高溫下各向異性地蝕刻多層結構的製作方法

2023-05-10 22:37:46

專利名稱：高溫下各向異性地蝕刻多層結構的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及半導體製造領域。更具體地，本發明涉及在相對高的襯底溫度上使用溴化氫和氮氣的組合，以在等離子體蝕刻體系中為含銦的材料提供基本上無刻痕和乾淨的各向異性蝕刻的方法。
背景技術：
含銦的多層結構(InP、InGaAs和InGaAsP)在製作光電子器件中越來越重要，該光電子器件包括垂直腔表面發射的雷射器和脊形波導管。用於幹法蝕刻含銦材料的大多數方法包括使用甲烷/氫氣混合物(CH4/H2)和氯基等離子體。儘管CH4/H2基等離子體已經廣泛用於蝕刻InP，但蝕刻速度很慢，且聚合物沉積作用導致蝕刻器和蝕刻樣品的汙染。對於大量製造，慢的蝕刻速度和不穩定的蝕刻條件是不可接受的。已經報導氯基化學組成用來在200℃左右的襯底溫度下以高蝕刻速度蝕刻InP，使InP具有光滑表面。
但是，我們已經發現氯基化學組成(Cl2、BCl3)由於對這些材料不同的蝕刻速度，將在多層結構中產生刻痕。我們已經發現，該刻痕的形成將妨礙後續的處理步驟如再生長。還已經報導了，溴基化學組成如HBr和Br2可用來蝕刻InP，但是HBr或HBr/Ar等離子體通常導致嚴重的底切，這對於進一步處理是不可接受的。
垂直蝕刻是對於這些應用的主要需求，所以附加的氣體已經添加到等離子體中以改善側壁的鈍化和消除底切。最通常的方法是使用烴如CH4，以在側壁上形成烴聚合物來防止底切。儘管聚合物的形成有助於減少底切，但是我們已經發現在側壁上形成的聚合物將導致再生長的失敗。因此，有必要在蝕刻後去除聚合物。典型地，該聚合物通過在原位置使用氧等離子體或商業剝離器去除。但是，這個額外的處理步驟增加了工藝成本。因而，減少或消除任何蝕刻後的清潔處理的需求將非常有利。另外，蝕刻過程中在室內形成的高分子聚合物沉積物將導致在幾個工藝周期後逐步的工藝變化。
已經報導氮氣(N2)作為添加劑添加到氣體混合物中以改善被蝕刻剖面的垂直性。Satoshi等人所做的先前工作公開了在下列工藝尺寸內的活性離子束構造中使用Br2/N2化學組成N20.23毫託Br20-0.1毫託溫度 40-200℃。
為了達到光滑的垂直側壁，Satoshi方法限制在Br2的壓力為0.04毫託或更小，溫度高於100℃。
Thomas等人公開了在電感耦合等離子體(ICP)體系中用於InP蝕刻的Cl2/Ar/N2基方法。該方法在180℃的高溫下操作，並導致了1.6μm/min的蝕刻速度和對於InGaAs/InP/InGaAsP外延堆的垂直特徵側壁。
Chino等人(美國專利號5,968,845和6,127,201)公開了使用滷素/氮氣氣體混合物在100℃至200℃溫度範圍內各向同性地蝕刻具有光滑被蝕刻表面的InP。
Lishan等人(會議論文集，GaAs MANTECH，2001)已經公開了在溫度範圍(25℃-160℃)內用於蝕刻InP的氫/溴(HBr、HBr/Ar、HBr/He)基的方法。室溫方法導致較慢的InP蝕刻速度(＜2000/min)和傾斜的特徵剖面。在高溫下的蝕刻導致較高的蝕刻速度(～1μm/min)和適合下遊的剝離(lift-off)金屬化方法的底切特徵剖面。
發明概述本發明的優選實施方案涉及各向異性幹法蝕刻包含銦的化合物半導體異質結構。最優選地，半導體異質結構包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一種。依照本方法，異質結構的表面被選擇性掩蔽。然後將被掩蔽的異質結構暴露於包括溴化氫和氮氣的混合物的等離子體，以在通常垂直於主表面的方向上各向同性地蝕刻異質結構的未掩蔽部分，並在層界面上沒有引起刻痕。蝕刻優選以至少2μm/min的速度和近似5毫託的壓力用電感耦合的等離子體蝕刻體系實施。其他等離子體技術如RIE、ECR或Helicon同樣可以使用。半導體異質結構保持在160℃以上的溫度。
