專利名稱：在用于光電子器件的iii－v族化合物中蝕刻光滑側壁的方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及光電子器件的加工方法，具體地，涉及在用于光電子器件的III-V族化合物中蝕刻光滑側壁的方法。
背景技術：
在III-V族化合物中蝕刻出光滑的側壁對于光學應用較重要。光電子器件內(nèi)的散射損耗與側壁的粗糙度成比例。因此，諸如波導管、微片共振器(microdisc resonator)、光子晶體波導管和光子晶體共振器之類的器件的性能取決于側壁粗糙度的減小。由于波導管表面的散射損耗是傳播損耗的一大部分，InP和GaAs中的單模脊狀波導管通常需要0.5μm級的尺寸以維持單模性能。為獲得低損耗波導管，蝕刻例如InP的III-V族化合物的大部分工作已集中在標準反應式離子蝕刻(RIE)系統(tǒng)內(nèi)的CH4∶H2化學氣體。標準RIE系統(tǒng)內(nèi)生成的側壁特征在于側壁是傾斜的。有些光電子器件需要高度垂直的側壁幾何形狀以獲得改善的器件性能。例如，在光子晶格中，提供高度垂直的側壁幾何形狀以允許較大的光子能帶隙對于器件性能非常重要。因此，能夠獲得高度垂直的側壁幾何形狀以及光滑的側壁的蝕刻化學氣體是人們所期望的。
感應耦合等離子體(ICP)蝕刻系統(tǒng)由于活性粒子密度的增加，對于大部分材料通常生成更高程度的垂直蝕刻。但是，化學氣體的選擇在獲得高的縱橫比(aspect ratio)蝕刻中仍起重要的作用。通常，基于CH4∶H2的化學氣體用來蝕刻InP；但是，基于CH4∶H2的化學氣體難以蝕刻出非常高的縱橫比。由于氯氣的高活性，使用基于氯氣的化學氣體對于獲得高的縱橫比蝕刻存在問題。Mirkarimi近來的工作(見代理案卷號No.10030753)已表明利用HBr∶CH4∶H2化學氣體來獲得III-V族化合物中深的蝕刻是有用的。但是，當使用HBr∶CH4∶H2化學氣體時，在一些例如InGaAsP的四元合成物中蝕刻出的III-V族結構的側壁呈現(xiàn)出粗糙的側壁。

發(fā)明內(nèi)容
添加BCl3的化學氣體用來提供高的縱橫比蝕刻以及光滑的側壁。BCl3的添加提高了蝕刻出的側壁和其他表面的光滑度。通過添加BCl3，窄波導的光損耗通常減小10個因子，并且可獲得370nm/min的常規(guī)蝕刻速度，而使用標準的基于CH4∶H2的化學氣體，蝕刻速度為35nm/min。


圖1A-1C表示根據(jù)本發(fā)明蝕刻光滑的、縱橫比高的側壁的步驟。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明傳播損耗隨蝕刻劑中BCl3體積百分比的變化曲線。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明能夠進行RIE和ICP模式的反應器。
圖4A-4B表示根據(jù)本發(fā)明添加ICP模式的效果。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的實施例，通常是SiO2或Si3N4的合適掩模層120(見圖1A)生長在樣品100的III-V族外延層110上或III-V族襯底105上。層130是光刻膠或電子束抗蝕劑。常規(guī)的III-V族材料是例如Al、Ga、In和B的第III族元素與例如N、P、As和Sb的第V族元素的組合。根據(jù)本發(fā)明，SiO2或Si3N4掩模120或其他類似掩模材料的使用提供了掩模材料與III-V族材料之間的蝕刻選擇性。取決于蝕刻條件，InP/SiO2的蝕刻速度比在20-50范圍內(nèi)，這是相當大的?；诼葰釩l2的化學氣體無法滿足這些類型的蝕刻比。在圖1B中，掩模層120通過光刻而被界定出范圍，例如直接刻印電子束、標準接觸光刻技術或其他適于所期望的通常為1μm級的特征尺寸的光刻技術。通常，在RIE系統(tǒng)中，利用例如CHF3的干法蝕刻技術將所期望的蝕刻圖案轉印進掩模層120。然后，利用RIE或感應耦合等離子體(ICP)系統(tǒng)蝕刻樣品100，生成具有光滑側壁115的、縱橫比高的結構。在圖1C中，利用溶劑浴以及隨后的高壓(400mTorr)O2等離子體清洗來去除光刻膠層130。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，然后，包括CH4、H2、HBr和BCl3的化學氣體用來將光刻界定出的特征轉印進III-V族層110或III-V族襯底105。