Способ изготовления электронных детекторов терагерцовой частоты Российский патент 2023 года по МПК H01L21/268 

Изобретение относится к оптическим технологиям получения структурных образований нано- и микрометровых размеров, в частности к лазерным методам формирования на подложках наноструктур, к технологиям изготовления быстродействующих детекторов электромагнитных колебаний терагерцового диапазона.

Важнейшая особенность терагерцового диапазона частот электромагнитных колебаний и волн - это возможность существенного, на порядки величины, расширения полосы частот сигналов в системах связи, в микроэлектронных устройствах при переходе на этот диапазон.

Проблемой является создание чувствительных детекторов терагерцового диапазона частот.

1. Аналогом изобретения выбрана известная технология получения структур металл-диэлектрик-металл методом вакуумного напыления, например [Inac, М. et al. Device characteristics of antenna-coupled metal-insulator-metal diodes (rectenna) using Al₂O₃, TiO₂, and Cr₂O₃ as insulator layer for energy harvesting applications. - Proc. SPIE 9561, Thin Films for Solar and Energy Technology VII, 95610M (5 September 2015); https://doi.org/10.1117/12.2188161]. Здесь МДМ диоды формировались на кремниевых подложках, покрытых слоем SiO₂. Топологический рисунок слоев формировался методом электронно-лучевой литографии. Нижний металлический слой (Au) толщиной 65 нм осаждался в условиях высокого вакуума из термических испарителей. Для формирования слоя туннельного диэлектрика (Al₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃) с толщиной 5 нм использовался электронно-лучевой испаритель. Для напыления верхнего электрода также использовался термический испаритель. Получали слои хрома, алюминия и титана толщиной 65 нм.

Технология включает, кроме операции напыления, несколько стадий, в том числе использование электронно-лучевой литографии, поэтому является сложной, трудоемкой и, как следствие, дорогостоящей. Для обеспечения частоты отсечки диода в терагерцовом диапазоне необходимо обеспечивать разрешение процесса литографии в диапазоне десятков нанометров.

2. Недостатком технологии изготовления слоев МДМ структур вакуумным напылением металла является критичность к атмосферным воздействиям на поверхность перехода, требование сверхвысокой разрешающей способности литографии и сложность, многостадийность технологии.

3. В качестве другого аналога выбран способ лазерно-пиролитического осаждения металлических пленок на поверхность полупроводниковых пластин [Чесноков В.В., Резникова Е.Ф., Чесноков Д.В. Лазерные наносекундные микротехнологии. Новосибирск: СГГА, 2003. -300 с]. По этому способу полупроводниковую подложку помещают при атмосферном давлении в поток парогазовой среды, содержащей пары летучего элементоорганического соединения, способного разлагаться на нагретой поверхности. Затем поверхность подложки локально облучают импульсно-периодическим лазерным излучением по заданному рисунку топологии с наносекундной длительностью импульсов, облучаемые участки нагреваются до температуры разложения паров соединения, на поверхности высаживается слой металла. Способ является менее сложным в сравнении с первым аналогом, так как осаждение металлических пленок производится при атмосферном давлении.

Однако разрешающая способность способа ограничивается дифракционными эффектами при фокусировке излучения и сравнима с длиной волны излучения лазерных излучателей; при изготовлении терагерцовых диодов такое разрешение недостаточно.

Недостатком лазерно-пиролитической технологии осаждения металлической пленки анодного электрода поверхностно-барьерного диода терагерцового диапазона при атмосферном давлении является недостаточная разрешающая способность.

