СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО РЕАКТИВНОГО ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Российский патент 2016 года по МПК H01L21/3065 

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к способам селективного реактивного ионного травления полупроводниковых гетероструктур, и может найти широкое применение при изготовлении изделий электронной техники СВЧ, в частности полевых транзисторов СВЧ.

Как известно, полупроводниковые структуры арсенида галлия (GaAs) до недавнего времени являлись основными полупроводниковыми структурами для полевых транзисторов СВЧ.

Быстродействие таких полевых транзисторов с субмикронными длинами канала составляет 10-12 ГГц.

Существенный прогресс в части повышения быстродействия обеспечило изобретение так называемых транзисторов с высокой электронной подвижностью (НЕМТ - High Electron Mobility Transistor), активная область которых состоит из легированного широкозонного и нелегированного узкозонного слоев полупроводниковой гетероструктуры.

Это обеспечивает существенное увеличение быстродействия таких полевых транзисторов (до 100 ГГц и более).

Одной из основных задач при изготовлении полевых транзисторов на полупроводниковых гетероструктурах является процесс селективного травления отдельных ее слоев.

Известен способ изготовления фотоприемных элементов на основе многослойных полупроводниковых гетероструктур GaAs/AlGaAs, заключающийся в нанесении на подложку из полуизолирующего арсенида галлия (GaAs) последовательности слоев: проводящего n⁺-GaAs-слоя, многослойной периодической структуры GaAs/AlGaAs и второго проводящего n⁺-CaAs-слоя, с последующим травлением верхнего проводящего n⁺-GaAs-слоя многослойной полупроводниковой гетероструктуры в водном растворе перекиси водорода, в котором с целью увеличения точности и прецизионности травления, увеличения выхода годных изделий, между ближайшим к подложке проводящим n⁺-GaAs-слоем и многослойной периодической структурой наносят тонкий стоп-слой из арсенида алюминия (AlAs) толщиной 2-5 нм, а травление ведут при температуре 20-22°С в растворе, дополнительно содержащем органическую кислоту.

Травящий раствор в качестве органической кислоты содержит винную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.:

Винная кислота - 35-45;

Перекись водорода - 5-10;

Вода - остальное [1].

Недостаток данного способа заключается в:

высокой неравномерности травления и воспроизводимости и, соответственно, низком выходе годных,

низкой анизотропии травления, приводящей к неконтролируемому растраву поверхности полупроводниковой гетероструктуры.

В частности, при формировании канала полевого транзистора с барьером Шотки (ПТШ) данный недостаток приводит к значительному снижению электрических параметров ПТШ либо полному браку на данной операции его изготовления.

Известен способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры GaAs/AlGaAs, включающий подготовку полупроводниковой структуры, расположение ее на подложкодержателе в реакторе системы реактивного ионного травления, с обеспечением контактирования слоя GaAs с плазмой технологических газов, подачу в реактор технологических газов - смеси четыреххлористого кремния (SiCl₄) и трифторметана (CHF₃) и последующее селективное реактивное ионное травление при заданных параметрах технологического режима [2].

Преимуществом второго аналога по сравнению с первым является значительное снижение неравномерности, повышение воспроизводимости, контролируемости селективного реактивного ионного травления и, соответственно, повышение выхода годных.

Однако наличие в смеси технологических газов, а именно:

четыреххлористого кремния - требует дополнительного оборудования для перевода SiCl₄ из жидкого состояния в газообразное,

трифторметана - приводит к образованию на поверхности полупроводниковой гетероструктуры полимерных пленок, могущих привести к ухудшению электрических параметров изделий СВЧ, удаление которых является достаточно трудоемким процессом.

Кроме того, данный способ селективного реактивного ионного травления характеризуется достаточно высокой скоростью травления слоя арсенида галлия полупроводниковой гетероструктуры (порядка 100 нм/мин), что не обеспечивает точный контроль селективного реактивного ионного травления тонких слоев GaAs (менее 50 нм).

Известен также способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры GaAs/AlGaAs, включающий расположение полупроводниковой гетероструктуры на подложкодержателе в реакторе системы реактивного ионного травления с обеспечением контактирования слоя GaAs с плазмой технологических газов, подачу в реактор технологических газов - смеси гексафторида серы (SF₆) и хлора (Cl₂) при их соотношении примерно 0,025, обм., в отличие от технологических газов - смеси (SiCl₄) и (CHF₃) второго аналога, и последующее селективное реактивное ионное травление при заданных технологических режимах [3] - прототип.

Отсутствие в смеси технологических газов атомов углерода обеспечивает исключение образования на поверхности полупроводниковой гетероструктуры упомянутых выше полимерных пленок.

