RU2734845C1 - СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InP - Google Patents

СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InP Download PDF

Info

Publication number
RU2734845C1
RU2734845C1 RU2019144329A RU2019144329A RU2734845C1 RU 2734845 C1 RU2734845 C1 RU 2734845C1 RU 2019144329 A RU2019144329 A RU 2019144329A RU 2019144329 A RU2019144329 A RU 2019144329A RU 2734845 C1 RU2734845 C1 RU 2734845C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
etching
inp
substrate
vacuum chamber
Prior art date
Application number
RU2019144329A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Васильевич Аврамчук
Асия Радифовна Давлятшина
Николай Иванович Каргин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ)
Priority to RU2019144329A priority Critical patent/RU2734845C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2734845C1 publication Critical patent/RU2734845C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065Plasma etching; Reactive-ion etching

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии обработки материалов и может быть использовано при производстве компонентов твердотельной электроники, СВЧ электроники, оптоэлектроники и радиофотоники. Способ плазмохимического травления гетероструктур на основе InP включает размещение на подложкодержателе в вакуумной камере гетероструктуры InAlAs/InGaAs, нанесенной на подложку InP со сформированной на ней диэлектрической маской, подачу плазмообразующей смеси в вакуумную камеру при остаточном давлении 5-30 мТорр, поджиг плазмы, путем подачи мощности 400-800 Вт от ВЧ-генератора на источник индуктивно-связанной плазмы и отрицательного смещения на подложку от ВЧ-генератора с мощностью 100-250 Вт, и травление гетероструктур, при этом процесс травления состоит из двух этапов, причем на первом этапе производится поджиг плазмы, с длительностью импульса 20-25 сек, а на втором этапе производится удаление продуктов реакции радикалов газовой смеси с материалом подложки из вакуумной камеры, а также термостабилизация образцов длительностью 30-35 сек, при этом оба этапа повторяются с заданным количеством циклов. Способ плазмохимического травления гетероструктур на основе InP согласно изобретению направлен на уменьшение времени изготовления структуры более чем в два раза и на уменьшение глубины нарушенного слоя структуры до 5 нм, что позволяет увеличить коэффициент пропускания в 1,5 раза, значительно снижая потери оптического излучения в электрооптическом модуляторе. 3 ил.

