Способ определения достаточности глубины ионно-лучевого травления QWIP-структур
METHOD FOR DETERMINING THE SUFFICIENCY OF THE DEPTH OF ION-BEAM ETCHING OF QWIP STRUCTURES

Способ определения достаточности глубины ионно-лучевого травления сложных полупроводниковых структур с отличающимися скоростями травления составляющих структуру слоев, включающий технологические операции, состоящие в том, что меза-элементы в фоточувствительных матрицах формируют ионным травлением ионами аргона эпитаксиальных структур до нижнего контактного слоя за время, необходимое для травления структур с известными значениями толщин слоев на требуемую глубину, которое определяют по известным значениям скоростей травления по нормали к поверхностям верхнего контактного слоя и активной области, отличающийся тем, что для определения суммарного времени травления учитывают зависимость изменения скорости травления от угла падения ионов аргона.
Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в изготовлении матричных фоточувствительных элементах (МФЧЭ) на квантовых ямах (QWIP). Изобретение может быть использовано в производстве приборов с МФЧЭ.
МФЧЭ на основе QWIP-структур изготавливают по полупроводниковой технологии, включающей фотолитографию, ионное травление по маске для выделения меза-элементов, пассивацию поверхности, напыление металлических покрытий, обеспечивающих омические контакты к слоям, формирование индиевых микроконтактов для последующей гибридизации. Применение ионного травления при формировании меза-структуры обусловлено нежелательной изотропией жидкостного химического травления. При ионном травлении достигают необходимой глубины травления при сохранении максимальной площади фоточувствительного элемента, чего невозможно добиться при жидкостном химическом травлении из-за бокового травления под маской на величину сравнимую с глубиной травления, что приводит к существенной потере активной площади каждого элемента матрицы.
На фиг. 1 схематично представлен фрагмент матрицы ФЧЭ, изготавливаемой на основе сложных гетероэпитаксиальных структур. Одним из ключевых переходов в этой технологии является разделение многослойной ГЭС структуры на матрицы, состоящие из множества одинаковых элементов, соединенных нижним контактным слоем сильнолегированного полупроводника. Основной задачей этого технологического перехода является формирование меза-элементов матрицы ФЧЭ, разделенных геометрическим промежутком по верхнему контактному слою и активной области, но соединенных гальванически нижним контактным слоем сильнолегированного полупроводника.
Наиболее близким к изобретению является известный способ травления меза-элементов на основе эпитаксиальных QWIP-структур, предложенный в [патент RU 2749498 C1 М.В. Седнев, А.В. Трухачев, Н.С. Трухачева, Э.А. Макарова].
Задачей этого изобретения являлось формирование меза-структуры на квантовых ямах с обеспечением необходимой однородности глубины травления структуры до нижнего контактного слоя GaAs n+.
Технический результат достигался тем, что меза-элементы в МФЧЭ формировались ионным травлением ионами аргона в эпитаксиальных слоях до слоя GaAs n+. Время травления определяли по известным значениям скоростей травления контактных слоев GaAs:Si и активной области (чередующиеся между собой барьерные слои из AlxGal-xAs с мольной долей алюминия х=0,27 и слои квантовых ям из GaAs:Si) и толщинам составляющих ГЭС структуру.
Однако, недостатком известного способа является образование канавок по краям рельефа, образованного ионным пучком при травлении поверхности по защитной маске. Образование канавок является следствием взаимодействия потока ионов с боковой поверхностью маски и формируемого меза-элемента, что приводит к увеличению скорости травления по линии проекции боковой поверхности по отношению к скорости травления на плоском участке.
На фиг. 2 представлено изображение фрагмента скола матрицы ФЧЭ после ионно-лучевого травления сложной ГЭС структуры с известными значениями скоростей травления контактных слоев GaAs:Si и активной области (чередующиеся между собой барьерные слои из AlxGal-xAs с мольной долей алюминия х=0,27 и слои квантовых ям из GaAs:Si) через маску. Глубина канавок возрастает с увеличением необходимой высоты меза-элементов, что при недостаточной толщине нижнего контактного слоя может приводить к полной электрической изоляции меза-элементов по нижнему контактному слою. Из фигуры 2 видно, что глубина канавок одинакова как на узких, так и на широких участках вытравленных областей. По известным причинам контролировать непосредственно глубину канавок в процессе выполнения операции не представляется возможным.
Решением этой проблемы можно было бы считать увеличение толщины нижнего контактного слоя. Однако, в этом случае значительно возрастают затраты на процесс выращивания слоя, увеличиваются напряжения, деформирующие пластину, и потери принимаемого излучения на поглощении свободными носителями нижнего контактного слоя.