Однако использование в смеси технологических газов чистого хлора является неэффективным для травления собственных окислов слоя GaAs полупроводниковой гетероструктуры и, соответственно, повышает неравномерность, снижает воспроизводимость и контролируемость селективного реактивного ионного травления.

Техническим результатом заявленного способа селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры является повышение выхода годных путем повышения селективности, контролируемости, воспроизводимости, анизотропии и снижения неравномерности, плотности дефектов и загрязнений на поверхности полупроводниковой гетероструктуры.

Указанный технический результат достигается заявленным способом селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры, имеющей, по меньшей мере, последовательность слоев GaAs/AlGaAs с заданными характеристиками, включающим расположение полупроводниковой гетероструктуры на подложкодержателе в реакторе системы реактивного ионного травления с обеспечением контактирования слоя GaAs с плазмой технологических газов, подачу в реактор технологических газов и последующее селективное реактивное ионное травление при заданных параметрах технологического режима. В котором

используют полупроводниковую гетероструктуру, имеющую упомянутый слой AlGaAs толщиной не менее 10 нм, с содержанием химических элементов Al_xGa_1-xAs при x, равном либо большем 0,22,

в качестве технологических газов используют смесь трихлорида бора (BCl₃) и гексафторида серы (SF₆) при соотношении (2:1)-(9:1) соответственно,

селективное реактивное ионное травление осуществляют при давлении в реакторе 2-7 Па, мощности, подаваемой в разряд, 15-50 Вт, температуре подложкодержателя 21-23°С, общем расходе потока технологических газов 15-25 мл/мин.

Об окончании селективного реактивного ионного травления судят одним из известных методов, например, лазерной интерферометрии.

Раскрытие сущности заявленного изобретения.

Использование полупроводниковой гетероструктуры, имеющей упомянутый слой AlGaAs толщиной не менее 10 нм, с содержанием химических элементов Al_xGa_1-xAs при x, равном либо большем 0,22, и технологических газов - смеси трихлорида бора (BCl₃) и гексафторида серы (SF₆) при соотношении (2:1)-(9:1) соответственно обеспечивает:

во-первых, полное и качественное травление слоя GaAs полупроводниковой структуры, последующее формирование пленки фторида алюминия на поверхности слоя AlGaAs, которая выполняет функцию стоп-слоя и тем самым обеспечивает полное и качественное прекращение селективного реактивного ионного травления последующих слоев полупроводниковой гетероструктуры (начиная со слоя AlGaAs) и, как следствие, достижение высокой степени селективности,

во-вторых, одновременное снятие собственных окислов и тем самым исключение необходимости применения дополнительной обработки слоя GaAs с этой целью и, как следствие, снижение плотности дефектов и загрязнений на поверхности полупроводниковой гетероструктуры,

в-третьих, исключение из технологических газов соединений углерода и тем самым исключение образования нежелательных полимерных пленок и, как следствие, - снижение загрязнений на поверхности полупроводниковой гетероструктуры.

в-четвертых, повышение контролируемости и воспроизводимости.

И, как следствие, этого - повышение выхода годных полупроводниковых гетероструктур.

Указанные параметры технологического режима селективного реактивного ионного травления каждый в отдельности обеспечивают:

давление в реакторе 2-7 Па - высокую степень анизотропии;

мощность, подаваемая в разряд 15-50 Вт - оптимальные условия бомбардировки поверхности слоя GaAs полупроводниковой гетероструктуры ионами технологических газов и тем самым исключение пробоя упомянутой пленки фторида алюминия и исключение дальнейшего травления нижележащих слоев;

температура подложкодержателя 21-23°С:

во-первых, равномерное распределение температуры по поверхности полупроводниковой гетероструктуры и тем самым равномерное ее селективное реактивное ионное травление,

во-вторых, исключение образования структурных дефектов, благодаря достаточно низкой температуре;

общий расход технологических газов 15-25 мл/мин является оптимальным для обеспечения равномерности селективного реактивного ионного травления.

Совокупность признаков указанных параметров технологического режима селективного реактивного ионного травления в совокупности с указанными другими признаками изобретения обеспечит:

а) достижение высокой селективности реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры (слоя GaAs относительно слоя Al_xGa_1-xAs) примерно 200:1, а так же контролируемости, воспроизводимости, анизотропии,

б) снижение неравномерности, плотности дефектов и загрязнений поверхности полупроводниковой гетероструктуры.

И, как следствие, того и другого - повышение выхода годных полупроводниковых гетероструктур.

Итак, совокупность существенных признаков заявленного способа селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры в полной мере обеспечит заявленный технический результат, а именно повышение выхода годных.

Использование полупроводниковой гетероструктуры, имеющей:

упомянутый слой AlGaAs толщиной менее 10 нм нежелательно из-за возможного его пробоя,

с содержанием химических элементов Al_xGa_1-xAs при x, меньшем 0,22, недопустимо из-за нарушения баланса скоростей образования и травления пленки фторида алюминия.

