專利名稱：高溫下各向異性地蝕刻多層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及在相對(duì)高的襯底溫度上使用溴化氫和氮?dú)獾慕M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干凈的各向異性蝕刻的方法。
背景技術(shù)：
含銦的多層結(jié)構(gòu)(InP、InGaAs和InGaAsP)在制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(fā)射的激光器和脊形波導(dǎo)管。用于干法蝕刻含銦材料的大多數(shù)方法包括使用甲烷/氫氣混合物(CH4/H2)和氯基等離子體。盡管CH4/H2基等離子體已經(jīng)廣泛用于蝕刻InP，但蝕刻速度很慢，且聚合物沉積作用導(dǎo)致蝕刻器和蝕刻樣品的污染。對(duì)于大量制造，慢的蝕刻速度和不穩(wěn)定的蝕刻條件是不可接受的。已經(jīng)報(bào)導(dǎo)氯基化學(xué)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(jīng)發(fā)現(xiàn)氯基化學(xué)組成(Cl2、BCl3)由于對(duì)這些材料不同的蝕刻速度，將在多層結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生刻痕。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該刻痕的形成將妨礙后續(xù)的處理步驟如再生長(zhǎng)。還已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了，溴基化學(xué)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(dǎo)致嚴(yán)重的底切，這對(duì)于進(jìn)一步處理是不可接受的。
垂直蝕刻是對(duì)于這些應(yīng)用的主要需求，所以附加的氣體已經(jīng)添加到等離子體中以改善側(cè)壁的鈍化和消除底切。最通常的方法是使用烴如CH4，以在側(cè)壁上形成烴聚合物來防止底切。盡管聚合物的形成有助于減少底切，但是我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在側(cè)壁上形成的聚合物將導(dǎo)致再生長(zhǎng)的失敗。因此，有必要在蝕刻后去除聚合物。典型地，該聚合物通過在原位置使用氧等離子體或商業(yè)剝離器去除。但是，這個(gè)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后的清潔處理的需求將非常有利。另外，蝕刻過程中在室內(nèi)形成的高分子聚合物沉積物將導(dǎo)致在幾個(gè)工藝周期后逐步的工藝變化。
已經(jīng)報(bào)導(dǎo)氮?dú)?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(nèi)的活性離子束構(gòu)造中使用Br2/N2化學(xué)組成N20.23毫托Br20-0.1毫托溫度 40-200℃。
為了達(dá)到光滑的垂直側(cè)壁，Satoshi方法限制在Br2的壓力為0.04毫托或更小，溫度高于100℃。
Thomas等人公開了在電感耦合等離子體(ICP)體系中用于InP蝕刻的Cl2/Ar/N2基方法。該方法在180℃的高溫下操作，并導(dǎo)致了1.6μm/min的蝕刻速度和對(duì)于InGaAs/InP/InGaAsP外延堆的垂直特征側(cè)壁。
Chino等人(美國(guó)專利號(hào)5,968,845和6,127,201)公開了使用鹵素/氮?dú)鈿怏w混合物在100℃至200℃溫度范圍內(nèi)各向同性地蝕刻具有光滑被蝕刻表面的InP。
Lishan等人(會(huì)議論文集，GaAs MANTECH，2001)已經(jīng)公開了在溫度范圍(25℃-160℃)內(nèi)用于蝕刻InP的氫/溴(HBr、HBr/Ar、HBr/He)基的方法。室溫方法導(dǎo)致較慢的InP蝕刻速度(＜2000/min)和傾斜的特征剖面。在高溫下的蝕刻導(dǎo)致較高的蝕刻速度(～1μm/min)和適合下游的剝離(lift-off)金屬化方法的底切特征剖面。
發(fā)明概述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案涉及各向異性干法蝕刻包含銦的化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。最優(yōu)選地，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一種。依照本方法，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面被選擇性掩蔽。然后將被掩蔽的異質(zhì)結(jié)構(gòu)暴露于包括溴化氫和氮?dú)獾幕旌衔锏牡入x子體，以在通常垂直于主表面的方向上各向同性地蝕刻異質(zhì)結(jié)構(gòu)的未掩蔽部分，并在層界面上沒有引起刻痕。蝕刻優(yōu)選以至少2μm/min的速度和近似5毫托的壓力用電感耦合的等離子體蝕刻體系實(shí)施。其他等離子體技術(shù)如RIE、ECR或Helicon同樣可以使用。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)保持在160℃以上的溫度。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案涉及在蝕刻室內(nèi)半導(dǎo)體襯底中蝕刻基本上垂直的特征的方法。蝕刻室內(nèi)半導(dǎo)體襯底上的溫度保持在近似160℃以上。掩模沉積在半導(dǎo)體襯底上。然后用溴化氫和氮?dú)獾幕旌衔镂g刻半導(dǎo)體襯底。