包括CH4、H2、HBr和BCl3的化學氣體通過在側壁150上形成鈍化層來提供所期望的光滑蝕刻。圖1中側壁150的光滑度可以由掃描電子顯微鏡來估計，而這個光滑度接著會影響傳播損耗的測量值。注意，根據(jù)本發(fā)明，HI或IBr、或第VII族氣態(tài)元素(Br、F、I)的一些組合可代替HBr。碘(I)的行為通常類似于溴(Br)，并且例如與氯(Cl)相比較，將與銦(In)形成揮發(fā)度更低的鹽，又在側壁150上形成鈍化層。另外，根據(jù)本發(fā)明，BCl3可以與H2和CH4一起使用，以使CH4與H2的比大于1∶1，例如2∶1。
根據(jù)本發(fā)明，蝕刻化學氣體通常是HBr∶CH4∶H2∶BCl3。在根據(jù)本發(fā)明的典型實施例中，HBr∶CH4∶H2的比設定為約30∶5∶5，而BCl3可調節(jié)到最多約50％體積。盡管僅使用RIE，通常就會實現(xiàn)表面粗糙度的大幅下降，但使用ICP來代替RIE，通常會增加光滑度。
在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，HBr∶CH4∶H2的比設定為約30∶5∶5，而BCl3通常調節(jié)為約33％體積。通常，對于這個實施例，傳播損耗與側壁115的表面粗糙度都會大幅下降。從圖2的曲線200來看，很明顯隨著BCl3的濃度接近約33％體積，傳播損耗下降；隨著BCl3的濃度超過約33％體積，傳播損耗由于側壁115表面粗糙度的增加而上升。
參照圖3，根據(jù)本發(fā)明的反應器305的典型參數(shù)值是反應器305通常在2-20mTorr范圍的壓力下，具有通常以約13.56mHz并在0-200W下運行的射頻(RF)發(fā)生器310，同時具有通常以約2mHz并在50-800W下運行的RF發(fā)生器320。樣品100放置在加熱器350上。對于基于InP的材料，溫度設定為60℃，但是可預料到蝕刻過程中的實際溫度可能更高。溫度設定是根據(jù)正被蝕刻的材料來確定的，對于其他在研究中的III-V族材料溫度可以更高或更低。
通過提供感應耦合等離子體(ICP)功率，RF發(fā)生器320增加了離子化粒子的數(shù)量，并能在減小對側壁115損壞的同時而實現(xiàn)各向異性的蝕刻，這從圖4A和4B可清楚看到。圖4A表示使用僅導致純RIE蝕刻的RF發(fā)生器310時的側壁115的電子顯微照片。BCl3∶HBr∶H2∶CH4設為3∶32∶4∶4，并且BCl3設定為7％體積。圖4B表示當使用包括了ICP模式在內(nèi)的反應器305、以使RF發(fā)生器310和RF發(fā)生器320都被應用時，明顯更光滑的側壁115的電子顯微照片。BCl3∶HBr∶H2∶CH4設為3∶32∶4∶4，并且BCl3設定為7％體積。
在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，反應器305中，在通常約5mTorr的壓力下，RF 310通常設定在約100W下，而RF 320通常設定在約400W下。但是，在這些條件下，有效的直流偏壓約為350V。對于一些光學應用，這個直流偏壓值可能太高，由于高度激發(fā)的引入離子會導致蝕刻破壞。通常通過降低RF1 310到75W以下可以減小直流偏壓。RF1 310的下降減小了直流偏壓，同時保持了光滑的側壁結構。
雖然已結合特定實施例描述了本發(fā)明，但顯然對于本領域的技術人員而言，根據(jù)前述說明，可以實現(xiàn)許多替換、改進和變化。因此，本發(fā)明意在涵蓋所有其他的、落在所附權利要求的精神和范圍內(nèi)的這種替換、改進和變化。
權利要求
1.一種蝕刻基于III-V族的化合物的方法，包括在所述基于III-V族的化合物上形成掩模；將所述基于III-V族的化合物和所述掩模放置進壓力在約2mTorr至約20mTorr之間的反應器內(nèi)；將選自HBr、HI和IBr的第一氣體引入所述反應器內(nèi)；將第二氣體BCl3引入所述反應器內(nèi)；以及將所述基于III-V族的化合物暴露在包括所述第一氣體和所述第二氣體的氣體等離子體中，以蝕刻出光滑的、縱橫比高的側壁。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述基于III-V族的化合物包括銦。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述氣體等離子體是使用反應式離子蝕刻系統(tǒng)而生成的。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述氣體等離子體是使用組合的反應式離子蝕刻和感應耦合等離子體系統(tǒng)而生成的。
