专利名称：图形化衬底的刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术，特别涉及一种图形化衬底的刻蚀方法。
背景技术：
随着世界能源需求不断高涨，自然资源日趋短缺，各工业发达的耗能大国政府极度关注节能技术的发展。GaN基发光二极管(Light Emitting Diode, LED)技术的不断进步，特别是蓝光激发荧光粉发出黄光混合成白光技术的成熟，使得日常照明可以实现低成本，高寿命。因此各国政府纷纷提出了固体照明革命计划，极大促进了技术及其相关发光二极管技术飞速发展。GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广阔的应用前景。目前，波长460nm的GaN基LED内量子效率已达到70 %以上，以GaN为衬底的 AKkiN紫外光(UV)LED的内量子效率已高达80%以上，但是生长在蓝宝石衬底上的GaN基 LED的提取效率却相对较低。因此，对于提高LED的外量子效率来说，应把重点放在进一步提高提取效率上。另外，由于GaN单晶制备比较困难，通常GaN基LED器件都是制备在蓝宝石衬底上的，而GaN和蓝宝石较大的晶格失配和热膨胀系数的差别，使得在衬底上生长的GaN 薄膜位错和缺陷密度较大，也影响了器件的发光效率和寿命。PSS(Patterned Sapphire Substrates,图形化衬底)技术可以有效地减少外延材料的位错和缺陷，但是由于蓝宝石很高的硬度和化学稳定性，刻蚀难度较大。因此，PSS刻蚀工艺是GaN基LED芯片工艺中一个很关键的步骤。PSS技术是目前普遍采用的一种提高GaN基LED器件出光效率的方法，也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用ICP(感应耦合等离子体)刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，这样就可以使GaN 材料的纵向外延变为横向外延。该方法可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小了有源区的非辐射复合，不仅减小了反向漏电流，而且提高了 LED的寿命。有源区发出的光，经由GaN和蓝宝石衬底界面多次散射之后，改变了全反射光的出射角，从而增加了倒装 LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。综合这两方面的原因，使 PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED提高了 63%，同时减小了反向漏电流，延长了 LED的寿命。目前普遍应用的一种PSS图形为类圆锥形，如图1所示。这种图形高度约为1.5 微米左右，并且需要保持侧壁刻蚀的光滑平整，以提高外延GaN薄膜的晶体质量。目前通常采用以下两种方法形成上述类圆锥形的PSS图形。现有方法1，在ICP刻蚀机中采用纯BCl3气体作为刻蚀气体，进行单步刻蚀。具体地，将承载晶片的托盘放入到工艺腔室内，通入刻蚀气体BCl3 (氯化硼)，其流量约为30 lOOsccm，调整工艺腔室内的工艺压力约为3 15mT。调整刻蚀机顶部射频功率约为300 800W，从而激发等离子体，接着调整底部射频功率约为100 300W以控制等离子体的方向，使其向晶片更好地淀积。该方法1的工艺时间约为20 40min。通过现有方法1获得的较典型的剖片扫描电镜结果如图2所示。由于现有方法1 采用单步工艺，因此难以灵活地调节工艺刻蚀速率和选择比，并且刻蚀侧壁易出现拐角，工艺窗口较小，对于前道光刻工艺以及光刻胶的尺寸等依赖性较强。另外，单步工艺增加了工艺漂移的可能性，对于大批量生产的稳定性有一定的影响。现有方法2，使用BCl3An2混合气体作为刻蚀气体，采用单步刻蚀。具体地，将承载晶片的托盘放入到工艺腔室内，通入刻蚀气体BCl3 (氯化硼)和Cl2 (氯气)，其流量分别约为50 IOOsccm和5 50sccm，调整工艺腔室内的工艺压力约为7 15mT。调整刻蚀机顶部射频功率约为300 800W，从而激发等离子体，接着调整底部射频功率约为100 300W 以控制等离子体的方向，使其向晶片更好地淀积。该方法2的工艺时间约为20 40min。通过现有方法2获得的较典型的剖面扫描电镜结果如图3所示，从图3中可以看出，在侧壁会存在一个过渡拐角，因此PSS图形的形貌(profile)还需要优化。另外，和现有方法1相比，由于此现有方法2的刻蚀选择比较低，因此导致PSS图形高度较低，这就需要前道光刻工艺的光刻胶高度要相应增加，从而增加了工艺难度。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决现有PSS图形较差、 工艺难度较高的缺陷。