ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ СКВОЗНЫХ ОТВЕРСТИЙ В GaAs СВЧ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ В РЕАКТОРЕ С ICP-ИСТОЧНИКОМ

В современном производстве СВЧ микросхем существует тенденция увеличения степени интеграции элементов на подложке

Наиболее сложным процессом по созданию металлизированных отверстий будет являться плазмохимическое травление GaAs с определенным диаметром сквозных отверстий

Данное исследование состояло из двух этапов работы: моделирование плазмохимического травления в программном комплексе «Comsol Multiphysics» в реакторе с ICP-источником и проведение экспериментов.

Моделирование плазмохимического травления является комплексной задачей (см. рисунок 1), включающая моделирование в масштабе реактора и моделирование в масштабе структуры

Рисунок 1 - Моделирование плазмохимического травления:

а) схема модели; b) порядок проведения расчета

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.31.1

На скорость травления GaAs влияют следующие параметры установки: мощность, подаваемая на ICP-источник (PICP); мощность RF смещения (PRF); давление рабочего газа (p); состав газовой смеси

[7]

. Кроме того, на скорость травления будет влиять количество обработанных подложек (эффект загрузки), чем меньше диаметр подложки, тем выше скорость травления

[8]

.

Травление GaAs в основном проводится в хлор-фтористой плазме. Для изготовления сквозных отверстий могут быть использованы следующие газовых комбинаций CCl2F2, CCl2F2/CCl4, SiCl4/Cl2, BCl3/Cl2/Ar, Cl2/Ar и Cl2/BCl3.

Каждая газовая смесь имеет свои преимущества и недостатки. CCl2F2 привлекателен своей превосходной селективностью по отношению к металлу на лицевой стороне (Ti/Pt/Au, Cr) и отсутствием коррозии и токсичности, но скорость травления слишком низкая, и на протравленной поверхности, а также на стенках камеры происходит интенсивное образование полимеров, что приводит к плохой воспроизводимости процесса.

Для травления GaAs с использованием технологии ICP использовалась газовая смесь Cl2/BCl3 для изготовления сквозных отверстий. Данная газовая смесь обладает рядом преимуществом, а именно, высокая скорость травления, высокая анизотропия и гладкая морфология поверхности GaAs 

На равномерность распределения скорости травления по площади пластины влияют два основных параметра: давление газовой смеси и мощность ICP источника. Для подбора оптимальных параметров плазмохимического травления с точки зрения обеспечения максимальной скорости при сохранении равномерности процесса травления было проведено комплексное моделирование с диапазоном изменения давления p = 5 – 50 мТорр и диапазоном изменения мощности на ICP источнике PICP = 100 – 1000 Вт (см. рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость максимальной плотности ионов в плазме от давления газовой смеси при различной мощности ICP источника

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.31.2

Двумерная тепловая карта распределения максимальной плотности ионов в плазме представлена на рис. 3. Карта распределения разброса концентрации ионов от центра к краю пластины от давления и мощности ICP источника представлена на рис. 4.

Рисунок 3 - Двумерная тепловая карта распределения максимальной плотности ионов в плазме от мощности и давления газовой смеси

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.31.3

Рисунок 4 - Двумерная тепловая карта распределения разброса концентрации ионов от центра к краю пластины от давления и мощности ICP источника

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.31.4

Из полученных данных видно, что с увеличением мощности и давления газовой смеси увеличивается максимальная концентрация ионов в плазме. Распределение разброса концентрации ионов в плазме прямо пропорционально связано с распределением скорости травления по подложке, поэтому из рис. 4 максимальная мощность, которая может быть подана на ICP источник составляет около PICP = 600 Вт для обеспечения разброса скорости травления по подложке менее 5%. Давление газа при этом следует выбирать максимальным для сохранения высокой скорости травления, поэтому p = 50 мТорр.

Таким образом, из моделирования плазмохимического травления в масштабе реактора были найдены следующие оптимальные параметры процесса: PICP = 600 Вт; p = 50 мТорр.

В рамках экспериментальной части были взяты оптимальные параметры, полученные при моделировании процесса PICP = 600 Вт; p = 50 мТорр с частотой RF-смещения 13,56 МГц для определения рабочей мощности смещения на подложку. На рис. 5 представлены результирующие профили травления в слое GaAs при различной мощности RF-смещения.

Рисунок 5 - Результирующие профили травления в слое GaAs при различной мощности RF-смещения:

а) PRF = 30 Вт; b) PRF = 45 Вт; c) PRF = 60 Вт

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.31.5

В таблице 1 представлены значения параметров полученных профилей от мощности RF-смещения.

Из таблицы 1 видно, что с ростом подаваемой RF-мощности увеличивается угол наклона боковых стенок и скорость травления GaAs. При этом селективность травления GaAs к слою маски уменьшается. Исходя из технических требований к углу наклона боковых стенок в α = 60º, наиболее подходящим является режим №1. Таким образом, оптимальная мощность RF-смещения равна PRF = 30 Вт.

На рис. 6 представлен профиль травления отверстий в подложке GaAs при оптимальных параметрах.

Рисунок 6 - Профиль травления отверстий в подложке GaAs при оптимальных параметрах процесса травления

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.31.7

Из рис. 6 видно, что размер отверстия в верхней плоскости составляет dmax = 60,25 мкм, в нижней плоскости – dmin = 27,30 мкм, а угол наклона боковых стенок равен α = 58º. Таким образом, полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.

В ходе работы был разработан технологический процесс плазмохимического травления сквозных отверстий с углом наклона α = 60º с нижним диаметром dmin = 30 мкм и верхним диаметром dmax = 60 мкм на глубину травления GaAs h = 120 мкм c использованием ICP-источника.

Из результатов моделирования плазмохимического травления в масштабе реактора было получено, что с увеличением мощности и давления газовой смеси увеличивается максимальная концентрация ионов в плазме. Распределение разброса концентрации ионов в плазме прямо пропорционально связано с распределением скорости травления подложки. Максимальная мощность, которая может быть подана на ICP источник, для обеспечения разброса скорости травления по подложке менее 5 % составляла около PICP = 600 Вт. Давление газа при этом было выбрано максимальным p = 50 мТорр для сохранения высокой скорости травления.

На основе рассчитанных оптимальных параметров процесса плазмохимического травления было выполнено экспериментальное получение сквозных отверстий в GaAs. В результате размер отверстия в верхней плоскости составил dmax = 60,25 мкм, в нижней плоскости – dmin = 27,30 мкм, а угол наклона боковых стенок α = 58º. Таким образом, полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.