Плазмохимическое травление InP/InGaAs гетероструктуры в индуктивно связанной плазме Cl2/Ar/N2 для формирования оптических волноводных структур

Ишуткин Сергей Владимирович; Арыков Вадим Станиславович; Жидик Юрий Сергеевич; Троян Павел Ефимович

УДК 621.382.032.27

С.В. Ишуткин, В.С. Арыков, Ю.С. Жидик, П.Е. Троян

Плазмохимическое травление 1пР/!п0аЛз гетероструктуры в индуктивно связанной плазме С12/Лг/М2 для формирования оптических волноводных структур

Представлены результаты разработки процесса плазмохимического травления 1пРЛпОаЛ8 в индуктивно связанной плазме в газовой смеси С12/Лг/Ы2. Показаны зависимости влияния режимов процесса на профиль и шероховатость поверхности формируемых волноводных структур.

Ключевые слова: оптоэлектроника, фосфид индия, плазмохимическое травление, волноводные структуры. ао1: 10.21293/1818-0442-2018-21-4-28-32

В настоящее время оптоэлектроника является динамично развивающимся направлением науки и техники. При создании интегральных оптоэлектрон-ных устройств 1пР является одним из базовых материалов, позволяющих создавать как активные, так и пассивные элементы (в частности, электрооптические модуляторы, волноводы, делители оптического излучения и др.) [1]. Создание оптоэлектронных приборов зачастую требует формирования волноводных структур с высоким аспектным соотношением. Использование методов жидкостного химического травления позволяет получить гладкую поверхность с минимальным уровнем дефектов. Однако контроль профиля травления в данных методах ограничен [2], вследствие чего они редко используются для формирования элементов с высоким аспект-ным соотношением. Для получения волноводных структур с высоким аспектным соотношением и низкой шероховатостью поверхности используются методы плазмохимического травления (ПХТ). Одним из таких методов, получивших наибольшее распространение, является ПХТ в индуктивно связанной плазме. Преимуществом данного метода является возможность независимого управления плотностью и энергией ионов плазмы, что позволяет гибко управлять режимами травления [3].

Для ПХТ 1пР наибольшее распространение получили процессы с использованием газовых смесей на основе СН4/Н2 и С12 [3-15]. Травление в газовой смеси СН4/Н2 позволяет получить гладкую поверхность после травления с высоким аспектным соотношением формируемых структур. В то же время недостатками процессов на СН4/Н2 являются низкая скорость травления вследствие образования и переосаждения пассивирующего полимера, а также проникновение водорода в подложку, что может вызвать деградацию параметров устройств [7].

Другим широко используемым подмножеством процессов травления 1пР является травление в хлор-содержащей плазме. Для получения профиля структур с высоким аспектным соотношением в состав газовой смеси вводятся пассивирующие добавки N 02 и др. [3-8, 13-15]. Травление ШваЛБ может быть проведено совместно с 1пР с использованием хлор-содержащей плазмы. Однако процессам на основе

хлора, также присущи свои недостатки. Образующиеся в процессе травления InClx соединения обладают низкой летучестью при комнатной температуре. Переосаждение InClx на подложку может приводить к высокому уровню шероховатости поверхности формируемых структур. Для решения данной проблемы обычно перед травлением подложка нагревается до 150 °С и выше [3-6, 8, 9], что повышает требования к установке для травления. В работе [15] представлено травление InP в индуктивно связанной плазме Cl2/N2 при комнатной температуре. Показано, что можно эффективно управлять десорбцией InClx пленок с поверхности подложки за счет усиления роли физической составляющей процесса травления.

В данной работе представлены результаты разработки процесса ПХТ InP/InGaAs в индуктивно связанной плазме Cl2/Ar/N2 без предварительного нагрева подложки для формирования волноводных структур с высоким аспектным соотношением и низкой шероховатостью поверхности.

Методика эксперимента

В экспериментах были использованы полуизолирующие подложки InP, на поверхности которых была сформирована InP/InGaAs р-/'-п-гетероструктура.

Для травления InP на поверхности подложки формировалась маска нитрида кремния толщиной 300 нм. Осаждение пленки нитрида кремния проводилось методом плазмохимического осаждения из газовой фазы. Далее в диэлектрике методом ПХТ в индуктивно связанной плазме по однослойной маске фоторезиста выполнялось формирование линий различной ширины (1-3 мкм). Маска фоторезиста формировалась методом контактной литографии.

