Состав меза-травителя для антимонида индия ориентации (100)
COMPOSITION OF MESA-ETCHING AGENT FOR INDIUM ANTIMONID ORIENTATION (100)

Изобретение относится к материаловедению, в частности к области обработки поверхности антимонида индия (InSb) ориентации (100) травителем для создания меза-стуктуры, и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов.
Целью данного изобретения является разработка состава травителя для создания меза-стуктуры, который позволяет получать заданные параметры меза-структуры для материала антимонида индия ориентации (100), являющиеся необходимыми критериями качества меза-структуры и в целом фоточувствительных элементов (ФЧЭ).
Изобретение позволяет обеспечить формирование меза-структуры с наклоном боковых стенок элементов менее 90° в ортогональных кристаллографических направлениях [110] и [1-10] (направлениях скола), что необходимо для качественной пассивации диэлектрическим покрытием, гладкую поверхность дна мезы (область между элементами), однородность травления по площади пластины и высокую воспроизводимость процесса.
Известен состав травителя для создания мезы для антимонида индия ориентации (111) [Kow-Ming Chang, Jiunn-Jye Luo, Cheng-Der Chiang and Kou-Chen Liu Wet Etching Characterization of InSb for Thermal Imaging Applications (Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, No. 3А, 2006, pp. 1477-1482)], содержащий лимонную кислоту, перекись водорода и воду. Данный состав не удовлетворяет одному из главных параметров травителя для формирования меза-структуры InSb (100) - не обеспечивает угол наклона менее 90° боковых стенок элементов меза-структуры в одном из ортогональных кристаллографических направлений [110] и [1-10], что препятствует качественной пассивации при последующих операциях. Недостатком также является слишком низкая скорость травления (менее 0,5 нм/с).
Авторы [Renato Bugge, Trondheim, Bjorn-Ove Fimland, «Etching of AlGaInAsSb», US 2011/0021032 Al] используют травитель состава: винная кислота с перекисью водорода и плавиковой кислотой для травления GaSb материалов.
Известны так же составы травителей для систем материалов, содержащих сурьму:
Для случая травителя мезы для антимонида индия данные составы так же являются неприемлемыми, так как, при использовании этих составов не достигаются требуемые критерии качества меза-структуры: наклон боковых стенок элементов менее 90° в ортогональных кристаллографических направлениях [110] и [1-10], гладкая поверхность дна мезы, однородность травления по площади пластины и высокая воспроизводимость процесса.
Задачей изобретения является обеспечение формирования меза-структуры с наклоном боковых стенок элементов менее 90° в ортогональных кристаллографических направлениях [110] и [1-10], что необходимо для качественной пассивации диэлектрическим покрытием, получения поверхности дна мезы с низкой шероховатостью, однородности травления по площади пластины и высокой воспроизводимости процесса.
Задача решается тем, что состав меза-травителя для антимонида индия ориентации (100), включающий лимонную кислоту, перекись водорода, дополнительно содержит фосфорную кислоту при следующем соотношении компонентов (объемные части): 1,85 части 85% фосфорной кислоты, 1 часть 30% перекиси водорода, 4,5 части 30% лимонной кислоты.
14
-3
Сущность изобретения поясним на примерах практического исследования заявляемого состава. Все исследования проводились на нелегированных пластинах InSb (100) n-типа с концентрацией носителей заряда ~5×10 см. После подготовки поверхности пластин с применением химико-механического и химико-динамического полирования проводился стандартный процесс фотолитографии с использованием фоторезиста SP16.
Свежий раствор готовился при нагревании, травление меза-структур проводилось после остывания до комнатной температуры. После травления образцы промывались в деионизованной воде в течение 5 мин и высушивались чистым газообразным азотом.
Для исследования профиля меза-структуры образцы скалывались в кристаллографических направлениях [110] и [1-10]. При использовании травителя предлагаемого состава получены следующие профили элементов меза-структуры (Фиг. 1. Профили боковых стенок элементов меза-структуры в кристаллографических направлениях [110] и [1-10]. Изображение получено в режиме вторичных электронов на сканирующем электронном микроскопе Jeol JSM 7001F при увеличении 50000х)
Ключевой особенностью является получаемый при травлении практически идентичный профиль в кристаллографических направлениях [110] и [1-10] с наклоном боковых стенок менее 90°, что является необходимым условием для последующей качественной пассивации.
Равномерность травления по пластине контролировалась на оптическом профилометре Sensofar Plmu Neox. Разброс высот элементов меза-структуры по площади образца (2×2 см) не превышал 2%. Состав травителя также обеспечивает оптимальную скорость травления (~10 нм/с), что позволяет оператору работать в удобном временном технологическом окне.
Среднеарифметичское отклонение профиля Ra при исследовании дна меза-структуры методом атомно-силовой микроскопии (Фиг. 2. Профиль поверхности дна меза-структуры, полученный на атомно-силовом микроскопе Ntegra Maximus в полуконтактном режиме сканирования.) в полуконтактном режиме сканирования составило менее 1 нм, что является хорошим показателем.
При использовании травителя для формирования меза-структуры скорость травления и получаемый профиль боковых стенок элементов не зависят от параметров перемешивания, что положительно сказывается на воспроизводимости процесса. Данные факторы свидетельствуют о том, что процесс не контролируется диффузией компонентов к поверхности.
Для достижения лучших результатов предпочтительным является режим травления, в котором лимитирующей стадией является скорость химической реакции на поверхности - кинетический режим. Отличительными особенностями такого режима являются отсутствие ощутимого эффекта от перемешивания, линейная зависимость скорости травления от времени, а также достаточно высокие значения энергии активации более 30 кдЖ/моль, что приводит к существенному влиянию температуры на данный процесс. Диффузионно-контролируемые режимы травления практически не зависят от температуры, но очень чувствительны к типу и силе перемешивания, что отрицательно влияет на воспроизводимость процесса при травлении меза-структуры.
Для подтверждения отсутствия влияния перемешивания проводилась серия экспериментов со скоростью вращения бочки (емкость для травления) от 0 до 150 оборотов в минуту. Различий в скорости травления обнаружено не было, что свидетельствуют о том, что процесс не контролируется диффузией компонентов к поверхности при использовании данных режимов.
Травитель имеет практически линейную зависимость (Фиг. 3. Зависимость глубины травления меза-структуры от времени в секундах.) глубины травления от времени в интересующем нас диапазоне высот элементов меза-структры.
Для расчета значения энергии активации использовалось уравнение Аррениуса, записанное в логарифмической форме:
lnK=lnA-Ea/RT,
где k - константа скорости химической реакции, Еа - энергия активации, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура в градусах Кельвина.
Далее строилась зависимость в координатах lnK-1/Т. Тангенс угла наклона равен -Ea/R. (Фиг. 4. Зависимость скорости травления от температуры). Расчетное значение энергии активации составило 30,4 кДж/моль, что согласуется с суждением о преимущественном контроле данной процесса скоростью химической реакции на поверхности.
Полученные результаты показывают, что режим травления ограничен скоростью химической реакции на поверхности, и является оптимальным для травления меза-структуры. Общий вид элементов меза-структуры, полученных заявляемым составом травителя, изображен (Фиг. 5. Общий вид элементов меза-структуры на травителе фосфорная кислота, лимонная кислота, перекись водорода и вода. Изображение получено во вторичных электронах на сканирующем электронном микроскопе Jeol JSM-35CF при увеличении 3200х.).