1. Прототипом изобретения выбран способ лазерно-лучевого пиролитического формирования элементов топологии полупроводниковых микросхем [Bruce М. McWilliams, Irving P. Herman, Fred Mitlitsky, Roderick A. Hyde, and Lowell L. Wood, "Wafer-scale laser pantography: Fabrication of n-metal-oxide-semiconductor transistors and small-scale integrated circuits by direct-write laser-induced pyrolytic reactions", Appl. Phys. Lett. 43, 946-948 (1983) https://doi.org/10.1063/1.94191]. В соответствии с этим способом полупроводниковую подложку помещают в вакуумную постоянно откачиваемую камеру, в которую напускают газы, разлагающиеся под действием лазерного излучения, облучают подложку по заданному рисунку топологии микросхемы; в областях поверхности, нагреваемых лазерным лучом, осаждаются слои необходимых материалов или удаляются слои материалов; при необходимости производится замена одних напускаемых газов реагентов на другие; создается топология микросхемы. В качестве реагентов, позволяющих получать слои материалов на подложке, используют пиролитически разлагающиеся соединения. Достигнутое разрешение формирования топологии 1,0 мкм ограничивается тепловым расплыванием реакционной зоны вследствие теплопроводности подложек и слоев, а также влиянием дифракционных эффектов при фокусировке излучения.

2. Недостатком способа является недостаточная разрешающая способность формирования топологии и необходимость использования вакуума в качестве среды осаждения пленок.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является увеличение разрешающей способности способа лазерно-пиролитического нанесения анодного электрода туннельного МДМ диода.

Решение задачи достигается тем, что в способе изготовления детекторов терагерцового диапазона электромагнитных волн с туннельными МДМ диодами, включающем последовательное формирование на поверхности полупроводниковой пластины слоя металла катода, тонкого слоя туннельного изолятора, слоя вспомогательного изолятора с отверстиями, лазерно-пиролитическое нанесение металла анода и формирование микрополосковой линии, в соответствии с изобретением, слой вспомогательного изолятора напыляют в вакууме на слой туннельного изолятора с предварительно осажденным на его поверхность слоем не соприкасающихся между собой наносфер, после чего получают отверстия удалением наносфер и затем формируют анодный электрод адресуемым лазерно-пиролитическим нанесением металла в атмосфере, содержащей пары летучего химического соединения металла, на участок вспомогательного изолятора с перекрытием краев отверстия, продолжая нанесение до формирования микрополосковой линии.

Способ поясняется с помощью фигур 1-2.

На фигуре 1 показана последовательность операций при изготовлении структуры планарного туннельного МДМ диода с микрополосковой линией с использованием предложенного способа. Здесь 1 - монокристаллическая полупроводниковая подложка, 2 - слой металла катода с нанесенным на его поверхность тонким слоем туннельного диэлектрика, 3 - наносферы, 4 - слой вспомогательного диэлектрика, 5 - отверстия в слое вспомогательного диэлектрика, 6 - напыленный слой третьего диэлектрика, 7 - слой третьего диэлектрика после фотолитографии и удаления части слоя с поверхности подложки, 8 - проводящий слой микрополосковой линии для соединения с измерителем демодулированного сигнала детектора, 9 - металлическая дорожка из материала анодного электрода, а), и) - этапы изготовления детектора в соответствии с изобретением, поясняемые в тексте.

На фигуре 2 показан вид сверху на схему расположения элементов получаемой структуры детектора с микрополосковой линией на поверхности подложки с пленками. Здесь 4 - слой вспомогательного диэлектрика с отверстиями 5, а и L - ширина и длина металлической дорожки анодного электрода 9, m - ширина микрополосковой линии 8.