5.如權利要求4所述的方法，其中第一射頻發(fā)生器在約0-200W下運行，并且第二射頻發(fā)生器在約50-800W下運行。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述第一氣體的濃度在約10％至約75％體積范圍內(nèi)。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述第二氣體的濃度在約5％至約75％體積范圍內(nèi)。
8.如權利要求1所述的方法，還包括將CH4和H2引入所述反應器內(nèi)。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述CH4和所述H2的比在5∶100至70∶30范圍內(nèi)。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述基于III-V族的化合物被加熱到約60℃的起始溫度。
11.一種蝕刻基于III-V族的化合物的方法，包括在所述基于III-V族的化合物上形成掩模；將所述基于III-V族的化合物和所述掩模放置進壓力在約2mTorr至約20mTorr之間的反應器內(nèi)；將選自HBr、HI和IBr的第一氣體引入所述反應器內(nèi)；將第二氣體BCl3引入所述反應器內(nèi)；引入第三氣體CH4；引入第四氣體H2；以及將所述基于III-V族的化合物暴露在包括所述第一、第二、第三和第四氣體的氣體等離子體中，以蝕刻出光滑的、縱橫比高的側壁。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述基于III-V族的化合物包括銦。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述氣體等離子體是使用反應式離子蝕刻系統(tǒng)而生成的。
14.如權利要求11所述的方法，其中所述氣體等離子體是使用組合的反應式離子蝕刻和感應耦合等離子體系統(tǒng)而生成的。
15.如權利要求14所述的方法，其中第一射頻發(fā)生器在約0-200W下運行，并且第二射頻發(fā)生器在約50-800W下運行。
16.如權利要求11所述的方法，其中所述第一氣體的濃度在約10％至約75％體積范圍內(nèi)。
17.如權利要求1所述的方法，其中所述第二氣體的濃度在約5％至約75％體積范圍內(nèi)。
18.如權利要求8所述的方法，其中所述第三氣體和所述第四氣體的比在5∶100至70∶30范圍內(nèi)。
19.一種蝕刻基于III-V族的化合物的方法，包括在所述基于III-V族的化合物上形成掩模；將所述基于III-V族的化合物和所述掩模放置進壓力在約2mTorr至約20mTorr之間的反應器內(nèi)；將選自第VII族氣態(tài)物質的第一氣體引入所述反應器內(nèi)；將第二氣體BCl3引入所述反應器內(nèi)；以及將所述基于III-V族的化合物暴露在包括所述第一氣體和所述第二氣體的氣體等離子體中，以蝕刻出光滑的、縱橫比高的側壁。
20.一種蝕刻基于III-V族的化合物的方法，包括在所述基于III-V族的化合物上形成掩模；將所述基于III-V族的化合物和所述掩模放置進壓力在約2mTorr至約20mTorr之間的反應器內(nèi)；將第一氣體BCl3引入所述反應器內(nèi)；引入第二氣體CH4；引入第三氣體H2，使得所述第三氣體與所述第二氣體的比小于1；以及將所述基于III-V族的化合物暴露在包括所述第一、第二和第三氣體的氣體等離子體中，以蝕刻出光滑的、縱橫比高的側壁。
21.如權利要求20所述的方法，其中所述第二氣體和所述第三氣體的比約為2∶1。
全文摘要
本發(fā)明公開了在RIE和/或ICP系統(tǒng)中，使用BCl
文檔編號G03F7/20GK1609712SQ20041008633
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月25日 優(yōu)先權日2003年10月24日
發(fā)明者勞拉·威爾斯·米爾卡里米, 周啟祥 申請人:安捷倫科技有限公司