После снятия фоторезиста пластины делились на образцы с площадью около 1 см2. Далее на установке Corial 200IL проводилось ПХТ InP/InGaAs в индуктивно связанной плазме с использованием газовой смеси Cl2/Ar/N2 в различных режимах. В режимах травления менялись: состав газовой смеси, величина мощности, приложенной между электродами (radio frequency power - W№), давление процесса. Величина мощности индуктивного (inductively coupled plasma power - WICP) разряда во всех

режимах была зафиксирована на уровне 700 Вт, поток Аг составлял 20 см3/мин.

После травления образцы раскалывались поперек сформированных элементов рельефа. Контроль образцов проводился с использованием метода сканирующей электронной микроскопии на установке ЯшШ 150^о. На образцах контролировались: профиль, глубина травления и толщина нарушенного слоя. Результаты эксперимента и обсуждение На рис. 1 и 2 представлены микроскопические изображения профиля травленых структур и зависимость скорости травления 1пР в плазме С12/Аг/Ы2 от соотношения потоков азота и хлора, при фиксированных значениях мощности 100 Вт и давлении процесса 5 мТорр.

а У

А А

1 1 мкм 1 ртггшдд

M

Рис. 1. Микроскопические изображения поперечного сечения структур, сформированных после травления в плазме С12/Аг/Ы2 с разным соотношением потоков Ы2/С12: (а) 0/30; (б) 10/20; (в) 15/15 и (г) 20/10 см3/мин, при мощности Щ^р, равной 100 Вт, и давлении процесса 5 мТорр

Как видно из рис. 1, а при травлении в плазме С12/Аг наблюдается значительный боковой подтрав 1пР. Увеличение доли азота в составе газовой смеси приводило к монотонному уменьшению величины бокового подтрава, и при равных потоках азота и хлора (рис. 1, в) боковой подтрав практически отсутствовал.

Из рис. 2 видно также, что увеличение доли азота в составе газовой смеси приводило к снижению скорости травления 1пР. Зависимость скорости травления от соотношения потоков азота и хлора имела нелинейный вид с явно прослеживающейся тенденцией к насыщению. Более резкое снижение скорости травления 1пР в сравнении со снижением содержания хлора в составе газовой смеси свидетельствует о том, что на снижение скорости травления 1пР помимо снижения концентрации ионов хлора влияло формирование пассивирующего слоя на поверхности 1пР.

На рис. 3 и 4 представлены микроскопические изображения профиля травленых структур и зависимости скорости травления 1пР и толщины нарушенного слоя после травления в плазме С12/Аг/Ы"2 от величины Щкр мощности при фиксированных соот-

ношениях потоков азота и хлора 20 и 10 см3/мин соответственно и давлении процесса 5 мТорр. 5 3.5-

Ш В.

Z

Е, о

3.02.52,0 1,5 1,00.5 0,0

Ас

1,5

2,0

0,0 0,5 1,0

У Соотношение потоков Ы>/С!,, отн. ед.

Рис. 2. Зависимость скорости травления 1пР в плазме С12/Аг/Ы2 от соотношения потоков Ы2/С12 при общем потоке N + С12, равном 30 см3/мин; мощности Щкр, равной 100 Вт, и давлении процесса 5 мТорр

| а Д

Поонм

I П Я

лЯШШ^^Ш

ршЁТИ

1 ^ ^ л _J

гШ

11 мкм 1

Рис. 3. Микроскопические изображения поперечного сечения травленых структур после травления в плазме С12/Аг/Ы2 при разных значениях Щкр мощности: (а) 25; (б) 50; (в) 75 и (г) 200 Вт, при соотношении потоков Ы2/С12, равном 20/10 см3/мин, и давлении процесса 5 мТорр

= Ш

3 . S U-

Я 0.9

к S X

| 0.6

0.3

0.0-

,1,5 Е

1.2

0,9

0,6

0,3 «

50

100

150

200

0,0

Мощность КГ, Вт

Рис. 4. Зависимости скорости травления 1пР в плазме С12/Аг/Ы2 и толщины нарушенного слоя после травления от Щкр мощности, при соотношении потоков Ы2/С12, равном 20/10 см3/мин, и давлении процесса 5 мТорр

Как видно из рис. 3 и 4, с повышением величины Щкр мощности и фиксированных остальных параметрах процесса скорость травления 1пР линейно возрастала, достигнув 1 мкм/мин при мощности 200 Вт. Также с повышением мощности увеличива-

лась анизотропия процесса травления. Но еще более резкий рост наблюдался в толщине нарушенного слоя. Если при величине мощности равной 25 Вт, после процесса травления наблюдалась гладкая морфология поверхности 1пР, формирование нарушенного слоя не прослеживалось, то при повышении мощности до 50 Вт толщина нарушенного слоя после травления составляла порядка 0,13 мкм, а дальнейший рост мощности до 75 нм приводил к скачкообразному увеличению толщины слоя до 0,55 мкм, достигнув 1,5 мкм при мощности разряда 200 Вт.

