способ плазмохимического травления полупроводниковых и диэлектрических материалов

Формула изобретения

1. Способ плазмохимического травления полупроводникового и диэлектрического материала путем воздействия на его поверхность потока ионов из плазмы, образованной из рабочего газа, заполняющего вакуумированную камеру, при создании плазмы ионизацией рабочего газа электронным пучком киловольтного диапазона энергий, отличающийся тем, что в камере создают продольное постоянное магнитное поле с индукцией на оси 20-40 Гс, поддерживают давление рабочего газа 0,01-0,1 Па и используют электронный пучок с плотностью тока 0,1-1 А/см², обеспечивающей зажигание пучково-плазменного разряда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение энергии и плотности потока ионов из плазмы производят либо путем модуляции электронного пучка по скорости, либо изменением потенциала коллектора разряда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии производства приборов полупроводниковой электроники, в частности к способам травления структур на поверхности полупроводниковых и диэлектрических материалов.

В настоящее время при производстве широкого спектра полупроводниковых приборов, от лазеров до микросхем СВЧ диапазона на основе кремния и полупроводниковых соединений AIII/BV, широко используются различные плазмохимические процессы как для травления и очистки поверхности полупроводников, диэлектриков и металлов, так и их осаждения на поверхность полупроводниковых структур. Обработка материалов с помощью неравновесной (T _e>>/T_ion,gas) плазмы часто обеспечивает большую управляемость процессом и одновременно уменьшенное воздействие окружающей среды по сравнению с другими методами обработки материалов, и поэтому представляет огромные возможности для развития технологий тонких пленок и модификации поверхности. Для этих целей в основном используются ВЧ и СВЧ разряды двух конфигураций: разряд Е-типа (емкостный) между двумя плоскими электродами и разряд Н-типа (индукционный), генерируемый внутри контурной катушки ВЧ генератора. Технологии, основанные на травлении в разрядах такого типа называются соответственно RIE (реактивное ионное травление) и ICP (индуктивно-связанная плазма) [1].

Основные недостатки плазмохимических реакторов на основе ВЧ разрядов - трудность управления параметрами плазмы, необходимость поддержания в рабочем объеме достаточно высокого давления рабочего газа для обеспечения требуемой скорости травления, как следствие - слабая анизотропия потока ионов на обрабатываемую поверхность.

В качестве альтернативного или дополнительного способа ионизации газа в плазмохимическом реакторе предложена ионизация электронным потоком киловольтного диапазона энергий. Преимущества этого источника плазмы: эффективная ионизация (меньшая доля вкладываемой энергии тратится на нагрев и оптическое возбуждение газа); независимое управление потоками ионов и радикалов; возможность управления пространственным распределением потока ионов.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ плазмохимического травления полупроводниковых материалов, в частности кремния, примененный в работе [2]. В этой работе плазма создается в среде фторсодержащего газа (SF₆) при его давлении 50 мТорр ударной ионизацией молекул электронным пучком с энергией электронов 2 кэВ и малой плотности тока (до 10 мА/см ²). Поверхность, подлежащая обработке, помещается в камере параллельно направлению движения пучка в непосредственной близости от объема, занятого пучком.

Недостатком данного способа является то, что при использовании для ионизации электронных пучков малой плотности, осуществляющих ионизацию электронным ударом, результирующая плазма имеет низкую электронную температуру. В результате и выходящий из нее ионный поток имеет малые энергии и плотность, недостаточные для эффективного травления полупроводниковых материалов, и для увеличения эффективности приходится вместе с электронно-пучковым источником плазмы применять источник ВЧ напряжения для обеспечения ускоряющего ионы потенциала на поверхности полупроводника. Также приходится использовать достаточно высокое давление рабочего газа (в [2] - 6,5 Па), при котором из-за малой длины свободного пробега иона в газе ионный поток обладает слабой направленностью, что затрудняет травление требуемых структур на поверхности полупроводникового материала. Увеличение направленности и эффективности травления возможно лишь при увеличении ВЧ напряжения на подложке, что приводит к существенному росту радиационных дефектов из-за увеличения энергии ионов, бомбардирующих поверхность полупроводника.

Техническая задача, решаемая в изобретении, - обеспечение эффективности (требуемой скорости) травления и высокого качества травления структур на поверхности полупроводниковых материалов: высокой степени анизотропии травления, исключающей подтравливание под маску, и минимизации вносимых при травлении радиационных дефектов структуры материала.

Решение указанной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что плазмохимическое травление полупроводникового или диэлектрического материала осуществляют путем воздействия на его поверхность потока ионов из плазмы, образованной из рабочего газа, заполняющего вакуумированную камеру, при этом для генерации плазмы воздействуют на рабочий газ электронным пучком киловольтного диапазона энергий. В камере создают продольное постоянное магнитное поле с индукцией на оси 20-40 Гс, поддерживают давление рабочего газа в камере 0,01-0,1 Па и используют электронный пучок с плотностью тока 0,1-1 А/см², обеспечивающей зажигание пучково-плазменного разряда и генерацию в нем потока ионов с плотностью и энергией, обеспечивающими эффективное травление. Для увеличения скорости травления можно производить изменение энергии и плотности потока ионов из плазмы либо путем модуляции электронного пучка по скорости, либо изменением потенциала коллектора разряда.

ППР генерируется при энергиях электронного пучка 1-5 кэВ. При энергиях пучка, меньших 1 кэВ, ППР характеризуется сильной нестабильностью (высокой чувствительностью к изменению параметров пучка и газа); требуемые для эффективного травления параметры ионного потока можно получить только при чрезмерно больших давлениях рабочего газа. При энергии пучка выше 5 кэВ из области разряда идет жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, приводящее к радиационным дефектам структуры полупроводника.

