Термохимическое (газовое) травление

В основе термохимического процесса обработки пластин ИС лежит образование летучих продуктов кремния после реакции с газообразными веществами: галогенами, галогеноводородами, парами воды, соединениями серы. Эти вещества добавляют в небольших количествах к потоку газообразного водорода и вводят в кварцевый реактор. Обработка проводится при температурах от 700-1300^оС. Процесс термохимического травления обычно трактуется как обратный эпитаксиальному наращиванию и описывается теми же реакциями и законами, что и эпитаксия. Однако при эпитаксиальном наращивании обычно пренебрегают стадией удаления в газовый поток продуктов реакции от поверхности кремния. При термохимическом же травлении эта стадия является определяющей.

Особенность метода термохимической обработки заключается в том, что, подбирая режимы травления, можно придать процессу ориентированный (анизотропный) характер. Например, для 5% смеси HCl+H₂ при 1200°С скорость травления кремния по плоскостям (111) составляет 1,48, по плоскостям (110) – 3,0, а по плоскостям (100) – 3,4 мкм/мин. Особенно резко выражена эта зависимость при травлении кремния галогенами, в частности хлором. При температурах около 700°С газообразный хлор является прекрасным селективным травителем, выявляющим дислокации, дефекты упаковки и другие нарушения на поверхности кремниевых пластин ИС.

Термохимическое травление может применяться для формирования локальных углублений в пластине. При этом в качестве маскирующего покрытия служит слой оксида, в котором с помощью литографии создаются окна требуемой конфигурации. При этом наилучшие результаты травления достигаются при использовании в качестве травителя SF₆. В этом случае обеспечивается получение углублений с плоским дном.

В табл. 4.1 приведены сравнительные характеристики газовых травителей, которые могут быть полезными для решения конкретных задач технологий изготовления ИС.

Для корректировки режимов служат кривые зависимости скорости травления от концентрации травителя и температуры процесса. Термохимическое травление оценивается помимо скорости процесса непосредственно по качеству получаемой поверхности и косвенно – по параметрам выращенного эпитаксиального слоя. В эпитаксиальных слоях, выращенных на подложках, обработанных термохимическим травлением, наблюдается низкая плотность дефектов упаковки. Для всех газовых травителей она не превышает 10-50 см², а при травлении в SF₆ может быть сведена к нулю. Для сравнения: при механической полировке подложек плотность дефектов упаковки составляет не менее 1000 см². О качестве получаемых слоев после эпитаксии и термохимической обработки судят по тому, какой процент p-n переходов, созданных на границе подложка – эпитаксиальный слой, обладает высоким пробивным напряжением. Например, после обработки подложек в HCl при нагрузке в 100В имеем 54% годных переходов, в парах воды – 75%, а в смеси HCl с водой – 82%. Эти результаты позволяют судить об эффективности методов термохимического травления.

Таблица 4.1

Свойства методов газового травления

Реагент	Хим. реакция	Темп., °С	Достоинства метода	Недостатки метода
HCl		1150 - 1300	1) Освоенность метода 2) Высокая совместимость с эпитаксией	Перенос примесей с частей реактора к подложке
HBr		~1260	1) Малая зависимость скорости от температуры 2) Высокое качество полировки	Недостаточная освоенность процесса
SF6		1050 - 1250	Сравнительно низкие температуры обработки	ТОКСИЧНОСТЬ
Cl2 в атм. Не		700 - 1000	― ″ ―	ТОКСИЧНОСТЬ
HCl+H2O		>1230	Устранение включений нитрита кремния	1) Малая скорость травления 2) Осаждение SiO2 на подложку

В технологии полупроводниковых ИС характер требований к чистоте поверхности подложек зависит от того, будет или не будет осаждаться эпитаксиальный слой для формирования элементов схемы. В первом случае перед эпитаксией имеется возможность провести термохимическое травление, а степень совершенства эпитаксиального слоя может служить достаточно надежным критерием качества подложки и, следовательно, технологии ее обработки. Во втором случае, когда эпитаксиальный слой не осаждается, то помимо физической чистоты подложки и отсутствия нарушенного слоя критерием качества поверхности может служить толщина оксидного слоя, который оказывает отрицательное влияние на качество подзатворного оксида в МДП-структурах.

Термохимическое травление замечательно тем, что обеспечивает максимально достижимую чистоту поверхности и совместимо с термохимическими операциями: эпитаксией, окислением, диффузией. Высокая чистота обработки достигается за счет того, что кремний и практически любые загрязнения на поверхности переводятся в газовую фазу и легко удаляются, а вероятность дополнительного загрязнения при использовании чистых газов сведена к минимуму. При этом недостатками термохимического травления являются – необходимость использования высоких температур обработки и сложного оборудования, а также необходимость применять для процесса особо чистые газы.