На рис. 5 представлены зависимости толщины нарушенного слоя и угла наклона вертикальных поверхностей элементов сформированных после травления в плазме С12/Лг/М2 от величины давления процесса при фиксированных соотношениях потоков азота и хлора 20 и 10 см3/мин соответственно и величине ^ и? мощности равной 100 Вт.

10001-90

сти InP после травления. Скорость травления InP составила 0,55-0,6 мкм/мин.

3

Е

К

ß

sou

600-

400

200

ti87

84

81

78

75

I0

20

30

Давление, мТорр

Рис. 5. Зависимости толщины нарушенного слоя и угла наклона профиля формируемых элементов после травления в плазме Cl2/Ar/N2 от величины давления процесса, при соотношении потоков N2/Cl2, равном 20/10 см3/мин, и мощности WRF, равной 100 Вт

Из зависимостей на рис. 5 видно, что повышение общего давления процесса с 5 до 30 мТорр при зафиксированных остальных параметрах процесса привело к монотонному уменьшению толщины нарушенного слоя с 0,55 мкм до величины менее 0,03 мкм. Также увеличение давления привело к улучшению анизотропности процесса. При максимальном использованном давлении угол наклона вертикальных поверхностей формируемых элементов достиг 87 град.

Наиболее оптимальное формирование элементов рельефа происходило при следующих параметрах процесса травления: состав газовой смеси Cl2/Ar/N2 10/20/20 см3/мин, мощность WRF равна 100 Вт, при мощности WICP, равной 700 Вт, и давлении процесса 30 мТорр. На рис. 6 показано микроскопическое изображение поперечного сечения травленной InP/InGaAs гетероструктуры после травления в плазме Cl2/Ar/N2 с использованием оптимизированного режима травления. Как видно из рисунка, разработанный процесс характеризуется высокой анизотропностью и гладкой морфологией поверхно-

Рис. 6. Микроскопическое изображение поперечного сечения травленной InP/InGaAs гетероструктуры при соотношении потоков N2/Cl2, равном 20/10 см3/мин, мощности WRF, равной 100 Вт, и давлении процесса 30 мТорр

Заключение

В данной работе представлены результаты исследования процесса плазмохимического травления InP/InGaAs гетероструктуры в индуктивно связанной плазме Cl2/Ar/N2. Разработанный процесс травления характеризуется высокой анизотропностью (угол наклона профиля травления составляет 87 град), скорость травления InP достигает 0,55-0,6 мкм/мин, при этом глубина нарушенного слоя не превышает 30 нм. Преимуществом процесса также является отсутствие необходимости предварительного разогрева подложки. Разработанный процесс может быть использован для формирования волноводных структур с высоким аспектным соотношением в оптических приборах на InP.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках соглашения № 14.577.21.0281 от 23.10.17, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57717X0281.

Литература

1. Status and progress in InP optoelectronic processing: toward higher levels of integration / J.L. Pleumeekers, R.P. Schneider, A. Mathur et al. // CS Mantech Conference. -Vancouver, 2006. - P. 115-118.

2. Wet chemical etching of alignment V-grooves in (100) InP through titanium or In0.53Ga0.47As masks / R. Klockenbrink, E. Peiner, H.-H. Wehmann, A. Schlachetzki // J. Elec-trochem. Soc. - 1994. - Vol. 141, № 6. - P. 1594-1599.

3. Deng L. Dry etching of InP-based materials using a high-density ICP plasma system // Semiconductor today Compounds & Advanced Silicon. - 2013. - Vol. 7, № 10. - P. 82-87.

4. Deep etching of DBR gratings in InP using Cl2 based ICP processes / B. Docter, E.J. Geluk, M.J.H. Sander-Jochem, F. Karouta, M.K. Smit // Proceeding Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter. - Eindhoven, 2006. - P. 97-100.