Использование в качестве технологических газов смеси трихлорида бора и гексафторида серы при их соотношении, отличном от (2:1)-(9:1), соответственно не желательно из-за ухудшения - снижения результатов селективного реактивного ионного травления (селективности, контролируемости, воспроизводимости, анизотропии, повышения неравномерности, плотности дефектов и загрязнений).

Осуществление селективного реактивного ионного травления при параметрах технологического режима:

давления в реакторе менее 2 Па и более 7 Па нежелательно, в первом случае - из-за существенного повышения уровня ионной бомбардировки, приводящей к снижению селективности, во втором - из-за повышения уровня химической компоненты реактивного ионного травления, приводящей к снижению анизотропии;

мощности, подаваемой в разряд, менее 15 Вт и более 50 Вт нежелательно, в первом случае - из-за снижения скорости травления, во втором - из-за снижения контролируемости и воспроизводимости, а также повышения неравномерности травления;

температуре подложкодержателя менее 21°С и более 23°С нежелательно из-за повышения неравномерности реактивного ионного травления;

общем расходе технологических газов менее 15 мл/мин и более 25 мл/мин нежелательно в первом случае - из-за снижения скорости селективного реактивного ионного травления, повышения неравномерности травления и плотности дефектов и загрязнений, во втором - из-за снижения скорости реактивного ионного травления вследствие того, что активные частицы технологических газов не успевают прореагировать с поверхностью подложки и выносятся из реактора.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дана зависимость анизотропии травления полупроводниковой гетероструктуры от давления в реакторе.

На фиг. 2 дана зависимость неравномерности травления полупроводниковой гетероструктуры от соотношения компонентов смеси технологических газов BCl₃/SF₆.

На фиг. 3 дана зависимость селективности травления полупроводниковой гетероструктуры GaAs/AlGaAs от давления в реакторе.

На фиг. 4 дана зависимость скорости травления слоя GaAs от давления в реакторе.

На фиг. 5 дана зависимость скорости травления GaAs от мощности, подаваемой в разряд.

На фиг. 6 дана зависимость скорости травления GaAs от соотношения компонентов смеси технологических газов BCl₃/SF₆.

На фиг. 7 даны зависимости скоростей травления слоев GaAs и AlGaAs от соотношения компонентов смеси технологических газов SF₆/[SiCl₄+SF₆] - прототипа.

На фиг. 8 дано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе, потравленного заявленным способом канала полевого транзистора СВЧ, выполненного на упомянутой полупроводниковой гетероструктуре.

На фиг. 9 дана матрица распределения значений токов насыщения сток-исток канала упомянутого полевого транзистора СВЧ, потравленного заявленным способом.

Примеры конкретной реализации заявленного способа селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры.

Пример 1.

Рассмотрим селективное реактивное ионное травление полупроводниковой гетероструктуры, имеющей слои GaAs толщиной, равной 50 нм и Al_xGa_1-xAs толщиной, равной 10 нм, с содержанием химических элементов Al_xGa_1-xAs при x, равном 0,22.

Способ включает следующую последовательность технологических операций.

Предварительно на поверхности полупроводниковой гетероструктуры посредством фотолитографии формируют окна для последующего селективного реактивного ионного травления.

Располагают полупроводниковую гетероструктуру на подложкодержателе в реакторе системы реактивного ионного травления Corial 200RL, с обеспечением контактирования слоя GaAs полупроводниковой гетероструктуры с плазмой технологических газов.

Далее осуществляют селективное реактивное ионное травление полупроводниковой гетероструктуры при следующих параметрах технологического режима:

давлении в реакторе 2,3 Па,

мощности, подаваемой в разряд, 40,0 Вт,

температуре подложкодержателя 22,0°С,

скорости общего газового потока 20,0 мл/мин, при этом скорость газового потока трихлорида бора (BCl₃) составляет 18,0 мл/мин, а гексафторида серы (SF₆) - 2,0 мл/мин, что соответствует их соотношению 9:1 соответственно.

Примеры 2-5.

Аналогично примеру 1 осуществляют селективное реактивное ионное травление полупроводниковой гетероструктуры, имеющей те же слои GaAs/Al_xGa_1-xAs, но при других параметрах технологического режима, указанных в формуле изобретения (примеры 2-4), так и за ее пределами (примеры 4-5).

Пример 6 соответствует данным образца прототипа. Данные по образцу прототипа отсутствуют, за исключением скорости и селективности травления.

Изготовленные образцы полупроводниковой гетероструктуры (примеры 1-5) были исследованы на предмет:

1. Анизотропии посредством измерения геометрических размеров потравленных окон на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss Merlin (фиг. 1).