При реализации предложенного способа изготовления планарного диода с микрополосковой линией в соответствии с последовательностью операций фигуры 1 вначале (а) подготавливается полупроводниковая монокристаллическая подложка 1 n⁺ - типа проводимости, например, из кремния. Расположенный на ее поверхности слой 2 представляет собой металлический катод с нанесенным слоем туннельного диэлектрика. На поверхность туннельного диэлектрического слоя (этап (б)) наносят сферические наночастицы 3 из полимера или кварца или никеля диаметром от 50 нм до 300 нм. Методом нанесения может быть седиментация из суспензии наночастиц в воде или органических растворителях или напыление в вакууме испарительно-конденсационным способом, или другим путем. При нанесении добиваются однослойного покрытия наночастицами поверхности, при этом частицы могут располагаться беспорядочно, с различными расстояниями между собой Предпочтительная концентрация частиц на поверхности должна обеспечивать попадание не менее одной частицы в область подложки, впоследствии облучаемой лазерным излучением; при этом нежелательным является соприкосновение частиц между собой в этой области; как показано в дальнейшем, лазерное пятно можно контролируемо перемещать по поверхности за счет перемещения подложки или луча, отслеживая с помощью микроскопа попадание отверстия в облучаемую область. Такой прием реализуем при создании одиночных диодов на подложке и при создании подложек с числом диодов 5-10. Частицы можно располагать на подложке также и упорядоченно, что позволит изготавливать двумерные матрицы большого числа диодов; в случае использования магнитных или диамагнитных или заряженных электрически наночастиц упорядочение может быть облегчено.

На этапе (в) в вакууме на поверхность с наночастицами производится напыление слоя вспомогательного изолятора 4, например, слоя окиси алюминия; напыляемый материал попадает на поверхность и на наночастицы 3, оставляя под ними не запыленную поверхность; толщина слоя не должна превосходить значение радиуса наночастиц. После удаления на этапе (г) наночастиц с попавшим на них при напылении материалом в пленке 4 остаются сквозные отверстия 5. Удаление может производиться травлением наночастиц в избирательном растворителе, не растворяющем пленку 4.

На следующем этапе (д) на поверхность подложки с пленкой 4 наносится пленка третьего диэлектрика 6, например, двуокиси кремния. Она полностью закрывает пленку 4 с отверстиями, имеет толщину, выбираемую из расчета получения оптимального расстояния между микрополосковой линией, формируемой на следующих этапах на подложке, и поверхностью подложки.

На этапе е) при помощи фотолитографии и травления слоя 6 освобождается часть отверстий в слое вспомогательного диэлектрика 4, на который не действует реагент, растворяющий слой 6. Оставшаяся часть 7 слоя 6 в дальнейшем на этапе ж) служит диэлектриком, изолирующим контактную площадку 8 от подложки 1.

На этапе з) проводится ионная чистка поверхности подложки со структурами. Преследуется основная цель - очистка донышек отверстий 5 в изолирующей пленке 4, обеспечение чистоты поверхности слоя 2, вскрывшейся в отверстиях. Ионная чистка проводится, если подложка помещена в вакуумную камеру после фотолитографии для проведения лазерного нанесения анодного электрода на этапе и). Необходимость в очистке вызвана высокой чувствительностью поверхности туннельного диэлектрика к загрязнениям. Очистка должна быть проведена без выноса подложки после нее в условия открытой атмосферы до нанесения металлической пленки.

Для получения чистой поверхности полупроводника может быть, как в первом прототипе, применена лазерная очистка в восстановительной атмосфере в вакууме. Если, как во втором прототипе, процесс осаждения металла проводится в потоке смеси инертного газа с парами реагента при атмосферном давлении среды, также используется введение в поток на время лазерного очищающего воздействия примеси газообразного восстановителя.

На этапе и) после получения чистой поверхности туннельного диэлектрика в отверстиях 5 в среду вводится реагент, пиролитически разлагающийся под лазерным термическим воздействием на нагретой поверхности с выделением чистого металла и образованием участка 11' металлической пленки анодного электрода. Слой 2 и металлический слой 11 образуют структуру металл-диэлектрик-металл туннельного диода. В процессе формирования участка 11' используется лазерное импульсно-периодическое облучение поверхности слоя 4 и отверстий с перекрытием облучаемой зоной также и краев отверстия 5. После наращивания необходимой толщины слоя металла порядка 0,1-0,2 мкм в области отверстия 5 лазерный луч постепенно перемещают, создавая полоску 11 между отверстием 5 и контактной площадкой 8. Полоска 11 может служить планарной четвертьволновой линией, ее длина должна быть несколько меньше четверти длины приходящего на туннельный диод электромагнитного колебания, при этом контактная площадка должна быть высокоомной, чтобы не быть нагрузкой микрополосковой линии и служить только для отвода демодулированного диодом низкочастотного сигнала. При создании детектора более коротковолнового излучения слой 7 может быть такой толщины, что микрополосковая линия 11 располагается на его пологом склоне целиком, то есть, может быть не параллельна поверхности подложки.