Description

Изобретение относится к технологии обработки материалов, и может быть использовано при производстве компонентов твердотельной электроники, СВЧ электроники, оптоэлектроники и радиофотоники.
Процесс травления гетероструктур на основе InP используется на этапе формирования гребней волноводов для модуляторов и других структур активных и пассивных элементов оптоэлектроники и радиофотоники.
Известны способы травления гетероструктур на основе InP в плазме Cl2 с образованием соединений InClx и PClx, при этом применялись реакторы, использующие ВЧ источники реактивно-ионного травления. Недостатком таких процессов является образование стенок структуры с большой шероховатостью, вследствие малой летучести компонентов InClx. Для устранения этого недостатка требовалось усложнение оборудования за счет необходимости нагрева подложки до температур свыше 200°С. В дальнейшем применялись реакторы с ВЧ источниками индуктивно-связанной плазмы и электронно-циклотронного резонанса. Наибольшее распространение получили процессы в реакторах с ВЧ источниками индуктивно-связанной плазмы. Использование СН42 плазмы для травления InP приведено в работе Niggergrugge и др. [1], где была показана возможность формирования профиля стенки микроструктуры с низкой шероховатостью. Однако недостатком такого процесса было образование С-Н полимеров, которые ингибировали травление InP. Также указанный способ характеризуется низкой скоростью травления (0.3-0.5 мкм/мин) и имеет высокий уровень загрязнений боковой стенки формируемой структуры.
Известен способ травления гетероструктур на основе InP, описанный в работе [2]. Данный способ состоит в том, что травление образцов, через диэлектрическую маску, помещенных в вакуумную камеру плазмохимического реактора, производится методом реактивно-ионного
травления, путем подачи ВЧ-смещения на подложку, с использованием плазмообразующей смеси СН4 и Н2 и добавлением Cl2.
Недостатком данного процесса является образование полимерных слоев, что приводит к загрязнению поверхности, вследствие чего снижается скорость травления, и усложняется процесс изготовления структур за счет введения дополнительных операций очистки от полимерных загрязнений, также происходит внедрение атомов водорода в подложку, что приводит к образованию дефектов.
Второй способ, описанный в работе [2], заключается в подаче Cl2/N2/Ar в качестве плазмообразующей смеси в реактор, поджиг плазмы ВЧ индукционным разрядом и подачей ВЧ смещения на подложку, и локальное травление образцов через маску, располагающихся на подложкодержателе в камере.
В данном способе частично исключается недостатки первого способа, связанные с образованием полимеризующих слоев в процессе травления. Но возникает существенный недостаток, а именно недостаточное высокое качество поверхности (высокая шероховатость, подтрав под маску). В ходе травления образуются нелетучие компоненты InClx и PClx, поверхность может быть обогащена индием (In), либо фосфором (Р) и образовывать шероховатую поверхность.
Наиболее близким способом травления гетероструктур на основе InP к заявляемому изобретению является способ, описанный в работе [3]. Он состоит в травлении образцов помещенных в вакуумную камеру на подложкодержателе через маску нитрида кремния, в плазме, образованной при подаче ВЧ индуктивного разряда и ВЧ смещения на подложку в газовой смеси Cl2, N2, Ar при температурах не выше 30°С. Процесс протекает при достаточно высоком давлении (30 мТорр), не характерном для подобных процессов плазмохимического травления.
Недостатком данного способа является нарушение структуры в процессе, с образованием нарушенного слоя порядка 30 нм, что приводит к
ухудшению оптических свойств конечного устройства, а также низкая скорость травления, не превышающая 0,5 мкм/мин, что значительно увеличивает время изготовления структуры. Объясняется это тем, что процесс проводится при высоких плотностях потока ионов плазмообразующего газа и высоких давлениях, вследствие чего уменьшается длина свободного пробега ионов, которая приводит к уменьшению анизотропии процесса травления, и повышенному образованию дефектов структуры.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на уменьшение времени изготовления структуры более чем в два раза, и на уменьшение глубины нарушенного слоя структуры до 5 нм, что позволяет увеличить коэффициент пропускания в 1,5 раза, значительно снижая потери оптического излучения в электрооптическом модуляторе.
Технический результат достигается тем, что плазмохимическое травление гетероструктур на основе InP, осуществляется размещением на подложкодержателе в вакуумной камере гетероструктуры InAlAs/InGaAs, нанесенной на подложку InP со сформированной на ней диэлектрической маской, подачу плазмообразующей смеси в вакуумную камеру при остаточном давлении 5-30 мТорр, поджиг плазмы, путем подачи мощности 400-800 Вт от ВЧ-генератора на источник индуктивно-связанной плазмы и отрицательного смещения на подложку от ВЧ-генератора с мощностью 100-250 Вт и травление гетероструктур, отличающийся тем, что процесс травления состоит из двух этапов, при чем на первом этапе производится поджиг плазмы, с длительностью импульса 20-25 сек, а на втором этапе производится удаление продуктов реакции радикалов газовой смеси с материалом подложки из вакуумной камеры, а также термостабилизация образцов длительностью 30-35 сек., при этом оба этапа повторяются с заданным количеством циклов.
Двухшаговый процесс травления, временные цикл которого состоят из этапов травления образцов гетероструктур на основе InP, через маску нитрида кремния в индуктивно-связанной плазме, образованной газами Cl2/N2 и этапов откачки камеры, при котором происходит модуляция газов. На шаге травления
