СЕЛЕКТИВНЫЙ ТРАВИТЕЛЬ СЛОЕВ AlAs, AlGaAs ОТНОСИТЕЛЬНО GaAs Российский патент 2006 года по МПК H01L21/306 

Изобретение относится к микро-, наноэлектронике и наноэлектромеханике и может быть использовано в технологии изготовления приборов микро-, наноэлектроники и наноэлектромеханики, в частности, при формировании приборных трехмерных наноструктур.

Переход к созданию все более малых объектов, сравнимых по размеру с молекулами или атомами, является устойчивой тенденцией в развитии ряда областей техники, таких как микро-, наноэлектроника, наноэлектромеханика. Уменьшение размеров приводит, во-первых, к смене элементной базы, так, например, если приборы микроэлектромеханики изготавливаются на основе Si, то приборы наноэлектромеханики в основном базируются на использовании структур А₃В₅, и, во-вторых, к созданию технологии, способной воспроизводимо создавать элементы приборов строго заданной формы с размерами менее 10 нм. В связи с этим актуальность приобретает поиск технических решений, позволяющих при формировании наноструктур использовать в сочетании с процессами сомоорганизации стандартные технологии.

Известен селективный травитель слоев AlAs, AlGaAs относительно GaAs (Eli Yablonovitch, Т. Gmitter, J.P.Harbison and R. Bhat. Extreme selectivity in the lift-off of epitaxial GaAs films. Appl. Phys. Lett. 51 (26), 1987, p.2222-2224), содержащий плавиковую кислоту (HF) и воду, причем указанные компоненты взяты в соотношении, мас.%: плавиковая кислота - 10, вода - остальное.

К недостаткам данного селективного травителя слоев AlAs, AlGaAs относится то, что его можно эффективно, с селективностью, составляющей по величине более 10⁷, использовать только в отношении слоев AlAs, AlGaAs с содержанием Al более 40%. При травлении слоев AlGaAs с содержанием Al менее 40% он неэффективен. Другим недостатком является невозможность высокоселективного травления при комнатной температуре слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%, относительно InAs, InGaAs. Следует отметить и неэффективность использования данного травителя в нанотехнологии, например, при изготовлении 3-мерных наноструктур, нанотрубок, спиралей, гофрировок, так как использование его не позволяет изготавливать объекты, имеющие размеры порядка нескольких монослоев (В. Я. Принц. Трехмерные самоформирующиеся наноструктуры на основе свободных напряженных гетеропленок. Известия высших учебных заведений. Физика 46(6), 2003 г., с.35-43; V.Ya.Prinz. Properties of semiconductor nanotubes and nanoshells fabricated on (111), (110) GaAs, Si and on vicinal (001) GaAs substrates. Physica E 23 (2004); В.Я.Принц, В.А.Селезнев, А.В.Чеховский. Самоформирующиеся полупроводниковые микротрубки и нанотрубки. Микросистемная техника, 2003 г., №6, с.29-35). Использование данного травителя в нанотехнологии с монослойными пленками является неэффективным по причине недостаточной величины селективности травления. По требованиям, предъявляемым нанотехнологией к травителю, величина селективности травления должна превышать 10⁷. Перечисленные недостатки обусловлены механизмом травления, включающим образование GaF₃ с последующим растворением.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по назначению и совокупности признаков является селективный травитель слоев AlAs, AlGaAs относительно GaAs (Wai Shing Lau, Eng Fong Chor, Soon Poh Kek, Wan Hamzah bin Abdul Aziz, Hui Chin Lim, Chun Huat Heng and Rong Zhao. The Development of a Highly Selective KI/I₂/H₂O/H₂SO₄ Etchant for the Selective Etching of Al_0,3Ga_0,7As over GaAs. Jpn. J. Appl. Phys. Vol.36 (1997) p.3770-3774 Part 1, No. 6A, June 1997), содержащий иодид калия (KI), иод (I₂), воду (Н₂O) и серную кислоту (H₂SO₄), причем указанные компоненты взяты в соотношении, мас.%: иодид калия (KI) - 20,3; иод (I₂) - 23,5; серная кислота (H₂SO₄) - 47,8; вода (H₂O) - остальное.