为达到上述目的，本发明一方面提出了一种图形化衬底的刻蚀方法，包括以下步骤提供衬底；在所述衬底之上形成光刻图形；以第一刻蚀气体，在第一工艺压力和第一底部射频功率下对所述衬底进行第一次刻蚀；和以第二刻蚀气体，在第二工艺压力和第二底部射频功率下对所述衬底进行第二次刻蚀，其中，所述第二刻蚀气体的流量值小于所述第一刻蚀气体的流量值，所述第二工艺压力的压力值小于所述第一工艺压力的压力值，所述第二底部射频功率的射频功率值大于所述第一底部射频功率的射频功率值。在本发明的一个实施例中，所述第一刻蚀气体和所述第二刻蚀气体为BC13。或者， 所述第一刻蚀气体和所述第二刻蚀气体为BCl3与掺杂气体的混合气体，所述掺杂气体为 Cl2、HBr及吐中的一种气体或者任意至少两种气体的混合气体。在本发明的一个实施例中，所述第一刻蚀气体的流量值为50-200sCCm，所述第一工艺压力的压力值为5-20mT，所述第一底部射频功率的射频功率值为50-200W。在本发明的一个实施例中，所述第二刻蚀气体的流量值为20-100sCCm，所述第二工艺压力的压力值为3-5mT，所述第二底部射频功率的射频功率值为150-300W。在本发明的一个实施例中，所述第一次刻蚀的工艺时间大于所述第二次刻蚀的工艺时间。例如，所述第一次刻蚀的工艺时间为15-25min，所述第二次刻蚀的工艺时间为 5_15min。在本发明的一个实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底。本发明通过两次刻蚀，能够获得侧壁光滑，过渡平缓无拐角的PSS图形，并且容易调节图形的尺寸，为后续的薄膜外延工艺提供良好晶体质量的衬底。另外，本发明的两次刻蚀步骤能够增加刻蚀工艺调节的灵活性，并能够提高刻蚀工艺窗口和刻蚀结果的稳定性， 从而提高工艺生产的稳定性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1为现有技术中类圆锥形的PSS图形；图2为通过现有方法1获得的较典型的剖片扫描电镜结果；图3为通过现有方法2获得的较典型的剖片扫描电镜结果；图4为本发明实施例的图形化衬底的刻蚀方法流程图；和图fe和恥分别为通过上述两次刻蚀获得的剖片扫描电镜结果。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。如图4所示，为本发明实施例的图形化衬底的刻蚀方法流程图。该方法包括以下步骤步骤S401，提供衬底。在本发明的一个实施例中，该衬底可为蓝宝石衬底。当然在本发明的其他实施例中，还可以采用其他衬底。步骤S402，在衬底之上形成光刻图形。步骤S403，以第一刻蚀气体、在第一工艺压力和第一底部射频功率下对衬底进行第一次刻蚀。其中，第一刻蚀气体可为BCl3，或者第一刻蚀气体也可为BCl3与掺杂气体的混合气体，其中，掺杂气体可为Cl2、HBr及吐中一种或者至少两种的任意组合，例如BCl3与 H2的混合气体，或者BC13、(12及吐的混合气体等等，这些均可以适用于本发明实施例。虽然以下实施例以BCl3为例进行描述，但是上述的以BCl3为主其他混合刻蚀气体也可应用至被发明中。如果采用混合刻蚀气体进行刻蚀的话，则根据BCl3与其他掺杂气体的比例以及 BCl3的流量选择其他掺杂气体(例如Cl2等)的流量即可。在本发明的一个实施例中，刻蚀设备可为ICP等离子体刻蚀机，该ICP等离子体刻蚀机包括顶部和底部两个射频电源，其中，顶部射频功率用于激发等离子体，底部射频功率用于控制等离子体的方向，使其向晶片更好地淀积。当然本领域技术人员还可选择其他刻蚀机实现本发明，这些均应包含在本发明的保护范围之内。以下就将以采用ICP等离子体刻蚀机，以BCl3为刻蚀气体进行详细介绍。第一次刻蚀(可称之为主刻蚀)主要用来控制PSS的刻蚀速率和调节选择比，因此在该步骤中可以采用较大流量值的BCl3和较大的工艺压力，并使用较低的底部射频功率，在该实施例中第一次刻蚀和第二次刻蚀的顶部射频功率基本接近，可以相同也可以第一次刻蚀的顶部射频功率略大，或者第二次刻蚀的顶部射频功率略大，由于顶部射频功率与现有的方法的射频功率值接近，因此在后续的描述中，将以底部射频功率为主进行描述。通入第一刻蚀气体为BCl3,其流量值约为50 200sCCm，调整工艺腔室内的第一工艺压力的压力值约为5 20mT。调整刻蚀机的第一顶部射频功率的射频功率值约为300 1000W，接着调整第一底部射频功率的射频功率值约为50 200W以控制等离子体的方向，其中，工艺时间约为15 25min。步骤S404，以第二刻蚀气体、在第二工艺压力和第二底部射频功率下对衬底进行第二次刻蚀(也可称为过刻蚀)。其中，第二刻蚀气体与第一刻蚀气体相同，也可为BCl3，或者第一刻蚀气体也可为BCl3与掺杂气体的混合气体，其中，掺杂气体可为Cl2、HBr及H2中一种或者至少两种的任意组合，例如BCl3与H2的混合气体，或者BC13、C12&H2的混合气体等等。如果采用混合刻蚀气体进行刻蚀的话，则根据BCl3与其他掺杂气体的比例以及BCl3 的流量选择其他掺杂气体(例如Cl2等)的流量即可。此次刻蚀是以对PSS图形的形貌进行修饰为主，因此可采用较小流量值的BCl3和较低的压力值的工艺压力，并使用较高的底部射频功率值。通过较高的底部射频功率值可以改善对衬底图形的轰击能力，并且采用较低的压力可以使得反应的生成物更易挥发，从而达到对PSS图形的形貌进行修饰的目的。 