ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaN/GaN В ПЛАЗМЕ SiCl₄

PLASMA-CHEMICAL ETCHING OF InGaN/GaN HETEROSTRUCTURES IN SiCl₄ PLASMA

Husseyni Jamshed

Master’s student, Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology,

Russia, Moscow

Syrchin Vladimir Kimovich

Scientific supervisor, Doctor of Technical Sciences, Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты плазмохимического травления эпитаксиальных гетероструктур InGaN/GaN в плазме на основе тетрахлорида кремния SiCl₄, сформированной индуктивно-связанным источником РПГ-250. Приведено краткое описание экспериментальной установки, реализующей процесс: источника плазмы, реакционной и вакуумной камер, двухступенчатой безмасляной системы откачки. Травление проводилось при подводимой к источнику мощности 220 Вт и рабочем давлении (5–7) ·10⁻² Па. Глубина формируемых мезаструктур определялась методом многолучевой интерферометрии и составила 0,81 и 0,99 мкм при продолжительности процесса 15 и 20 мин, что соответствует средним скоростям травления 54 и 49,5 нм/мин. Снижение средней скорости с увеличением продолжительности процесса объясняется зависимостью скорости травления от аспектного отношения формируемой структуры. Результаты подтверждают пригодность процесса для формирования мезаструктур умеренной глубины.

ABSTRACT

The paper presents the results of plasma-chemical etching of epitaxial InGaN/GaN heterostructures in plasma based on silicon tetrachloride SiCl₄, generated by the inductively coupled plasma source RPG-250. A brief description of the experimental setup is given, including the plasma source, the reaction and vacuum chambers, and the two-stage oil-free pumping system. Etching was carried out at a source input power of 220 W and a working pressure of (5–7) ·10⁻² Pa; helium was supplied to the backside of the wafer for heat removal. The depth of the formed mesa-structures was measured by multiple-beam interferometry and amounted to 0.81 and 0.99 µm for process durations of 15 and 20 min, corresponding to average etching rates of 54 and 49.5 nm/min. The decrease in the average rate with increasing process duration is attributed to the dependence of the etching rate on the aspect ratio of the structure being formed. The results confirm the suitability of the process for forming mesa-structures of moderate depth.

Ключевые слова: плазмохимическое травление, гетероструктуры InGaN/GaN, мезаструктуры, тетрахлорид кремния, индуктивно-связанная плазма, источник РПГ-250, скорость травления.

Keywords: plasma-chemical etching, InGaN/GaN heterostructures, mesa-structures, silicon tetrachloride, inductively coupled plasma, RPG-250 source, etching rate.

ВВЕДЕНИЕ

Гетероструктуры на основе InGaN/GaN служат базовым материалом современной оптоэлектроники видимого диапазона — на них строятся светодиоды, лазерные диоды и излучатели для дисплейной техники. Изготовление таких приборов требует формирования мезаструктур, то есть локальных возвышений, при создании которых вскрываются нижележащие слои гетероструктуры для последующего нанесения раздельных контактов. Геометрическая точность и качество боковых стенок этих структур напрямую определяют электрические и оптические характеристики готового прибора.

Жидкостные методы травления в значительной степени исчерпали свой технологический потенциал. Их изотропный характер не позволяет формировать структуры с вертикальными стенками, а материалы с высокой энергией межатомных связей практически не поддаются жидкостной обработке: высокая энергия связи в GaN делает его химически инертным. Это обусловило применение сухого (плазмохимического) травления как процесса, обеспечивающего необходимое сочетание скорости, селективности и анизотропии. Для формирования мезаструктур в нитридных гетероструктурах наиболее эффективны источники индуктивно-связанной плазмы (ИСП, ICP), генерирующие высокоплотную плазму при пониженных давлениях и допускающие раздельное управление плотностью плазмы и энергией ионов.

Для плазмохимического травления нитридных полупроводников применяют хлорсодержащую плазму, поскольку продукты взаимодействия галлия с хлором представляют собой летучие хлориды. Использование тетрахлорида кремния SiCl₄ в качестве хлорсодержащего компонента имеет ряд преимуществ: он менее химически агрессивен, чем чистый хлор, а образующийся в процессе кремнийсодержащий осадок пассивирует боковые стенки профиля, повышая анизотропию травления. Это делает SiCl₄-химию перспективной для формирования мезаструктур в гетероструктурах InGaN/GaN.