本發(fā)明的還一個(gè)實(shí)施方案涉及在包含至少一些銦的半導(dǎo)體襯底中蝕刻一個(gè)特征的設(shè)備，其中該特征基本上垂直于半導(dǎo)體襯底的表面。該設(shè)備包括保持半導(dǎo)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?dú)獾幕旌衔?，用于蝕刻半導(dǎo)體襯底。在蝕刻半導(dǎo)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(dǎo)體襯底，而壓力調(diào)節(jié)器保持近似5毫托的壓力。
上述方法和器械是有利的，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰哂泄饣瑐?cè)壁的半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生基本上垂直的特征。具體地，在不同層之間的界面上沒有明顯的刻痕。光滑特征在不顯著影響本方法的蝕刻速度、不需要耗費(fèi)時(shí)間和低效率的附加工藝步驟的條件下創(chuàng)造。因此，本發(fā)明代表了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)質(zhì)改進(jìn)。
附圖概述

圖1(a-c)為依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(dǎo)致；圖3為在消除來自氣體混合物中的BCl3后的最小化刻痕的掃描電子顯微鏡圖，該氣體混合物用來產(chǎn)生圖2中的刻痕；圖4顯示了嚴(yán)重的底切，該底切在HBr/Ar等離子體用來蝕刻圖1(b)中的結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)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(jié)構(gòu)；圖6顯示了在應(yīng)用于圖1(c)中的結(jié)構(gòu)的ICP等離子體蝕刻過程中，使用HBr/N2的結(jié)果；圖7進(jìn)一步證明了在應(yīng)用于圖1(c)中結(jié)構(gòu)的ICP等離子體蝕刻過程中，使用HBr/N2的結(jié)果。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及可替換的蝕刻化學(xué)組成，該化學(xué)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(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案涉及在高于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，該蝕刻方法用于ICP等離子體蝕刻體系中的含銦材料。
依照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，公開了用于高密度(ICP)等離子體蝕刻含銦多層結(jié)構(gòu)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(jìn)。
實(shí)施例2在此實(shí)施例中，采用以下表1a中確定的組分和數(shù)量制備樣品7和8，目的在于確定當(dāng)曝光于UV光時(shí)，采用帶有反荷離子的陽(yáng)離子光敏引發(fā)劑制備的組合物是否會(huì)通過體積固化(″CTV″)和固化到什么程度，該反荷離子含有共價(jià)鍵合的氟離子，并且將這樣的組合物與采用含有離子方式鍵合的氟離子的光敏引發(fā)劑制備的組合物加以比較。
表2a
在對(duì)源自UVALOC 1000的強(qiáng)度為100mW/cm2的UV光曝光所示時(shí)間之后的CTV在下表1b中說明。
表2b
根據(jù)這些結(jié)果，清楚的是帶有反荷離子的陽(yáng)離子光敏引發(fā)劑的使用通過體積固化(樣品8)，該反荷離子具有共價(jià)鍵合的氟化物，盡管未達(dá)到與帶有反荷離子的更常規(guī)陽(yáng)離子光敏引發(fā)劑的使用相同的程度，該反理加工步驟的條件下進(jìn)行后續(xù)的再生長(zhǎng)處理步驟有困難。不希望使用附加的后處理加工步驟，因?yàn)樗黾恿酥圃旆椒ǖ目偝杀尽?br> 如圖4所示，當(dāng)HBr/Ar等離子體用于蝕刻圖1(b)的結(jié)構(gòu)時(shí)，消除來自氣體混合物的碳聚合物形成組分(CH4)導(dǎo)致掩模的嚴(yán)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(jié)構(gòu)。觀察到垂直和光滑的被蝕刻表面36。當(dāng)ICP等離子體中的HBr/N2應(yīng)用于圖1(c)中具有含銦多層InP層22、InGaAs層25和InGaAsP層24的結(jié)構(gòu)時(shí)，獲得高度垂直的、無刻痕、光滑和干凈的表面38，如圖6和圖7所示。
在蝕刻方法過程中生產(chǎn)垂直的、無刻痕、光滑和干凈的表面在很多方法中是明顯有益的，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是容易辨別的。包括垂直腔面發(fā)射激光和脊形波導(dǎo)的光電子器件的制作只是例證性方法，本發(fā)明可以有利地應(yīng)用于這些方法。
