое ионно-лучевое травление при высоких температурах склонно к микрозагрузке, и с этим связана  шероховатость, возникающая за счет осаждения нелетучих остатков твердой маски, камеры травления, и держателя подложки. Диоксид кремния и фоторезист, пригодны как  маска для травления, в то время как графит и кремний пригодны для материала держателя[10].

Рисунок 4 – Отверстия диаметром 30 мкм, глубинной 92мкм, протравленные в InP с использованием Cl2/Ar (50% Cl2)

Рисунок 5 – Выступы шириной 0,4 мкм протравленные в InP с использованием Cl2/H2/N2/Ar (50% Cl2)

Ко и со авторы заявили о травлении гладких отверстий в InP с помощью ECR-RIE с Cl2/Ar как газы для травления (см. рисунок 4) [11]. При соотношении расходов 2:1 в Cl2:Ar было обнаружено, что это приводит к очень гладкой поверхностной морфологии. Было показано, что добавление водорода или HCl в плазму, улучшает поверхностную морфологию. Вероятно, эффект добавления водорода в плазму хлора эффективно удаляет фосфор в виде PH3.

Травление InP в CH4/H2 плазме: Алкан-водородное травление InP обеспечивает альтернативное травление с помощью галогенновых газов. Хотя скорости травления являются низкими (в диапазоне 20-60 нм/мин), при травлении морфология чрезвычайно гладкая и повреждения ограничиваются 4нм на поверхности. [12]. В алкан-водородной плазме, фосфор удаляется через образование летучего PH3, тогда как индий удаляется через образование (CH3)3In. Обычно используются соотношения CH4:H2 в диапазоне 0,1-0,4. Более высокие значения CH4 приводят к осаждению полимера на поверхности.


Библиографический список
  1. Scherer, H.G. Craighead, E.D. Beebe: Gallium arsenide and aluminum gallium arsenide reactive ion etching in boron trichloride/argon mixtures, J. Vac. Sci. Technol. B: Microelectron. Nanometer Struct. 5, 1599–1605 (1987)
  2. Youtsey, I. Adesida: Plasma Processing of III-V Materials, In Handbook of Advanced Plasma Processing Techniques, pp. 459–506 (Shuhl, R.J., Pearton, S.J. (Eds.) Springer, Berlin, 2000)
  3. K.J. Nordheden, D.W. Ferguson, P.M. Smith: Reactive ion etching of via holes for GaAs high electron mobility transistors and monolithic microwave integrated circuits using Cl2/BCl3/Ar gas mixtures, J. Vac. Sci. Technol. B:Microelectron. Nanometer Struct. 11, 1879–1883 (1993)
  4. W.H. Guggina, A.A. Ketterson, E. Andideh, J. Hughes, I. Adesida, S. Caracci, J. Kolodzey: Characterization of GaAs/AlxGa1–xAs selective reactive ion etching in SiCl4/SiF4 plasmas. The 34th International Symposium on Electron, Ion and Photon Beams, San Antonio, TX, pp. 1956–1959 (1990)
  5. R. Cheung, S. Thoms, S.P. Beamont, G. Doughty, V. Law, C.D.W. Wilkinson: Reactive ion etching of GaAs using a mixture of methane and hydrogen, Electron. Lett. 23, 857–859 (1987)
  6. J.Werking, J. Schramm, C. Nguyen, E.L. Hu, H. Kroemer: Methane/hydrogen-based reactive ion etching of InAs, InP, GaAs, and GaSb, Appl. Phys. Lett. 58, 2003–2005 (1991)
  7. M.A. Bosch, L.A. Coldren, E. Good: Reactive ion beam etching of InP with Cl2, Appl. Phys. Lett. 38, 264–266 (1981)
  8. C. Youtsey, I. Adesida: A comparative study of Cl2 and HCl gases for the chemically assisted ion beam etching of InP. The 38th International Symposium on Electron, Ion, and Photon Beams, Scottsdale, AZ, pp. 2360–2365 (1995).
  9. G.A. Vawter, C.I.H. Ashby: Reactive-ion-beam etching of InP in a chlorine–hydrogen mixture, The 38th International Symposium on Electron, Ion, and Photon Beams, New Orleans, LA, pp. 3374–3377 (1994)
  10. C. Youtsey, R. Grundbacher, R. Panepucci, I. Adesida, C. Caneau: Characterization of chemically assisted ion beam etching of InP. The 38th International Symposium on Electron, Ion, and Photon Beams, New Orleans, LA, pp. 3317–3321 (1994)
  11. K.K. Ko, S.W. Pang: High aspect ratio deep via holes in InP etched using Cl2/Ar plasma, J. Electrochem. Soc. 142, 3945–3949 (1995)
  12. U. Niggebrugge: Recent advances in dry etching processes for InP-based materials. Proceedings of the Third International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, Cardiff, UK, pp 246–251 (1991)


Все статьи автора «Александр Запевалин»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: