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 700-1300оС. 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.