本發明的另一個實施方案涉及在蝕刻室內半導體襯底中蝕刻基本上垂直的特徵的方法。蝕刻室內半導體襯底上的溫度保持在近似160℃以上。掩模沉積在半導體襯底上。然後用溴化氫和氮氣的混合物蝕刻半導體襯底。
本發明的還一個實施方案涉及在包含至少一些銦的半導體襯底中蝕刻一個特徵的設備，其中該特徵基本上垂直於半導體襯底的表面。該設備包括保持半導體襯底溫度在近似160℃以上的溫度的加熱器。氣體供給提供了溴化氫和氮氣的混合物，用於蝕刻半導體襯底。在蝕刻半導體襯底過程中，電感耦合等離子體源以至少2μm/min的速度蝕刻半導體襯底，而壓力調節器保持近似5毫託的壓力。
上述方法和器械是有利的，因為它們在具有光滑側壁的半導體襯底上產生基本上垂直的特徵。具體地，在不同層之間的界面上沒有明顯的刻痕。光滑特徵在不顯著影響本方法的蝕刻速度、不需要耗費時間和低效率的附加工藝步驟的條件下創造。因此，本發明代表了對現有技術的實質改進。
附圖概述

圖1(a-c)為依照本發明的優選實施方案適合蝕刻的含銦襯底的圖；圖2為刻痕的掃描電子顯微鏡圖，該刻痕由在ICP等離子體中用HBr/BCl3/CH4/Ar蝕刻圖1(a)中的襯底導致；圖3為在消除來自氣體混合物中的BCl3後的最小化刻痕的掃描電子顯微鏡圖，該氣體混合物用來產生圖2中的刻痕；圖4顯示了嚴重的底切，該底切在HBr/Ar等離子體用來蝕刻圖1(b)中的結構時產生；圖5證明了在近似160℃的襯底溫度下使用HBr/N2來ICP等離子體蝕刻圖1(b)中的結構；圖6顯示了在應用於圖1(c)中的結構的ICP等離子體蝕刻過程中，使用HBr/N2的結果；圖7進一步證明了在應用於圖1(c)中結構的ICP等離子體蝕刻過程中，使用HBr/N2的結果。
發明詳述本發明涉及可替換的蝕刻化學組成，該化學組成可以提供固有地各向異性蝕刻和在不需要高分子聚合物沉積作用的條件下消除刻痕形成。更具體地，本發明的優選實施方案涉及在高於160℃的襯底溫度下使用HBr和N2的組合以提供基本上無刻痕和無碳聚合物的各向異性蝕刻方法，該蝕刻方法用於ICP等離子體蝕刻體系中的含銦材料。
依照本發明的一個優選實施方案，公開了用於高密度(ICP)等離子體蝕刻含銦多層結構的方法，該方法在蝕刻過程中使用溴化氫外加氮速度方面有明顯的百分比值基改進。
實施例2在此實施例中，採用以下表1a中確定的組分和數量製備樣品7和8，目的在於確定當曝光於UV光時，採用帶有反荷離子的陽離子光敏引發劑製備的組合物是否會通過體積固化(″CTV″)和固化到什麼程度，該反荷離子含有共價鍵合的氟離子，並且將這樣的組合物與採用含有離子方式鍵合的氟離子的光敏引發劑製備的組合物加以比較。
表2a
在對源自UVALOC 1000的強度為100mW/cm2的UV光曝光所示時間之後的CTV在下表1b中說明。
表2b
根據這些結果，清楚的是帶有反荷離子的陽離子光敏引發劑的使用通過體積固化(樣品8)，該反荷離子具有共價鍵合的氟化物，儘管未達到與帶有反荷離子的更常規陽離子光敏引發劑的使用相同的程度，該反理加工步驟的條件下進行後續的再生長處理步驟有困難。不希望使用附加的後處理加工步驟，因為它增加了製造方法的總成本。
如圖4所示，當HBr/Ar等離子體用於蝕刻圖1(b)的結構時，消除來自氣體混合物的碳聚合物形成組分(CH4)導致掩模的嚴重底切34。
圖5證明了使用HBr/N2以ICP等離子體蝕刻具有160℃襯底溫度的圖1(b)中的整體(bulk)InP結構。觀察到垂直和光滑的被蝕刻表面36。當ICP等離子體中的HBr/N2應用於圖1(c)中具有含銦多層InP層22、InGaAs層25和InGaAsP層24的結構時，獲得高度垂直的、無刻痕、光滑和乾淨的表面38，如圖6和圖7所示。
