книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

лепий с плоским дном, вертикальными стенками и мини­ мальным боковым подтравливанием.

Таковы основные реакции, протекающие при газовом травлении кремния. В выборе того или иного способа для решения конкретных задач планарной технологии может помочь табл. 2-1, в которой суммированы при­ мерные режимы, а также достоинства и недостатки рас­

смотренных способов. Для корректировки режимов при­ годны графики рис. 2-15, 2-16, на которых показаны зависимости скорости травления от концентрации травителя и температуры процесса.

В настоящее время наиболее широко используется травление хлористым водородом, иногда с добавлением паров воды. Эти способы хотя и обладают серьезными недостатками (см. табл. 2-1), но хорошо изучены и удоб­ но сочетаются с эпитаксиальным наращиванием. Поэто­ му рассмотрим методику проведения процесса примени­

•61

новйтся тепловое равновесие при заданной температуре. Затем включают поток водорода, устанавливают расход от 6 до 100 л/мин и выключают азот. Вносят в реактор лодочку с пластинами кремния и выдерживают 5- — 10 мин для того, чтобы установилось тепловое равнове­ сие, после чего включают поток паров травителя в за­ данном соотношении с водородом. По истечении требуе­ мого времени травления выключают поток паров трави­ теля и некоторое время (2—3 мин) пропускают водород. Наконец, подают азот, через 2—3 мин выключают водо­

род и охлаждают лодочку в потоке азота.

ложке с включениями ни­ трида вырастить эпитаксиальную пленку, то у созданных в этой пленке переходов наблюдается снижение пробив­ ного напряжения [Л. 2-52]. Предельная концентрация кислорода, выше которой начинается окисление кремния, составляет 0,1—0,2%.

Газовое травление оценивается, помимо скорости процесса, непосредственно—по качеству получаемой по­ верхности и косвенно — по параметрам эпитаксиальных слоев, выращенных на травленой подложке. На рис. 2-17 приведены для оценки качества поверхности профили пластин, полученные [Л. 2-44] химико-динамической по­ лировкой и газовым травлением в бромистом водороде.

В эпитаксиальных слоях, выращенных на подложках, обработанных газовым травлением, наблюдается низкая плотность дефектов упаковки. Для всех газовых травителей она не превышает 10—50 см~2, а при травлении в SF6 может быть сведена к нулю. В то же время при механической полировке подложек плотность дефектов

62

упаковки достигает 103 см~г. О качестве эпнтаксиальных слоев судят обычно по тому, какой процент переходов, созданных в слое, обладает высоким пробивным напря­ жением. Например, в работе [Л. 2-47] с помощью этого критерия сравниваются обработки подложек в хлористом водороде (54% диодов с пробивным напряжением более 100 в), парах воды (75%) и смеси хлористого водорода с водой (82%). Дополнительные сведения о методах га­ зового травления можно найти в обзоре [Л. 2-53].

Рассмотренный метод газового травления позволяет получать поверхность более чистую, нежели при хими­ ческом травлении. Однако области использования газо­ вого травления ограничены: во-первых, необходимостью того, чтобы обрабатываемое вещество образовывало ле­ тучие продукты реакции, и, во-вторых, высокой темпе­ ратурой обработки.

Ионное травление отличается от газового своей уни­ версальностью, оно может быть применено для обра­ ботки практически любых материалов, причем темпера­ тура обработки невелика: 100—200°С. Ионное травле­ ние применимо для обработки многослойных структур с «несовместимыми» с точки зрения химической или га­ зовой обработки свойствами слоев. Уникальным свойст­ вом ионного травления является отсутствие бокового

ются продолжением его достоинств: из-за своей универ­

стравливая слой окисла, приходится опасаться, что вме­ сте с ним может быть удален и поверхностный слой кремния.

Обработка поверхности при ионном травлении проис­ ходит за счет бомбардировки положительными ионами, энергия которых должна превышать энергию связи ато­ мов обрабатываемого вещества. Для двуокиси кремния, например, последняя равна 20 эв\ энергия ионов намно­ го превышает эту величину. В результате скорости ион­ ного травления самых различных веществ мало отлича­ ются: так, скорости травления алюминия и вольфрама различаются всего в 2 раза.

Для бомбардировки используются ионы инертных га­ зов, доставляемые посредством дрейфа в электрическом доле (часто для регулирования процесса обработки до-

•63

бавляется и магнитное) из области тлеющего разряда. Тлеющий разряд зажигается между анодом и катодом, которым является обрабатываемое вещество, при давле­ нии инертного газа 1—50-Ю- 3 мм рт. ст. Наличие спе­ циального анода необязательно, его роль могут играть заземленные части установки. Ионы поступают из об­ ласти тлеющего разряда перпендикулярно поверхности катода, в результате чего и отсутствует боковое подтрав-

Эти принципиальные недостатки устраняет метод ВЧ ионного травления [Л. 2-55]. Используя переменное ускоряющее напряжение с частотой 10—20 Мгц, можно травить любые материалы—от фоторезиста до воль­ фрама. При этом появляется возможность использова­ ния для селективной обработки метода фотолитографии, поскольку в определенных режимах фоторезист травится примерно с той же скоростью, что и металл. Применяя для защиты толстые слои фоторезиста, можно локально

на скорость травления оказывает присутствие в системе

64

ки нарушается. Природа такого явления, очевидно, сле­ дующая [Л. 2-54]. Органические вещества удаляются бы­ стрее из-за того, что в силу высокой активности кисло­ рода и водорода к ионному травлению добавляется хи­ мический процесс. Замедление травления неорганических материалов (окисел кремния) связано с тем, что даже при малых добавках активных газов большую часть ионного тока составляют ноны кислорода и водорода, так как они легко образуются и обладают высокой под­ вижностью. В результате выход процесса травления па­ дает, поскольку масса этих ионов меньше, чем у ионов инертного газа.