В условиях ограничения доступа к зарубежному технологическому оборудованию создание отечественной приборной базы для процессов плазмохимического травления приобретает особую значимость. В настоящей работе представлены результаты плазмохимического травления гетероструктур InGaN/GaN в плазме на основе SiCl₄. Приведено краткое описание установки, режимы процесса, полученные скорости травления слоёв InGaN и профили формируемых мезаструктур.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Травление проводилось на установке плазмохимического травления, построенной на базе отечественного источника индуктивно-связанной плазмы РПГ-250 («Лаборатория вакуумных технологий плюс», г. Москва). Конструктивная схема установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Конструктивные узлы установки

1 — реакционная камера; 2 — камера нижняя; 3 — верхний фланец с источником РПГ-250; 4 — согласующее устройство источника плазмы РПГ-250; 5 — лазерный измеритель; 6 — затвор; 7 — нижний фланец; 8 — рабочий стол; 9 — механизм подъема платформы стола; 10 — согласующее устройство рабочего стола; 11 — электромагнитная катушка; 12 — магнитная изоляция; 13 — шлюз.

Рисунок 2. Внешний вид установки плазмохимического травления

Источником плазмы служит РПГ-250 — компактный индуктивно-связанный источник на основе многозаходной планарной спиральной антенны с внешним диаметром 250 мм, что обеспечивает равномерную обработку подложек диаметром до 150 мм. Антенна выполнена из медной трубки с водяным охлаждением и отделена от плазмы кварцевым окном толщиной 4 мм. Концентрация передаваемой мощности в ограниченном объёме позволяет уже при ВЧ-мощности 200–800 Вт (частота 13,56 МГц) достигать плотности плазмы порядка 10¹² см⁻³, что необходимо для эффективного анизотропного травления при пониженных давлениях [1].

еакционная и вакуумная камеры имеют цилиндрическую форму и выполнены из аустенитной нержавеющей стали AISI 304L, химически стойкой к хлорсодержащей среде и немагнитной (μᵣ ≈ 1), что исключает искажение конфигурации удерживающего магнитного поля. Вакуумная камера имеет внутренний диаметр 300 мм и высоту 280 мм, в ней размещаются рабочий стол с подложкодержателем, патрубки шлюза и высоковакуумного насоса. Реакционная камера устанавливается на вакуумную и несёт на верхнем фланце источник РПГ-250. Корпуса камер снабжены водяной охлаждающей рубашкой для отвода теплоты.

Рисунок 3. Плотность ионного тока в зависимости от мощности, подводимой к антенне, при фиксированных значениях расхода различных газов [1]

Рабочий вакуум обеспечивается двухступенчатой безмасляной системой откачки, включающей турбомолекулярный насос и форвакуумный спиральный насос. Отсутствие рабочих жидкостей исключает загрязнение технологического объёма парами масла и обеспечивает совместимость с агрессивными хлорсодержащими газами и продуктами их диссоциации. Система обеспечивает рабочее давление в реакционной камере на уровне (5–7) 10⁻² Па. Подача и регулирование расхода рабочих газов осуществляются с помощью регуляторов расхода газа (РРГ). Загрузка пластин в технологический объём производится через шлюзовую камеру без развакуумирования рабочего пространства.

Подвод высокочастотной мощности к антенне источника и к подложкодержателю осуществляется от двух независимых ВЧ-генераторов на частоте 13,56 МГц через согласующие устройства, что позволяет раздельно регулировать плотность плазмы и энергию ионов, бомбардирующих подложку.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве образцов использовались эпитаксиальные гетероструктуры InGaN/GaN. На поверхности эпитаксиального слоя методом фотолитографии предварительно формировалась маска из позитивного фоторезиста серии DSAM (Dongjin Semichem), задающая топологию мезаструктур.

Перед загрузкой в шлюзовую камеру установки пластина устанавливалась на подложкодержатель через тонкий слой эвтектического сплава галлий–индий (Ga–In) с температурой плавления около 16 °C. Остающийся при комнатной температуре в жидкотекучем состоянии слой эвтектики обеспечивает одновременно механическую фиксацию пластины и кондуктивный тепловой контакт с подложкодержателем, через который отводится теплота, выделяющаяся на пластине вследствие ионной бомбардировки и протекания плазмохимических реакций. Отвод теплоты обеспечивается подачей гелия между подложкодержателем и рабочим столом через каналы рабочего стола.

Травление проводилось в плазме на основе тетрахлорида кремния SiCl₄. По завершении травления реакционная камера циклически продувалась техническим азотом с откачкой для удаления остаточных хлорсодержащих продуктов реакции (SiClₓ, GaClₓ, InClₓ).

Контроль глубины и скорости травления в ходе процесса осуществлялся лазерным интерферометрическим измерителем толщины ЛИТ-1, источником излучения в котором служит полупроводниковый лазер с длиной волны 638 нм. Принцип измерения основан на интерференции лазерного луча, отражённого от верхней и нижней границ стравливаемого слоя: по мере изменения толщины слоя интенсивность отражённого сигнала периодически меняется. Подключение измерителя к контроллеру установки позволяет рассчитывать текущую глубину и скорость травления непосредственно во время процесса и отображать их в реальном времени, что даёт возможность контролировать ход травления и фиксировать момент его завершения. Глубина травления связана с числом зарегистрированных периодов сигнала соотношением:

где Δ — глубина травления; λ — длина волны лазерного излучения; k — число полупериодов синусоиды, образующейся при травлении материала; n — показатель преломления стравливаемого материала [2].