газ подается в камеру при низких давлениях 5-30 мТорр в течение 20-25 сек, для уменьшения влияния радикалов газовой смеси на гетероструктуру, обеспечивая плотный поток ионов с большой энергией, формирующихся при подаче ВЧ разряда высокой мощности на индуктивный источник и ВЧ смещения на подложкодержатель. На этапе травления энергия ионов высока, и взаимодействие ионов с поверхностью материала позволяет достигать кратковременных температур на поверхности материала (~200°C), достаточных для удаления нелетучих продуктов InClx реакции химии Cl2 и материала подложки. Временной диапазон 20-25 сек. является оптимальным, при котором скорости летучести компонентов InCl и PCl остаются равными. При воздействии плазмы на гетероструктуру менее 20 сек., невозможно достичь температур достаточных для удаления нелетучих компонентов реакции, вследствие чего происходит переосаждение данных компонентов на подложку и образование маскирующего слоя. Увеличение времени травления свыше 25 сек приводит к нарушению скоростей десорбции летучих и нелетучих (при температурах ниже 100°С) компонентов, увеличивая шероховатость структуры. На втором этапе, длительностью 30-35 сек при отсутствии ВЧ мощности на подложкодержателе и индуктивном источнике плотной плазмы, происходит охлаждение образцов, а также удаление остаточных продуктов реакции химии хлора с материалом подложки. Уменьшение длительности ниже 30 сек. не позволяет достичь времен необходимых для эффективного охлаждения образцов. Выбор длительности этого шага выше 35 сек. не является целесообразным, т.к. увеличение времени откачки не приводит к дальнейшему охлаждению подложки, однако увеличивает время технологического процесса травления гетероструктур на основе InP. Количество циклов выбирается исходя из задач, которые ставятся при изготовлении прибора, и влияет только на глубину травления. За счет использования импульсного травления, достигается высокая стабильность и соблюдение температурных режимов процесса.
Ниже приведен пример конкретной реализации способа.
Проведено травление серии подложек InP в вакуумной установке плазмохимического травления с источниками плазмы типа ICP-RIE. Схема технологической установки для осуществления травления по заявленному способу представлена на фиг.1, где: 1 - вакуумная камера, 2 - индуктивный источник плазмы высокой плотности, 3 - ВЧ-генератор, связанный с источником плотной плазмы, 4 - подложкодержатель, 5 - подложка с гетероструктурой, 6 - электрод, 7 - ВЧ-генератор, связанный с электродом.
Подложку InP с нанесенной гетероструктурой InGaAs/InAlAs и сформированной маской из нитрида кремния толщиной 250 нм с топологией в виде ветвей волноводов модуляторов типа Маха-Цандера, на поверхности гетероструктуры, помещали в вакуумную камеру 1 на подложкодержателе 4. Давление в камере составляло 5 мТорр. На первом этапе в камеру подавали газы Cl2/N2/Ar с расходом 10 см3/мин и 20 см3/мин 20 см3/мин, соответственно. С помощью ВЧ-генератора 3, подавали мощность, величина которой составляла 800 Вт на ВЧ-источник индуктивно-связанной плазмы 2, и одновременно зажигали ВЧ-индуктивный разряд на частоте 13.56 МГц. На подложкодержатель, расположенный на электроде 6, подавали мощность, величина которой составляла 120 Вт, от ВЧ-генератора 7, мощностью 120 Вт. При этом напряжение смещения варьировалось в диапазоне 170-180 В. Длительность этапа травления составляла 25 сек. На втором этапе происходила откачка продуктов реакции из камеры и охлаждение образца, при отсутствии подаваемых мощностей с генераторов на ВЧ-источники, а газы не подавались в камеру. Длительность этапа составляла 35 сек. Количество циклов - 5.
Полученные в результате травления гетероструктуры изучены с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ). Глубина вертикального профиля экспериментальных гетероструктур составила 2.3 мкм. Морфология структуры определялась из анализа РЭМ изображений поверхности, фиг.2, который указывает на низкую шероховатость поверхности, достигаемую с помощью настоящего изобретения.
Протравленные поверхности имеют оценку среднеквадратичной шероховатости (англ. - root mean square (RMS)) от 0,8-1,3 нм.
Для подтверждения необходимости установления фиксированного диапазона длительности этапов травления и откачки, реализован и исследован образец, представленный на фиг.3. Этот образец получен при технологическом режиме процесса, описанном выше, с тем условием, что травление производилось циклически, с длительностью импульса 40 сек. Как видно из фиг.3, в области травления гетероструктуры, наблюдается образование конусообразных дефектов (англ. - grass), которые оцениваются со среднеквадратичной шероховатостью на уровне 5,5-10,2 нм.
Таким образом, применение способа импульсного травления, позволяет получить структуры с минимальной шероховатостью морфологии микроструктуры при сохранении высокой скорости травления. Это позволяет улучшить стабильность работы оптоэлектронных и радиофотонных приборов и обеспечить передачу оптического излучения с минимизацией уровня потерь.
Список используемых источников
1. Jae Su Yu, Yong Так Lee. Parametric reactive ion etching of InP using Cl2 and CH4 gases: effects of H2 and Ar addition. Semicond. Sci. Technol. 17, 230, 2002.
2. J.W. Lee, J. Hong, S.J. Pearton. Etching of InP at
Figure 00000001
1 μm/min in Cl2/Ar plasma chemistries. Appl. Phys. Lett. 68, (847), 1996.
3. С.В. Ишутин, B.C. Арыков, Ю.С.Жидик, П.Е. Троян. Плазмохимическое травление InP/InGaAs гетероструктуры в индуктивно связанной плазме Cl2/Ar/N2 для формирования оптических волноводных структур. Доклады ТУСУР, 21 (4), 2018.
4. Lee Chee-Wei, Chin Мее-Koy. Room-Temperature Inductively Coupled Plasma Etching of InP Using Cl2/N2 and Cl2/CH4/H2. Chinese Phys. Lett. 23, 903, 2006.