Подытожим факторы, влияющие на скорость ионного травления: подводимая мощность, частота, давление газа, наличие примесей в газах, температура образцов, тип обрабатываемого материала. Этим оби­

Для улучшения контакты пластин с катодом и теплоотвода рекомендуется крепить пластины высоковакуумным цементом.

Линейная зависимость скорости травления от подво­ димой мощности позволяет точно регулировать количест-

сти ионные и нейтральные примеси, образующие моно­ слои и влияющие в первую очередь на параметры и на­ дежность приборов.

В деионизованной воде, например, содержатся четы­ ре основных типа загрязнений: взвешенные частицы — пылинки, песок; частицы смолы; микроорганизмы, имею­ щие размеры от 1 до 20 мкм и непрерывно размножаю­ щиеся; соли (ионы) различных веществ.

Представления о процессах адсорбции носят полу­ эмпирический характер [Л. 2-56]. Общие положения мо­ гут быть сформулированы следующим образом.

1. На поверхности полупроводника, как и на любой

ионными связями. Первый процесс протекает быстро и обратимо с образованием нескольких монослоев. Пра втором создается только один монослой, и процесс, как правило, необратим.

2. Характерным результатом адсорбции на полупро­ водниках является изменение электрических свойств по­ верхности. Различаются деплетивная и кумулятивная адсорбции, приводящие соответственно к обеднению или обогащению приповерхностного слоя носителями заряда. При деплетивной адсорбции степень покрытия поверх­

Процессы адсорбции обычно характеризуются эмпи­ рическими зависимостями [Л. 2-56] от времени процесса, давления (в случае газов), концентраций адсорбирован­ ного вещества, температуры.

Экспериментальные данные по адсорбции различных веществ на кремнии представлены в табл. 2-2. Адсорб­ ция газов в планарной технологии играет небольшую роль, так как переходы защищены пленкой окисла. Исключение представляет адсорбция кислорода, опреде­ ляющая рост пленки окисла. Загрязнение поверхности в основном происходит за счет адсорбции примесей из воды, органических растворителей, травителей или нетравящих растворов, применяемых при отмывках. Ко­ личество адсорбированной смеси находится в прямой зависимости от концентрации этой примеси в растворе

*

(рис. 2-21). Наиболее исследована [Л. 2-56—2-58] адсорб­ ция катионов, в первую очередь металлов, влияющих, на

меньше [Л. 2-56]. Из иетравящих растворов и воды ион­ ные примеси адсорбируются так же, как из травителей, но во втором случае надо учитывать удаление поверхно­ стных слоев с уже адсорбированной примесью.

Характер адсорбции сильно зависит от состояния по­ верхности, в частности от ее обработки и наличия дефек­ тов, на которых адсорбция будет идти энергичнее. От типа проводимости и удельного сопротивления кремния адсорбция зависит мало (Л. 2-56]. Большое влияние ока­ зывает механизм закрепления примеси, которая может оставаться ионом или, получив электроны, переходить в элементарное состояние. При ионном выделении при­ меси образуется только монослой, при элементарном— количество адсорбированного вещества намного больше, могут создаваться толстые видимые на глаз пленки. Это

•69

объясняется тем, что за счет разрядки ионов растворя­ ются поверхностные слои кремния. В элементарном состоянии на кремнии адсорбируются металлы (золото, медь), причем адсорбция из травителей пропорциональ­ на электрохимическому потенциалу адсорбируемого ве­ щества: чем благороднее металл, тем легче он осаждает­ ся. На двуокиси кремния примеси адсорбируются только

вионном состоянии.

Впланарной технологии особенно вредна адсорбция на поверхности кремниевых пластин ионов натрия и фтора, так как они ухудшают качество окислов при по­ следующем окислении кремния. С ионами натрия связы­ вают нестабильность электрических свойств окислов. Активные ноны фтора могут при окислении заменять ки­ слород в силанольных группах, в результате чего возни­ кают, очевидно, локальные дефекты окнспон пленки.

адсорбируемые из жидких сред примеси, влияющие на рекомбинацию неосновных носителей в кремнии; при ко­ личествах адсорбированной на поверхности меди, боль­

Рассмотрев картину образования загрязнений на по­ верхности пластин, перейдем к способам очистки поверх­ ности. Способы удаления загрязнений можно подразде­ лить на физические и химические. К физическим отно­ сятся механическое удаление и ультразвуковая обработ­ ка, химические способы основаны на явлении десорбции примеси с помощью обработки пластин в растворах, га­ зовых средах или плазме. Здесь не рассмотрен один из наиболее эффективных способов очистки путем газового травления, так как он связан с удалением поверхностно­ го слоя кремния.

Механическое удаление остается до сегодняшнего дня спорной операцией. С одной стороны, протирка безворсной тканью, например батистом, или очистка пластин кистями эффективно удаляют макрозагрязнения и пото­ му довольно широко применяются. С другой стороны, механическая очистка нежелательна, так как она трудно поддается автоматизации, при невнимательном отноше­ нии кисти или ткань, загрязняясь, не удаляют, а при­ вносят примеси на поверхность. Износ средств механи-

70