Финальное значение глубины вытравленных мезаструктур определялось после извлечения пластины методом многолучевой интерферометрии на микроинтерферометре МИИ-4М. Метод основан на наблюдении интерференционной картины, формируемой при наложении волновых фронтов, отражённых от исследуемой и опорной поверхностей. При пересечении интерферирующим пучком границы ступени между поверхностью маски и дном вытравленной области интерференционные полосы испытывают разрыв и смещение, пропорциональное глубине ступени. Глубина рассчитывалась по соотношению

где N — число интерференционных полос, на которое сместилась картина; λ = 0,54 мкм — длина волны зелёного светофильтра микроинтерферометра. Цена одной полосы составляет λ/2 = 0,27 мкм; при дробных значениях N линейная интерполяция между соседними полосами обеспечивает погрешность не хуже ±0,05 мкм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Технологический режим, при котором проводилось травление, определялся экспериментально по критерию устойчивого горения разряда при минимальном уровне отражённой высокочастотной мощности. Установленные параметры процесса приведены в таблице 1.

Низкий уровень отражённой мощности - не более 5 % от подводимой по цепи источника и не более 10 % по цепи подложкодержателя — свидетельствует об удовлетворительном согласовании высокочастотных трактов с нагрузкой и об устойчивом горении индуктивно-связанного разряда в указанном режиме.

Таблица 1.

Параметры режима плазмохимического травления InGaN/GaN

Интерференционная картина поверхности образца после травления в течение 15 мин, полученная на микроинтерферометре МИИ-4М, приведена на рисунке 2. На снимке различимы группы интерференционных полос, соответствующие перепаду оптической разности хода при пересечении границы мезаструктуры.

Подсчёт числа полос с учётом их дробного смещения даёт значение N ≈ 3, что соответствует глубине травления h₁ = 0,81 мкм. Контрольный эксперимент, выполненный в том же технологическом режиме при увеличении продолжительности процесса до 20 мин, дал глубину h₂ = 0,99 мкм. Расчётная скорость травления, определённая по соотношению V = h/t, составила 54 нм/мин для эксперимента продолжительностью 15 мин и 49,5 нм/мин при прошествии 20 мин.

Рисунок 4. Интерференционная картина поверхности образца GaN после плазмохимического травления (МИИ-4М, λ = 0,54 мкм, время травления 15 мин)

Снижение средней скорости травления при увеличении продолжительности процесса от 15 к 20 мин является закономерным и согласуется с известным для плазмохимического травления эффектом зависимости скорости от аспектного отношения формируемой структуры. По мере углубления мезаструктуры затрудняются подвод активных частиц травителя ко дну профиля и отвод газообразных продуктов реакции из него, вследствие чего вертикальная скорость травления постепенно снижается. Таким образом, бóльшая средняя скорость, полученная за 15 мин, отражает менее заторможенный этап процесса, тогда как значение за 20 мин усредняется уже с учётом замедления на большей глубине.

Полученные скорости травления (54 и 49,5 нм/мин) соответствуют по порядку величины известным значениям для плазмохимического травления нитридных слоёв в хлорсодержащей плазме на основе SiCl₄ при сопоставимых уровнях подводимой мощности и рабочего давления. Достигнутые глубины мезаструктур (0,81 и 0,99 мкм) и устойчивость режима подтверждают пригодность реализованного процесса для формирования мезаструктур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены результаты плазмохимического травления эпитаксиальных гетероструктур InGaN/GaN в плазме на основе SiCl₄, сформированной индуктивно-связанным источником РПГ-250.

Реализован устойчивый режим травления, характеризующийся стабильным горением индуктивно-связанного разряда при низком уровне отражённой высокочастотной мощности (не более 5–10 % от подводимой) и стабильным автосмещением на подложкодержателе.

Методом многолучевой интерферометрии определены глубины формируемых мезаструктур, составившие 0,81 мкм при продолжительности процесса 15 мин и 0,99 мкм при 20 мин. Соответствующие средние скорости травления составили 54 и 49,5 нм/мин. Снижение средней скорости при увеличении продолжительности процесса согласуется с характерной для плазмохимического травления зависимостью скорости от аспектного отношения формируемой структуры.

Полученные результаты подтверждают пригодность реализованного процесса для формирования мезаструктур умеренной глубины. Формирование более глубоких структур в настоящей работе не исследовалось и требует отдельной проверки при увеличенной продолжительности травления.

Список литературы:

1. Берлин Е. В., Григорьев В. Ю., Сейдман Л. А. Индуктивные источники высокоплотной плазмы и их технологические применения. М. : Техносфера, 2010. 545 с.
2. Берлин Е. В., Сейдман Л. А. Ионно-плазменные процессы в тонкоплёночной технологии. М. : Техносфера, 2010. 528 с.