Диапазон величин магнитного поля обусловлен требованием, чтобы электроны плазмы были замагничены (их ларморовский радиус мал по сравнению с поперечными размерами камеры, и ток электронов в основном идет на коллектор), а ионы плазмы - не замагничены (ларморовский радиус велик по сравнению с поперечными размерами камеры).

Пороговая плотность тока пучка для зажигания разряда определяется условием

J=const·U^3/2 ·f(p)/HL,

где U - энергия электронов, Н - магнитное поле, L - длина камеры, a f(p) - функция от давления, имеющая минимум при 0,01-0,03 Па (в указанном диапазоне параметров пучка) (см., например, [3]).

В соответствии с этой закономерностью именно диапазон плотностей пучка 0,1-1 А/см² обеспечивает зажигание и поддержание ППР при одновременном соблюдении указанных выше условий.

Схема установки, реализующей предлагаемый способ, показана на чертеже, где 1 - электронный инжектор, 2 - фокусирующие катушки, 3 - вакуумная камера, 4 - магнитные катушки, 5 - подложка со структурой, подвергаемой травлению, 6 - держатель подложки, 7 - датчик тока ионов, 8 - коллектор разряда, 9 - СВЧ модулятор пучка, 10 - плазма ППР, 11 - электронный пучок, 12 - источник напряжения на коллекторе разряда.

Плазма 10 формируется в вакуумной камере 3 - цилиндре диаметром 2R ₀=0,5 м и такой же длиной. Продольное магнитное поле с индукцией до 0,5 мТл в камере создается катушками 4. Источником осевого электронного пучка 11 служит диодная пушка Пирса с плоским гексабаридным катодом, помещенная в отдельную камеру, которая соединяется с основной камерой трубкой перепада давления. Параметры электронного пучка на входе в плазменную камеру: ускоряющее напряжение U_b=2 кВ, ток I_b - 300-500 мА, характерный диаметр 1÷1,5 см. Источник питания пушки обеспечивает ее работу в импульсном режиме с длительностью импульса _b=10-200 мс.

У противоположной стенки плазменной камеры помещен коллектор разряда 8 - молибденовый диск диаметром 8 см.

Держатель подложки 6 монтируется на расстоянии 10-12 см от оси камеры так, чтобы плоскость материала, подвергаемого травлению, была параллельна оси камеры. После химической очистки камеры на держатель подложки устанавливается обрабатываемая структура 5 (пластина из полупроводникового материала с нанесенной маской резиста) и осуществляется откачка вакуумной камеры до давления 2 мПа. После напуска рабочего газа (аргона, фторсодержащего газа или их смеси в контролируемом соотношении) проводится дополнительная очистка камеры ионной бомбардировкой и травление образца в течение фиксированного времени.

На различных стадиях обработки, например при травлении гетероструктур, может требоваться различная плотность и энергия потока ионов. Изменение этих параметров осуществляется путем модуляции электронного пучка по скорости, либо изменением потенциала коллектора разряда. В первом случае происходит уменьшение энергии ионов без существенного изменения плотности потока. Во втором - энергия ионов увеличивается на величину, близкую к потенциалу коллектора, с одновременным увеличением плотности потока.

Проведена апробация технологии мягкого травления ионными потоками Ar+ со средней энергией 60-70 эВ псевдоморфных полупроводниковых гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs (P-HEMT) с двумерным электронным газом (2ДЭГ), выращенных на подложках GaAs и использующихся для изготовления полевых СВЧ транзисторов.

Исследования, проведенные на тестовых образцах р-НЕМТ структур с холловскими контактами, показали, что при данных условиях не происходит накопления радиационных дефектов, ухудшающих параметры двумерного электронного газа.

Опробован также вариант технологического процесса изготовления затворных канавок р-НЕМТ приборов через щель в диэлектрике. С помощью электронно-лучевой литографии были изготовлены узкие (0.1-0.5 мкм) щели в резисте (РММА950), через которые производилось селективное травление в плазме диэлектрического покрытия Si ₃N₄ толщиной 80 нм до слоя полупроводника GaAs, где процесс травления останавливался. После снятия резиста размеры протравленных канавок измерялись с помощью атомно-силового микроскопа. Глубина травления при обозначенном выше времени экспонирования составила 35 нм. Не выявлено признаков неоднородности травления по пластине диаметром 60 мм. Также показано наличие эффекта травления без существенной деградации параметров гетероструктур (подвижности электронов 2ДЭГ), что свидетельствует о малой плотности радиационных нарушений и возможности использования ППР в технологии изготовления гетероструктурных СВЧ НЕМТ приборов.

В предлагаемом способе за счет высокой плотности электронного пучка и развития высокочастотной неустойчивости плазма требуемой плотности образуется при давлении рабочего газа, на 2 порядка меньшем, чем в способе-прототипе, что обеспечивает высокую направленность ионного потока и соответственно качество травления структур под маской.

Генерируемый поток ионов обладает требуемыми для эффективного травления параметрами (средней энергией и плотностью потока ионов) без применения дополнительных источников ВЧ напряжения.

Источники информации

1. Г.Ф.Ивановский, В.И.Петров. Ионно-плазменная обработка материалов. М.: Радио и связь, 1986, стр.202-216.

2. K.D.Shatz and D.N.Ruzic. An electron-beam plasma source and geometry for plasma processing. Plasma Sources Science and Technology, 1993, v.2 p.100-105.

3. Искусственные пучки частиц в космической плазме. Сб. под ред. Б.Гранналя. Пер. с англ. М.: Мир, 1985, стр.279-319.