СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ InP
METHOD FOR PLASMA-CHEMICAL ETCHING OF HETEROSTRUCTURES BASED ON INP

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.
2
x
x
x
4
2
Известны способы травления гетероструктур на основе InP в плазме Cl с образованием соединений InCl и PCl, при этом применялись реакторы, использующие ВЧ источники реактивно-ионного травления. Недостатком таких процессов является образование стенок структуры с большой шероховатостью, вследствие малой летучести компонентов InCl. 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 СН/Н 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
4
2
2
травления, путем подачи ВЧ-смещения на подложку, с использованием плазмообразующей смеси СН и Н и добавлением Cl.
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.
2
2
Второй способ, описанный в работе [2], заключается в подаче Cl/N/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.
x
x
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 InCl и PCl, поверхность может быть обогащена индием (In), либо фосфором (Р) и образовывать шероховатую поверхность.
2
2
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 Cl, N, 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.
2
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 Cl/N2 и этапов откачки камеры, при котором происходит модуляция газов. На шаге травления
x
2
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 InCl реакции химии Cl 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.
2
2
3
3
3
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 Cl/N/Ar с расходом 10 см/мин и 20 см/мин 20 см/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
4
2
1. Jae Su Yu, Yong Так Lee. Parametric reactive ion etching of InP using Cl2 and CH gases: effects of H and Ar addition. Semicond. Sci. Technol. 17, 230, 2002.
2
2. J.W. Lee, J. Hong, S.J. Pearton. Etching of InP at 1 μm/min in Cl/Ar plasma chemistries. Appl. Phys. Lett. 68, (847), 1996.
2
2
3. С.В. Ишутин, B.C. Арыков, Ю.С.Жидик, П.Е. Троян. Плазмохимическое травление InP/InGaAs гетероструктуры в индуктивно связанной плазме Cl/Ar/N для формирования оптических волноводных структур. Доклады ТУСУР, 21 (4), 2018.
2
2
2
4
2
4. Lee Chee-Wei, Chin Мее-Koy. Room-Temperature Inductively Coupled Plasma Etching of InP Using Cl/N and Cl/CH/H. Chinese Phys. Lett. 23, 903, 2006.