應(yīng)該理解，本文中所示和描述的本發(fā)明的具體實(shí)施方案只是例證性的。在不背離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，許多變化、改變、替代和等價(jià)物對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的。從而，目的在于本文中描述的和附圖中顯示的主題被認(rèn)為是只是說明性的，沒有限制意義，本發(fā)明的范圍僅由附加的權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種用于各向異性地干法蝕刻化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括選擇性地掩蔽異質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面；和將被掩蔽的異質(zhì)結(jié)構(gòu)暴露于包含溴化氫和氮?dú)獾幕旌衔锏牡入x子體，以在通常垂直于主表面的方向上各向異性地蝕刻該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的未掩蔽部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括保持半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)在160℃以上的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)包含銦。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一種。
5.如權(quán)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(shí)施該方法的步驟。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中蝕刻以至少2μm/min的速度實(shí)施。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在蝕刻異質(zhì)結(jié)構(gòu)的過程中將壓力保持在近似5毫托的步驟。
8.一種在真空室內(nèi)的半導(dǎo)體襯底中蝕刻基本上垂直的特征的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底上沉積掩模；保持真空室內(nèi)半導(dǎo)體襯底的溫度為近似160℃以上；和用溴化氫和氮?dú)獾幕旌衔镂g刻半導(dǎo)體襯底。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中半導(dǎo)體襯底還包括銦。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中半導(dǎo)體襯底還包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一種。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括用高密度等離子體源實(shí)施蝕刻步驟的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括用電感耦合等離子體源實(shí)施蝕刻步驟的步驟。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中蝕刻以至少2μm/min的速度實(shí)施。
14.如權(quán)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毫托的步驟。
15.一種用于蝕刻半導(dǎo)體襯底中的特征的設(shè)備，其中所述特征基本上垂直于半導(dǎo)體襯底的表面，所述設(shè)備包括保持半導(dǎo)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?dú)獾幕旌衔镆杂糜谖g刻半導(dǎo)體襯底的氣體供給。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，還包括電感耦合等離子體源。
17.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中半導(dǎo)體襯底包含至少一些銦。
18.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中半導(dǎo)體襯底還包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一種。
19.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，還包括以至少2μm/min的速度蝕刻半導(dǎo)體襯底的蝕刻工具。
20.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，還包括在蝕刻半導(dǎo)體襯底的過程中用來保持近似5毫托壓力的壓力調(diào)節(jié)器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可供選擇的蝕刻化學(xué)組成，該化學(xué)組成可以提供固有地各向異性蝕刻，并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。蝕刻在高于近似160℃的襯底溫度下用HBr和N
文檔編號(hào)H01L21/461GK1669128SQ03817249
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月19日
發(fā)明者李耀升 申請(qǐng)人:優(yōu)利訊美國(guó)有限公司