5. Effect of H2 on the etch profile of InP/InGaAsP alloys in Cl2/Ar/H2 inductively coupled plasma reactive ion etching chemistries for photonic device fabrication / S.L. Rommel,

J.-H. Jang, W. Lu et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. - 2002. -Vol. 20, № 4. - P. 1327-1330.

6. Carlstrom C.F. Cl2/O2-inductively coupled plasma etching of deep hole-type photonic crystals in InP / C.F. Carlstrom, R. van der Heijden, F. Karouta, R.W. van der Heijden, H.W.M. Salemink // J. Vac. Sci. Technol. B. - 2006. - Vol. 24, № 1. - P. 1306-1309.

7. Anisotropic etching of InP and InGaAs by using an inductively coupled plasma in Cl2/N2 and Cl2/Ar mixtures at low bias power / J.W. Bae, C.H. Jeong, J.T. Lim et al. // J. of Korean Phys. Soc. - 2007. - Vol. 50, № 4. - P. 1130-1135.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Comparative study of Cl2, Cl2/O2, and Cl2/N2 inductively coupled plasma processes for etching of high-aspect-ratio photonic crystals holes in InP / C.F. Carlstrom, R. van der Heijden, M.S.P. Andriesse et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. -2008. - Vol. 26, № 5. - P. 1675-1683.

9. Siwak N.P. Fabrication challenges for indium phosphide microsystems / N.P. Siwak, X.Z. Fan, R. Ghodssi // J. Micromech. Microeng. - 2015. - Vol. 25. - P. 1317-1331.

10. Deep dry etching process development for InP-based photonic crystals / R. van der Heijden, E. van der Drift, E.J. Geluk et al. // Proceeding Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter. - Enschede, 2003. - P. 257-260.

11. Investigation of InP etching mechanisms in a Cl2/H2 inductively coupled plasma by optical emission spectroscopy / L. Gatilova, S. Bouchoule, S. Guilet, P. Chabert // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2009. - Vol. 27, № 2. - P. 262-275.

12. Effect of Cl2- and HBr-based inductively coupled plasma etching on InP surface composition analyzed using in situ x-ray photoelectron spectroscopy / S. Bouchoule, L. Val-lier, G. Patriarche, T. Chevolleau, C. Cardinaud // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2012. - Vol. 30, № 3. - P. 1116-1127.

13. ICP etching of InP and its applications in photonic circuits / Y.C. Zhu, F. Karouta, E.J. Geluk et al. // Proceeding Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter. - Enschede, 2003. - P. 81-84.

14. Vertical and smooth, etching of InP by Cl2/CH4/Ar inductively coupled plasma at room temperature / C.Z. Sun, J.B. Zhou, B. Xiong, J. Wang, Y. Luo // Chin. Phys. Lett. -2003. - Vol. 20, № 8. - P. 1312-1314.

15. Chee-Wei L. Room-temperature inductively coupled plasma etching of InP usind Cl2/N2 and Cl2/CH4/H2 / L. Chee-Wei, C. Mee-Koy // Chin. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 23, № 4. -P. 903-906.

Ишуткин Сергей Владимирович

Канд. техн. наук, вед. инженер

НПК «Микроэлектроника», АО «НПФ «Микран»

Тел.: +7-923-405-56-58

Эл. почта: [email protected]

Арыков Вадим Станиславович

Канд. техн. наук, м.н.с. каф. ФЭ Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Тел.: +7-903-953-10-37 Эл. почта: [email protected]

Жидик Юрий Сергеевич

Аспирант каф. ФЭ ТУСУРа Тел.: +7-923-414-12-32 Эл. почта: [email protected]

Троян Павел Ефимович

Д-р техн. наук, профессор каф. ФЭ, директор департамента образования ТУСУРа Тел.: 8 (383-2) 41-39-36 Эл. почта: [email protected]

Ishutkin S.V., Arykov V.S., Zhidik Y.S., Troyan P.E. Inductively coupled plasma etching of InP/InGaAs heterostructure for optical waveguide structures

In the paper are shown the results of the development of inductively coupled plasma etching process of InP / InGaAs in the gas mixture Cl2/Ar/N2. The dependences of the influence of process parameters on the profile and surface roughness of the waveguide structures are shown.

Keywords: optoelectronics, indium phosphide, plasma-chemical etching.

doi: 10.21293/1818-0442-2018-21-4-28-32

References

1. Status and progress in InP optoelectronic processing: toward higher levels of integration / J.L. Pleumeekers, R.P. Schneider, A. Mathur et al. // CS Mantech Conference. Vancouver, 2006, рр. 115-118.