Claims (1)

  1. Способ плазмохимического травления гетероструктур на основе InP, включающий размещение на подложкодержателе в вакуумной камере гетероструктуры InAlAs/InGaAs, нанесенной на подложку InP со сформированной на ней диэлектрической маской, подачу плазмообразующей смеси в вакуумную камеру при остаточном давлении 5-30 мТорр, поджиг плазмы, путем подачи мощности 400-800 Вт от ВЧ-генератора на источник индуктивно-связанной плазмы и отрицательного смещения на подложку от ВЧ-генератора с мощностью 100-250 Вт, и травление гетероструктур, отличающийся тем, что процесс травления состоит из двух этапов, причем на первом этапе производится поджиг плазмы, с длительностью импульса 20-25 сек, а на втором этапе производится удаление продуктов реакции радикалов газовой смеси с материалом подложки из вакуумной камеры, а также термостабилизация образцов длительностью 30-35 сек, при этом оба этапа повторяются с заданным количеством циклов.
RU2019144329A 2019-12-27 2019-12-27 СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InP RU2734845C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144329A RU2734845C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InP

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144329A RU2734845C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InP

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2734845C1 true RU2734845C1 (ru) 2020-10-23

Family

ID=72949041

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019144329A RU2734845C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InP

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2734845C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805030C1 (ru) * 2023-05-24 2023-10-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" Способ градиентного ионно-плазменного травления через маску

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0492951A2 (en) * 1990-12-24 1992-07-01 Nec Corporation Dry etching process for gallium arsenide
KR100469739B1 (ko) * 2003-01-06 2005-02-02 삼성전자주식회사 플라즈마 식각을 이용한 반도체 제조 방법
RU2528277C1 (ru) * 2013-04-12 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАСКАДНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ Galnp/Galnas/Ge
RU2576412C1 (ru) * 2014-12-01 2016-03-10 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0492951A2 (en) * 1990-12-24 1992-07-01 Nec Corporation Dry etching process for gallium arsenide
KR100469739B1 (ko) * 2003-01-06 2005-02-02 삼성전자주식회사 플라즈마 식각을 이용한 반도체 제조 방법
RU2528277C1 (ru) * 2013-04-12 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАСКАДНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ Galnp/Galnas/Ge
RU2576412C1 (ru) * 2014-12-01 2016-03-10 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
С.В. Ишутин и др. Плазмохимическое травление InP/InGaAs гетероструктуры в индуктивно связанной плазме Cl2/Ar/N2 для формирования оптических волноводных структур. Доклады ТУСУР, 21 (4), 2018, c.28-32. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2805030C1 (ru) * 2023-05-24 2023-10-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" Способ градиентного ионно-плазменного травления через маску

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100361399B1 (ko) 기판의이방성플라즈마에칭방법및그방법에의해제조되는전자부품
US10593518B1 (en) Methods and apparatus for etching semiconductor structures
KR100574141B1 (ko) 단결정 실리콘층의 트렌치 에칭 방법
US8987140B2 (en) Methods for etching through-silicon vias with tunable profile angles
US20070175856A1 (en) Notch-Free Etching of High Aspect SOI Structures Using A Time Division Multiplex Process and RF Bias Modulation
US20070197039A1 (en) Anisotropic etching method
US20240006159A1 (en) Post-processing of Indium-containing Compound Semiconductors
CN112997282A (zh) 用于将蚀刻层蚀刻的方法
KR101147964B1 (ko) 플라즈마 에칭 처리 방법 및 플라즈마 에칭 처리 장치
TWI446439B (zh) 電漿處理方法
JP2004296474A (ja) シリコン基板のエッチング方法及びエッチング装置
KR100259220B1 (ko) 수소 플라즈마 다운 스트림 처리 장치 및 수소 플라즈마 다운스트림 처리 방법
RU2734845C1 (ru) СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InP
CN104925739B (zh) 二氧化硅的刻蚀方法
CN115943481A (zh) 基板处理方法以及基板处理装置
JP2016207753A (ja) プラズマエッチング方法
AU7621100A (en) Method of forming smooth morphologies in inp-based semiconductors
KR101353258B1 (ko) 반도체 소자의 갭필 방법
KR101650104B1 (ko) 공정챔버 세척방법
JP2005150404A (ja) 化合物半導体から構成される多層膜のドライエッチング方法
RU2614080C1 (ru) Пассивация поверхности кремниевых пластин методом магнетронного распыления
US20220208550A1 (en) Method and Apparatus for Plasma Etching
WO2023209812A1 (ja) プラズマ処理方法
JPS63124419A (ja) ドライエツチング方法
WO2023203591A1 (ja) プラズマ処理方法

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210203

Effective date: 20210203