В работе [«Плазменная технология в производстве СБИС», пунк 9.3.3. Под редакцией Н. Айнспруга и Д. Брауна, Москва, «Мир» 1987 г. (перевод с английского)] для предотвращения образования канавок применяется вращение образца и его качание по отношению к углу падения пучка ионов. Установлено, что при оптимальном угле качания в пределах 20÷30° обеспечиваются вертикальный профиль травления стенки и отсутствие образования канавок.
Однако, вертикальный профиль травления боковых поверхностей фоточувствительных элементов обеспечивает лишь технологию с дифракционной решеткой, при использовании которой квантовая эффективность фоточувствительных элементов не превышает 13÷14%.
Квантовая эффективность является одной из основных характеристик ФЧЭ и определяется его конструкцией, при расчете которой учитывают длину поглощения принимаемого излучения в фоточувствительном слое. Для полного преобразования принимаемого излучения необходимо обеспечить длину пути света в активной области, превышающей длину поглощения. В ряде случаев сложных гетероэпитаксиальных структур, используемых в производстве МФЧЭ, длина поглощения существенно меньше толщины фоточувствительной области. Значительно увеличить длину пути принимаемого излучения в фоточувствительном слое можно за счет отражения от боковых поверхностей меза элементов матрицы. Известные технологии получения меза-элементов фоточувствительной матрицы позволяют создавать как вертикальные, так и наклонные боковые стенки по отношению к принимающей излучение поверхности фото-сенсоров.
В работе [«Исследование оптических характеристик эпитаксиальных слоев AlGaAs», А.В. Никонов, П.С. Скребнева, Н.И. Яковлева, Прикладная физика, 2017, №1, С. 31] по результатам анализа опубликованных материалов показано, что наиболее перспективными в технологии создания фоточувствительных элементов на QWIP-структурах являются четыре формы: призматическая, пирамидальная, коническая и с дифракционной рещеткой, а квантовая эффективность таких элементов составляет 30, 39, 34 и 13-14% соответственно.
Технология ионно-лучевого травления ионами инертного газа, направленными по нормали к обрабатываемой поверхности, через маску позволяет формировать наклонные боковые поверхности меза-элементов матрицы ФЧЭ, необходимые для изготовления призматических, пирамидальных и конических форм элементов, способствующих увеличению квантовой эффективности.
Тем не менее, достаточность глубины канавок до нижнего контактного слоя n+, не допуская в процессе нарушения связности (целостности) нижнего контактного слоя, определяется расчетом, измеряя глубину травления структуры на плоском участке. Из фиг. 2 и 3 видно, что скорость травления по нормали к поверхности постоянна.
Задачей настоящего изобретения является способ определения достаточности глубины ионно-лучевого травления сложных полупроводниковых структур с отличающимися по скоростям травления составляющих структуру слоев (например, формирование матриц меза-элементов на гетероэпитаксиальных структурах с квантовыми ямами), с наклонными боковыми поверхностями меза-элементов матрицы, с обеспечением необходимой достаточности глубины травления структуры до нижнего контактного слоя n+, не допуская нарушения связности (целостности) нижнего контактного слоя, что обеспечивает разделение сплошной ГЭС структуры на множество меза-элементов матрицы, соединенных нижним контактным слоем, открытым для соединения со схемой считывания.
Технический результат достигается тем, что меза-элементы в МФЧЭ формируются ионно-лучевым травлением ионами инертного газа, например, аргона, в сложных эпитаксиальных структурах, состоящих из слоев, с отличающимися скоростями травления, до контактного слоя n+. Достаточность глубины травления определяют по времени, необходимому для травления структуры до пересечения дна канавки с поверхностностью нижнего контактного слоя, по известным значениям скоростей травления пучком ионов по нормали к поверхности контактных слоев и активной области и косинусов углов, образующихся между нормалью и боковой поверхностью меза-элемента. Это позволяет учесть величины глубин канавок, образующихся при последовательном травлении верхнего контактного слоя и активной области. Скорость травления в направлении образования дна канавки больше известной скорости травления на плоском участке и обратно пропорциональна косинусу угла между нормалью и боковой поверхностью меза элемента, а время, необходимое для обеспечения касания дном канавки поверхности активного слоя, в процессе травления верхнего контактного слоя, известного из паспортных данных на пластину, уменьшится на величину, пропорциональную косинуса этого угла. Для определения времени травления активной области до нижнего контактного слоя используется известная скорость травления этого слоя, умноженная на косинус угла, образованного нормалью боковой поверхностью меза-элемента этого слоя, и толщина из паспортных данных на пластину. Продолжительность процесса травления, равная сумме этих двух времен, обеспечивает выполнение поставленной задачи.
Значения углов и скоростей травления определяются свойствами конкретных ГЭС различного элементного состава и устанавливаются экспериментально.