具体地，通入第二刻蚀气体为BCl3,其流量值约为20 lOOsccm，调整工艺腔室内的第二工艺压力的压力值约为3 5mT。调整刻蚀机的第二顶部射频功率的射频功率值约为300 1000W，接着调整第二底部射频功率的射频功率值约为150 300W以控制等离子体的方向， 其中，工艺时间约为5 15min。以下可通过具体的实验证明本发明的有益效果。首先，将承载晶片的托盘放入到工艺腔室内，进行第一次刻蚀。具体地，通入刻蚀气体BCl3，其流量约为lOOsccm，调整工艺腔室内的工艺压力约为7mT。调整刻蚀机顶部射频功率约为500W，从而激发等离子体，接着调整底部射频功率约为100W以控制等离子体的方向，使其向晶片更好地淀积，第一次刻蚀的工艺时间约为20min。接着，进行第二次刻蚀。具体地，通入刻蚀气体BCl3,其流量约为30sCCm，调整工艺腔室内的工艺压力约为3mT。调整刻蚀机顶部射频功率约为500W，从而激发等离子体，接着调整底部射频功率约为200W以控制等离子体的方向，使其向晶片更好地淀积，第二次刻蚀的工艺时间约为lOmin。如图如和恥所示，分别为通过上述两次刻蚀获得的剖片扫描电镜结果。从图中可以看出相对于图2和图3的刻蚀结果，本发明通过两次刻蚀，能够获得侧壁光滑，过渡平缓无拐角的PSS图形，并且容易调节图形的尺寸，为后续的薄膜外延工艺提供良好晶体质量的衬底。另外，本发明的两次刻蚀步骤能够增加刻蚀工艺调节的灵活性，并能够提高刻蚀工艺窗口和刻蚀结果的稳定性，从而提高工艺生产的稳定性。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
权利要求
1.一种图形化衬底的刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤提供衬底；在所述衬底之上形成光刻图形；以第一刻蚀气体，在第一工艺压力和第一底部射频功率下对所述衬底进行第一次刻蚀；和以第二刻蚀气体，在第二工艺压力和第二底部射频功率下对所述衬底进行第二次刻蚀，其中，所述第二刻蚀气体的流量值小于所述第一刻蚀气体的流量值，所述第二工艺压力的压力值小于所述第一工艺压力的压力值，所述第二底部射频功率的射频功率值大于所述第一底部射频功率的射频功率值。
2.如权利要求1所述的图形化衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体和所述第二刻蚀气体为BC13。
3.如权利要求1所述的图形化衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体和所述第二刻蚀气体为BCl3与掺杂气体的混合气体，所述掺杂气体为Cl2、HBr及吐中的一种气体或者任意至少两种气体的混合气体。
4.如权利要求2或3所述的图形化衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体的流量值为50-200sCCm，所述第一工艺压力的压力值为5-20mT，所述第一底部射频功率的射频功率值为50-200W。
5.如权利要求4所述的图形化衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀气体的流量值为20-100sCCm，所述第二工艺压力的压力值为3-5mT，所述第二底部射频功率的射频功率值为150-300W。
6.如权利要求5所述的图形化衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述第一次刻蚀的工艺时间大于所述第二次刻蚀的工艺时间。
7.如权利要求6所述的图形化衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述第一次刻蚀的工艺时间为15-25min，所述第二次刻蚀的工艺时间为5-15min。
8.如权利要求1所述的图形化衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。
全文摘要
本发明提出一种图形化衬底的刻蚀方法，包括以下步骤提供衬底；在衬底之上形成光刻图形；以第一刻蚀气体，在第一工艺压力和第一底部射频功率下对衬底进行第一次刻蚀；和以第二刻蚀气体，在第二工艺压力和第二底部射频功率下对衬底进行第二次刻蚀，其中，第二刻蚀气体的流量值小于第一刻蚀气体的流量值，第二工艺压力的压力值小于第一工艺压力的压力值，第二底部射频功率的射频功率值大于第一底部射频功率的射频功率值。本发明通过两次刻蚀，能够获得侧壁光滑，过渡平缓无拐角的PSS图形，并且容易调节图形的尺寸，为后续的薄膜外延工艺提供良好晶体质量的衬底。
文档编号H01L33/20GK102456545SQ20101052110
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者高福宝 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司