К недостаткам данного известного технического решения относится низкая селективность травления при комнатной температуре. Для достижения высокой селективности травление необходимо выполнять при пониженной температуре. Так, наибольшая селективность достигнута при травлении Al_0,3Ga_0,7As относительно GaAs при температуре 3°С и составляет 330. Другим недостатком является невозможность использования данного травителя в нанотехнологии (В.Я.Принц. Трехмерные самоформирующиеся наноструктуры на основе свободных напряженных гетеропленок. Известия высших учебных заведений. Физика 46(6), 2003 г., с.35-43; V.Ya.Prinz. Properties of semiconductor nanotubes and nanoshells fabricated on (111), (110) GaAs, Si and on vicinal (001) GaAs substrates. Physica E 23 (2004); В.Я.Принц, В.А.Селезнев, А.В.Чеховский. Самоформирующиеся полупроводниковые микротрубки и нанотрубки. Микросистемная техника, 2003 г., №6, с.29-35), обусловленная чрезвычайно низкой селективностью. Величина наибольшей достигаемой селективности для данного травителя является явно недостаточной, поскольку требуемые величины селективности травления выше 10⁷. Следует отметить и невозможность высокоселективного травления при комнатной температуре слоев относительно InAs, InGaAs. Причина перечисленных недостатков заключается в механизме травления.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение селективности травления при комнатной температуре слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%, относительно GaAs;

- достижение возможности высокоселективного травления при комнатной температуре слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%, относительно InAs, InGaAs;

- достижение возможности использования данного травителя в нанотехнологии для отделения сверхтонких слоев (порядка нескольких монослоев).

Технический результат достигается тем, что селективный травитель слоев AlAs, AlGaAs относительно GaAs, содержащий иод (I₂), содержит органический растворитель, в котором растворен иод (I₂), причем указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

иод0,1÷4органический растворитель96÷99,9

В селективном травителе в качестве органического растворителя используют изопропиловый спирт или ацетон.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Предлагаемый селективный травитель слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%, для проведения травления при комнатной температуре состоит из иода, растворенного в органическом растворителе, причем данные ингредиенты взяты в соотношении, мас.%: иод (I₂) - 0,1-4; органический растворитель - 96-99,9. Экспериментально было установлено, что процесс травления возможен только в указанных пределах содержания I₂ в растворе. При более низком содержании I₂ в растворе процесс травления не эффективен по причине низкой скорости, а при более высоком - происходит адсорбция I₂ на поверхность, и процесс травления затруднен.

Для определения влияния концентрации I₂ в растворе на скорость травления было выполнено травление образцов. В качестве тестовых образцов были использованы гетероструктуры, выращенные на подложке GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии, которые содержали следующие слои: верхний слой GaAs - 250 Å; средний слой In_0,2Ga_0,8As - 80 Å; нижний жертвенный слой, лежащий на подложке, AlAs - 80 Å. Измерения были выполнены с помощью микроскопа ММР-4. Растворы для травления были приготовлены в соответствии с заявляемым содержанием ингредиентов, в качестве органического растворителя был использован изопропиловый спирт. Температура раствора травления - комнатная. При этом скорость латерального травления AlAs составила 0, 657, 0,86 и 0,74 мкм/мин соответственно при содержании I₂ в изопропиловом спирте, мас.%: 0,5; 1,5; 4.

Для определения влияния используемого растворителя на скорость травления было выполнено травление данных гетероструктур в изопропиловом спирте с содержанием I_2, равным 1,5 мас.%, и в ацетоне с таким же содержанием I₂. Причем скорость латерального травления AlAs толщиной 80 Å составила для случая, когда растворителем был изопропиловый спирт, 0,86 мкм/мин, а для случая, когда в качестве растворителя был использован ацетон, - 1,23 мкм/мин.

Для определения величин селективности травления образцы GaAs, InAs, InGaAs были на половину покрыты химико-стойким лаком и помещены в раствор для травления с содержанием ингредиентов, мас.%: I₂ - 1, изопропиловый спирт - остальное. Образцы в растворе выдерживали 90 дней. Для поддержания постоянной концентрации I₂ в изопропиловом спирте травитель на 2/3 ежедневно обновляли, причем контейнер, в котором находились тестовые образцы, был герметично закрыт. По истечении 90 дней образцы были извлечены из травителя и промыты в изопропиловом спирте, химико-стойкий лак с поверхности образцов удален в ацетоне. Затем был выполнен контроль состояния поверхности на интерференционном микроскопе МИИ-4У4.2 с разрешающей способностью 0,05 мкм. На границе травления изменений не обнаружено, по крайней мере с точностью 0,1 мкм. Поверхность образцов была также исследована на атомно-силовом микроскопе типа "Solver". Границы между поверхностями, подвергшейся травлению и защищенной, не обнаружено. Это позволяет говорить о селективности травления слоев AlAs, AlGaAs относительно GaAs, InAs, InGaAs выше 10⁹, которая предположительно связана с пассивацией поверхностей GaAs, InAs, InGaAs при комнатной температуре I₂.