2. Wet chemical etching of alignment V-grooves in (100) InP through titanium or In0.53Ga0.47As masks / R. Klockenbrink, E. Peiner, H.-H. Wehmann, A. Schlachetzki // J. Elec-trochem. Soc. 1994., vol. 141, № 6, pp. 1594-1599.

3. Deng L. Dry etching of InP-based materials using a high-density ICP plasma system // Semiconductor Today Compounds & Advanced Silicon. 2013, vol. 7, № 10, pp. 8287.

4. Deep etching of DBR gratings in InP using Cl2 based ICP processes / B. Docter, E.J. Geluk, M.J.H. Sander-Jochem,

F. Karouta, M.K. Smit // Proceeding Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter. Eindhoven, 2006, pp. 97-100.

5. Effect of H2 on the etch profile of InP/InGaAsP alloys in Cl2/Ar/H2 inductively coupled plasma reactive ion etching chemistries for photonic device fabrication / S.L. Rommel, J.-H. Jang, W. Lu et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2002, vol. 20, № 4, pp. 1327-1330.

6. Cl2/O2-inductively coupled plasma etching of deep hole-type photonic crystals in InP / C.F. Carlstrom, R. van der Heijden, F. Karouta, R.W. van der Heijden, H.W.M. Salemink // J. Vac. Sci. Technol. B. 2006, vol. 24, № 1. pp. 1306-1309.

7. Anisotropic etching of InP and InGaAs by using an inductively coupled plasma in Cl2/N2 and Cl2/Ar mixtures at low bias power / J.W. Bae, C.H. Jeong, J.T. Lim, H.C. Lee,

G.Y. Yeom, I. Adesida // J. of Korean Phys. Soc. 2007, vol. 50, № 4, pp. 1130-1135.

8. Comparative study of Cl2, Cl2/O2, and Cl2/N2 inductively coupled plasma processes for etching of high-aspect-ratio photonic crystals holes in InP / C.F. Carlstrom, R. van der Heijden, M.S.P. Andriesse, F. Karouta et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2008, vol. 26, № 5, pp. 1675-1683.

9. Siwak N.P. Fabrication challenges for indium phosphide microsystems / N.P. Siwak, X.Z. Fan, R. Ghodssi // J. Micromech. Microeng. 2015, vol. 25, pp. 1317-1331.

10. Deep dry etching process development for InP-based photonic crystals / R. van der Heijden, E. van der Drift, E.J. Geluk et al. // Proceeding Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter. Enschede, 2003, pp. 257-260.

11. Investigation of InP etching mechanisms in a Cl2/H2 inductively coupled plasma by optical emission spectroscopy /

L. Gatilova, S. Bouchoule, S. Guilet, P. Chabert // J. Vac. Sci. Technol. A. 2009, vol. 27, № 2, pp. 262-275.

12. Effect of Cl2- and HBr-based inductively coupled plasma etching on InP surface composition analyzed using in situ x-ray photoelectron spectroscopy / S. Bouchoule, L. Val-lier, G. Patriarche, T. Chevolleau, C. Cardinaud // J. Vac. Sci. Technol. A. 2012, vol. 30, № 3, pp. 1116-1127.

13. ICP etching of InP and its applications in photonic circuits / Y.C. Zhu, F. Karouta, E.J. Geluk et al. // Proceeding Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter. Enschede, 2003, pp. 81-84.

14. Vertical and smooth, etching of InP by Cl2/CH4/Ar inductively coupled plasma at room temperature / C.Z. Sun, J.B. Zhou, B. Xiong, J. Wang, Y. Luo // Chin. Phys. Lett. -2003. vol. 20, № 8, pp. 1312-1314.

15. Chee-Wei L. Room-temperature inductively coupled plasma etching of InP usind Cl2/N2 and Cl2/CH4/H2 / L. Chee-Wei, C. Mee-Koy // Chin. Phys. Lett. 2006, vol. 23, № 4, pp. 903-906.

Sergey V. Ishutkin

PhD, Principal Engineer of the Technological Research Group

of Microelectronics Department, MICRAN,

Research and Production Company

51 d, Kirov аv., Tomsk, Russia, 634041

Phone: +7-923-405-56-58

Email: [email protected]

Vadim S. Arykov

PhD, Assistant Scientist of the Department of Physical

Electronics, Tomsk State University of Control Systems

and Radioelectronics (TUSUR)

40, Lenin pr., Tomsk, Russia, 634050