В качестве контактных металлов слоя 11 используются алюминий, золото, платина, вольфрам, никель, родий, гафний, и др.

Размер отверстия 5 определяется диаметром наносферы и может располагаться в диапазоне размеров 30-300 нм; величина отверстия определяет значение электрической емкости структуры металл-диэлектрик-металл и быстродействие детектора; при диаметре отверстия 30-100 нм расчетная частота отсечки диода порядка 1-10 ТГц (длина детектируемой волны 30-300 мкм).

Вид сверху на подложку с туннельным МДМ диодом и микрополосковой линией (МПЛ) показан на фигуре 2. Видно, что отверстия 5 в пленке 4 расположены беспорядочно, полоска 11 - 11' накрывает одно из отверстий 5 с перекрытием его краев; МПЛ является отрезок этой полоски длиной L и шириной а.

Таким образом, показано, что предложенный способ изготовления детекторов обеспечивает решение поставленной задачи - увеличение разрешающей способности технологии лазерно-лучевого получения туннельных МДМ диодов и возможность в одном технологическом процессе с диодами формировать структуру микрополосковых линий.

Практическое применение изобретение может найти в технологиях изготовления чувствительных детекторных устройств терагерцового диапазона электромагнитных волн.

Техническим результатом изобретения является создание способа изготовления детекторов терагерцового диапазона электромагнитных волн.

Изобретение относится к оптическим технологиям получения структурных образований нано- и микрометровых размеров, в частности к лазерным методам формирования на подложках наноструктур, к технологиям изготовления быстродействующих детекторов электромагнитных колебаний терагерцового диапазона. Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является увеличение разрешающей способности способа лазерно-пиролитического нанесения анодного электрода туннельного МДМ диода. Сущность: в способе изготовления детекторов терагерцового диапазона электромагнитных волн с туннельными МДМ диодами, включающем последовательное формирование на поверхности полупроводниковой пластины слоя металла катода, тонкого слоя туннельного изолятора, слоя вспомогательного изолятора с отверстиями, лазерно-пиролитическое нанесение металла анода и формирование микрополосковой линии, в соответствии с изобретением, слой вспомогательного изолятора напыляют в вакууме на слой туннельного изолятора с предварительно осажденным на его поверхность слоем не соприкасающихся между собой наносфер, после чего получают отверстия удалением наносфер и затем формируют анодный электрод адресуемым лазерно-пиролитическим нанесением металла в атмосфере, содержащей пары летучего химического соединения металла, на участок вспомогательного изолятора с перекрытием краев отверстия, продолжая нанесение до формирования микрополосковой линии. 2 ил.

Способ изготовления электронных детекторов терагерцовой частоты с туннельными диодами, имеющими структуру металл-изолятор-металл, включающий последовательное формирование на поверхности полупроводниковой пластины слоя металла катода, тонкого слоя туннельного изолятора, слоя вспомогательного изолятора с отверстиями, лазерно-пиролитическое нанесение металла анода и формирование микрополосковой линии, отличающийся тем, что слой вспомогательного изолятора напыляют в вакууме на слой туннельного изолятора с предварительно осаждённым на его поверхность слоем не соприкасающихся между собой наносфер, после чего получают отверстия удалением наносфер и затем формируют анодный электрод адресуемым лазерно-пиролитическим нанесением металла в атмосфере, содержащей пары летучего химического соединения металла, на участок вспомогательного изолятора с перекрытием краёв отверстия, продолжая нанесение до формирования микрополосковой линии.