Для определения возможности травления AlGaAs с низким содержанием Al, менее 40%, выполнены эксперименты по травлению гетероструктуры, выращенной на подложке GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии, которая содержала верхний слой GaAs - 100 Å и слой, лежащий на подложке, Al_xGa_1-xAs при х=0,3. При этом контроль за состоянием поверхности осуществляли на микроскопе ММР-4. После травления в растворе с содержанием, мас.%: I₂ - 1, остальное ацетон, верхний слой GaAs отсоединился. Скорость латерального травления в данном случае составила 0,32 мкм/мин.

Анализ полученных данных позволяет предположить, что высокая селективность, более 10, травления слоев AlAs, AlGaAs имеет место в результате того, что предлагаемый травитель при комнатной температуре не травит GaAs, InAs, InGaAs соединения, а только пассивирует их поверхности.

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры испытанных составов селективного травителя слоев AlAs, AlGaAs.

Пример 1.

Селективный травитель с содержанием ингредиентов, мас.%: I₂ - 1, остальное ацетон, обеспечивает при комнатной температуре селективность травления слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%, относительно GaAs, InAs, InGaAs, равную по величине более 10⁹ и дающую возможность применения данного травителя в нанотехнологии, поскольку при обработке гетероструктуры, содержащей верхний слой GaAs толщиной 250 Å, средний слой In_0,2Ga_0,8As - толщиной 80 Å, нижний жертвенный слой, лежащий на GaAs подложке, AlAs толщиной 80 Å, отсоединяемый слой составляет 330 Å.

Пример 2.

Селективный травитель с содержанием ингредиентов, мас.%: I₂ - 0,1, остальное изопропиловый спирт, обеспечивает при комнатной температуре селективность травления слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%, относительно GaAs, InAs, InGaAs, равную по величине более 10⁹ и дающую возможность применения данного травителя в нанотехнологии, поскольку при обработке гетероструктуры, содержащей верхний слой GaAs толщиной 250 Å, средний слой In_0,2Ga_0,8As - толщиной 80 Å, нижний жертвенный слой, лежащий на GaAs подложке, AlAs толщиной 80 Å, отсоединяемый слой составляет 330 Å.

Пример 3.

Селективный травитель с содержанием ингредиентов, мас.%: I₂ - 4, остальное изопропиловый спирт, обеспечивает при комнатной температуре селективность травления слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%, относительно GaAs, InAs, InGaAs, равную по величине более 10⁹ и дающую возможность применения данного травителя в нанотехнологии, поскольку при обработке гетероструктуры, содержащей верхний слой GaAs толщиной 250 Å, средний слой In_0,2Ga_0,8As - толщиной 80 Å, нижний жертвенный слой, лежащий на GaAs подложке, AlAs толщиной 80 Å, отсоединяемый слой составляет 330 Å.

Таким образом, преимущества предлагаемого селективного травителя слоев AlAs, AlGaAs перед существующими аналогами заключаются в том, что он может быть эффективно использован при травлении указанных слоев, в том числе AlGaAs с низким содержанием Al, менее 40%, относительно GaAs, InAs, InGaAs в условиях, когда его температура равна комнатной, что не требует дополнительного оборудования.

Следует отметить, что преимущества, получаемые от применения данного травителя, чрезвычайно важны при использовании его в нанотехнологии, например, при изготовлении нанотрубок, колец, стержней, гофрировок. Также применение заявляемого травителя открывает возможность использования неокисленного AlGaAs в качестве жертвенных слоев, расширяя базу используемых материалов и технологические возможности.

Использование: в технологии изготовления приборов микро-, наноэлектроники и наноэлектромеханики. Сущность изобретения: селективный травитель слоев AlAs, AlGaAs относительно GaAs содержит иод (I₂), органический растворитель, в котором растворен иод (I₂), причем указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: иод - 0,1÷4, органический растворитель - 96÷99,9. При этом в качестве органического растворителя может быть использован изопропиловый спирт или ацетон. Техническим результатом изобретения является повышение селективности травления при комнатной температуре слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%; достижение возможности высокоселективного травления при комнатной температуре слоев AlAs, AlGaAs, в том числе и с низким содержанием Al, менее 40%, относительно InAs, InGaAs; достижение возможности использования данного травителя в нанотехнологии для отсоединения верхних слоев порядка нескольких монослоев. 1 з.п. ф-лы.

1. Селективный травитель слоев AlAs, AlGaAs относительно GaAs, содержащий иод (I₂), отличающийся тем, что содержит органический растворитель, в котором растворен иод (I₂), причем указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Иод0,1÷4Органический растворитель96÷99,9.