2. Неравномерности посредством измерения глубины травления при помощи профилометра Dektak 150 (фиг. 2).

3. Селективности посредством сравнения скорости травления слоя GaAs относительно слоя AlGaAs (фиг. 3).

4. Скорости травления слоя GaAs посредством измерения отношения глубины травления к времени травления (фиг. 4-6).

Как видно из фиг. 1, удовлетворительный уровень анизотропии (более 30) достигается в диапазоне давлений в реакторе 2-7 Па.

Как видно из фиг. 2, низкий уровень неравномерности травления (менее 3%) достигается при соотношении компонентов смеси технологических газов BCl₃/SF₆ в диапазоне от 2:1 до 9:1.

Как видно из фиг. 3, высокий уровень селективности травления (более 200) достигается в диапазоне давлений в реакторе 2-7 Па.

Как видно из фиг. 4-6, скорость травления слоя GaAs варьируется в широких пределах в зависимости от входных параметров технологического процесса, что обеспечивает высокую контролируемость технологического процесса. Поэтому по показателю скорости не накладывается дополнительных ограничений на входные параметры технологического процесса.

Как видно из фиг. 7:

- скорость травления слоя GaAs в технологическом процессе прототипа не может быть ниже 1000 Ǻ/мин, что соответственно не позволяет контролировать процесс с высокой точностью,

- селективность травления GaAs относительно AlGaAs в технологическом процессе прототипа не превышает 100, что значительно ниже селективности травления заявленным способом.

Как видно из фиг. 8, поверхность канала полевого транзистора, потравленного заявленным способом в оптимальном режиме, не содержит каких-либо загрязнений или полимерных пленок, что в том числе иллюстрирует достижение высокого выхода годных.

Итак, образцы полупроводниковой гетероструктуры, селективное реактивное ионное травление которых осуществлено при параметрах технологического режима согласно заявленной формулы изобретения (примеры 1-3) имеют выход годных не менее 97 процентов, благодаря достижению селективности травления слоя GaAs относительно слоя AlGaAs не менее 200:1, неравномерности не более 3%, анизотропии не менее 30.

Таким образом, заявленный способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры в полной мере обеспечивает технический результат, а именно повышение выхода годных не менее 97 процентов.

Источники информации

1. Патент РФ №2065644 МПК H01L 21/00, приоритет 14.06.1994, опубл. 20.08.1996.

1. Патент US 5837617 А.

2. Патент ЕР 0492951 А1 - прототип.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. Способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры, имеющей, по меньшей мере, последовательность слоев GaAs/AlGaAs с заданными характеристиками, включает расположение полупроводниковой гетероструктуры на подложкодержателе в реакторе системы реактивного ионного травления с обеспечением контактирования слоя арсенида галлия с плазмой технологических газов, подачу в реактор технологических газов и последующее селективное реактивное ионное травление при заданных параметрах технологического режима.

В способе используют полупроводниковую гетероструктуру, имеющую слой AlGaAs толщиной не менее 10 нм, с содержанием химических элементов Al_xGa_1-xAs при x, равном либо большем 0,22, в качестве технологических газов используют смесь трихлорида бора и гексафторида серы при соотношении (2:1)-(9:1) соответственно, селективное реактивное ионное травление осуществляют при давлении в реакторе 2-7 Па, мощности, подаваемой в разряд 15-50 Вт, температуре подложкодержателя 21-23°С, общем расходе технологических газов 15-25 мл/мин.

Технический результат - повышение выхода годных путем повышения селективности, контролируемости, воспроизводимости, анизотропии и снижения неравномерности, плотности дефектов и загрязнений на поверхности полупроводниковой гетероструктуры. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры, имеющей, по меньшей мере, последовательность слоев GaAs/AlGaAs с заданными характеристиками, включающий расположение полупроводниковой гетероструктуры на подложкодержателе в реакторе системы реактивного ионного травления с обеспечением контактирования слоя арсенида галлия с плазмой технологических газов, подачу в реактор технологических газов и последующее селективное реактивное ионное травление при заданных параметрах технологического режима, отличающийся тем, что используют полупроводниковую гетероструктуру, имеющую упомянутый слой AlGaAs толщиной не менее 10 нм, с содержанием химических элементов Al_xGa_1-xAs при х, равном либо большем 0,22, в качестве технологических газов используют смесь трихлорида бора и гексафторида серы при соотношении (2:1)-(9:1) соответственно, селективное реактивное ионное травление осуществляют при давлении в реакторе 2-7 Па, мощности, подаваемой в разряд, 15-50 Вт, температуре подложкодержателя 21-23°С, общем расходе технологических газов 15-25 мл/мин.

2. Способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры по п. 1, отличающийся тем, что об окончании реактивного ионного селективного травления судят одним из известных методов, например лазерной интерферометрии.