Способ определения достаточности глубины ионно-лучевого травления QWIP-структур Российский патент 2021 года по МПК H01L31/18 

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 МФЧЭ приборов.

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 изотропностью при жидкостном химическом травлении. При ионном травлении мы достигаем значительной глубины травления при сохранении максимальной площади фоточувствительного элемента и получаем вертикальные стенки, чего невозможно добиться при жидкостном химическом травлении.

Наиболее близким к изобретению является известный способ травления меза-элементов на основе эпитаксиальных p-i-n структур GaN/AlGaN [патент № RU 2574376 С1].

Этот способ актуален только для меза-элементов на основе эпитаксиальных p-i-n структур GaN/AlGaN и его невозможно использовать для структур на квантовых ямах (QWIP) по причине того, что в указанном способе время, необходимое для травления структуры с известными значениями толщин слоев на требуемую глубину, определяют по известным значениям скоростей травления слоев GaN и AlxGal-xN с разными значениями доли Al х (%), а необходимую однородность глубины травления обеспечивают меньшей скоростью травления AlxGal-xN (при х = 0,45-0.65) в 3-4 раза по сравнению с GaN. При работе со структурами на квантовых ямах имеют дело с совершенно другими, отличными по составу и толщине слоями, поэтому должны опытным путем установить скорости стравливания различных слоев, удостовериться в воспроизводимости полученных значений и проводить расчеты в соответствии с паспортными данными QWIP-структур.

Задачей настоящего изобретения является формирование меза-структуры на квантовых ямах с обеспечением необходимой однородности глубины травления структуры до нижнего контактного слоя GaAs n+.

Технический результат достигается тем, что меза-элементы в МФЧЭ формируются ионным травлением ионами аргона в эпитаксиальных слоях до слоя GaAs n+. Время травления определяют 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).

Сущность описываемого способа состоит в том, что травление структур на квантовых ямах после применения стандартных методов фотолитографии проводят с использованием заранее известных скоростей стравливания отдельных слоев контактных слоев GaAs:Si и активной области. В качестве метода травления используют метод ионно-лучевого травления ионами Ar (аргона). Бомбардировка ионами инертного газа (Ar) при невысоких скоростях травления позволяет достичь необходимого результата (требуемой глубины травления при сохранении максимальной площади фоточувствительного элемента и получения вертикальных стенок фоточувствительного элемента) и однородности глубины травления. Скорость ионно-лучевого травления ионами аргона активной области уменьшается, что связано с содержанием мольной доли алюминия в барьерном слое. Соотношение скоростей ионного травления контактных слоев (GaAs) к активной области (AlxGal-xAs)/(GaAs:Si) составляет порядка 1,4.

Определение скоростей травления различных слоев QWIP-структур описано в публикации «Исследование глубины и скорости ионного травления QWIP-структур», опубликованной в [журнале «Прикладная физика» в 6 томе 2019 года стр. 54] авторами предлагаемого способа. Испытания проводились на образцах, изготовленных разными производителями - ЗАО «Светлана-Рост» и АО «НПО «Орион». Из полученных экспериментальных результатов определены средние скорости ионно-лучевого травления ионами аргона контактных слоев GaAs:Si и активной области. На фиг. 1 представлены зависимости средних скоростей травления по глубине QWIP-структур разных производителей. Скорость травления уменьшается при переходе от травления верхнего контактного слоя к активной области, а потом при переходе к травлению нижнего контактного слоя возвращается к начальным значениям. При этом можно заметить, что толщина верхнего и нижнего контактных слоев пластины у производителей отличаются, как и толщина активной области. Средние скорости травления функциональных слоев структур разных производителей примерно равны и составляют около 36 нм/мин для верхнего и нижнего контактных слоев из GaAs, и примерно 26 нм/мин для активной области, состоящей из пятидесяти чередующихся барьерных слоев и квантовых ям. Изменение скорости травления происходит при переходе границы контактных (из GaAs) и активных (из Al_xGa_1-xAs) областей QWIP-структур.

Незначительные отличия в скоростях травления могут быть связаны как с особенностями выращивания слоев разными поставщиками, так и погрешностью определения высоты ступенек после каждого травления. Соотношение скоростей ионного травления конактных слоев (GaAs) к активной области (Al_xGa_1-xAs)/(GaAs:Si) у обоих образцов составило 1,4.

Пример изготовления образца с использованием предлагаемого способа травления состоит в следующем.

Стандартными методами фотолитографии на пластине с эпитаксиальной QWIP-структурой с известными значениями толщин слоев формируют маску фоторезиста с шагом 30 мкм и размером пикселей 25×25 мкм и вычисляют время травления функциональных слоев - контактных слоев GaAs:Si и активной области. Ссогласно паспорту, сопровождающему структуру, время травления каждого отдельного слоя суммируют, выполняют процесс ионно-лучевого травления ионами Ar с энергией 1 кэВ и плотностью тока 0.2 Вт/см². Длительность процесса равна сумме времени травления каждого отдельного функционального слоя. Затем удаляют остатки маски фоторезиста в органических растворителях и/или плазмохимическим травлением в кислородной плазме.

На фиг. 2 показана профилограмма полученных после ионно-лучевого травления меза-элементов QWIP- структуры.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в изготовлении матричных фоточувствительных элементов (МФЧЭ) на квантовых ямах (QWIP). Способ формирования меза-элементов матричных фоточувствительных элементов на квантовых ямах включает ионное травление аргоном, при этом осуществляют ионное травление аргоном структур из чередующихся слоев Al_xGa_1-xAs при x=0,27 и слоев квантовых ям из GaAs:Si до нижнего контактного слоя GaAs n⁺, при этом время, необходимое для ионного травления указанных структур с известными значениями толщин слоев на требуемую глубину, определяют как сумму времени ионного травления слоев квантовых ям GaAs:Si и слоев Al_xGa_1-xAs при x=0,27, определяемых по известным значениям скорости травления этих слоев. Изобретение обеспечивает возможность формирования меза-структуры на квантовых ямах с обеспечением необходимой однородности глубины травления структуры до нижнего контактного слоя GaAs n⁺. 2 ил.

Способ формирования меза-элементов матричных фоточувствительных элементов на квантовых ямах, включающий ионное травление аргоном, отличающийся тем, что осуществляют ионное травление аргоном структур из чередующихся слоев Al_xGa_1-xAs при x=0,27 и слоев квантовых ям из GaAs:Si до нижнего контактного слоя GaAs n⁺, при этом время, необходимое для ионного травления указанных структур с известными значениями толщин слоев на требуемую глубину, определяют как сумму времени ионного травления слоев квантовых ям GaAs:Si и слоев Al_xGa_1-xAs при x=0,27, определяемых по известным значениям скорости травления этих слоев.