在蝕刻方法過程中生產垂直的、無刻痕、光滑和乾淨的表面在很多方法中是明顯有益的，這對於本領域技術人員將是容易辨別的。包括垂直腔面發射雷射和脊形波導的光電子器件的製作只是例證性方法，本發明可以有利地應用於這些方法。
應該理解，本文中所示和描述的本發明的具體實施方案只是例證性的。在不背離本發明的精神和範圍的條件下，許多變化、改變、替代和等價物對本領域的技術人員將是顯而易見的。從而，目的在於本文中描述的和附圖中顯示的主題被認為是只是說明性的，沒有限制意義，本發明的範圍僅由附加的權利要求確定。
權利要求
1.一種用於各向異性地幹法蝕刻化合物半導體異質結構的方法，所述方法包括選擇性地掩蔽異質結構的表面；和將被掩蔽的異質結構暴露於包含溴化氫和氮氣的混合物的等離子體，以在通常垂直於主表面的方向上各向異性地蝕刻該異質結構的未掩蔽部分。
2.如權利要求1所述的方法，還包括保持半導體異質結構在160℃以上的溫度。
3.如權利要求1所述的方法，其中半導體異質結構包含銦。
4.如權利要求1所述的方法，其中半導體異質結構包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一種。
5.如權利要求1所述的方法，還包括利用電感耦合等離子體蝕刻體系實施該方法的步驟。
6.如權利要求1所述的方法，其中蝕刻以至少2μm/min的速度實施。
7.如權利要求1所述的方法，還包括在蝕刻異質結構的過程中將壓力保持在近似5毫託的步驟。
8.一種在真空室內的半導體襯底中蝕刻基本上垂直的特徵的方法，所述方法包括在半導體襯底上沉積掩模；保持真空室內半導體襯底的溫度為近似160℃以上；和用溴化氫和氮氣的混合物蝕刻半導體襯底。
9.如權利要求8所述的方法，其中半導體襯底還包括銦。
10.如權利要求8所述的方法，其中半導體襯底還包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一種。
11.如權利要求8所述的方法，還包括用高密度等離子體源實施蝕刻步驟的步驟。
12.如權利要求11所述的方法，還包括用電感耦合等離子體源實施蝕刻步驟的步驟。
13.如權利要求8所述的方法，其中蝕刻以至少2μm/min的速度實施。
14.如權利要求8所述的方法，還包括保持真空室中的壓力為近似5毫託的步驟。
15.一種用於蝕刻半導體襯底中的特徵的設備，其中所述特徵基本上垂直於半導體襯底的表面，所述設備包括保持半導體襯底溫度在近似160℃以上的溫度的加熱器；和提供溴化氫和氮氣的混合物以用於蝕刻半導體襯底的氣體供給。
16.如權利要求15所述的設備，還包括電感耦合等離子體源。
17.如權利要求15所述的設備，其中半導體襯底包含至少一些銦。
18.如權利要求15所述的設備，其中半導體襯底還包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一種。
19.如權利要求15所述的設備，還包括以至少2μm/min的速度蝕刻半導體襯底的蝕刻工具。
20.如權利要求15所述的設備，還包括在蝕刻半導體襯底的過程中用來保持近似5毫託壓力的壓力調節器。
全文摘要
本發明公開了一種可供選擇的蝕刻化學組成，該化學組成可以提供固有地各向異性蝕刻，並且在不需要高分子聚合物沉積作用的條件下消除刻痕形成。蝕刻在高於近似160℃的襯底溫度下用HBr和N
文檔編號H01L21/461GK1669128SQ03817249
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月9日 優先權日2002年7月19日
發明者李耀升 申請人:優利訊美國有限公司