专利名称：高温下各向异性地蚀刻多层结构的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及半导体制造领域。更具体地，本发明涉及在相对高的衬底温度上使用溴化氢和氮气的组合，以在等离子体蚀刻体系中为含铟的材料提供基本上无刻痕和干净的各向异性蚀刻的方法。
背景技术：
含铟的多层结构(InP、InGaAs和InGaAsP)在制作光电子器件中越来越重要，该光电子器件包括垂直腔表面发射的激光器和脊形波导管。用于干法蚀刻含铟材料的大多数方法包括使用甲烷/氢气混合物(CH4/H2)和氯基等离子体。尽管CH4/H2基等离子体已经广泛用于蚀刻InP，但蚀刻速度很慢，且聚合物沉积作用导致蚀刻器和蚀刻样品的污染。对于大量制造，慢的蚀刻速度和不稳定的蚀刻条件是不可接受的。已经报导氯基化学组成用来在200℃左右的衬底温度下以高蚀刻速度蚀刻InP，使InP具有光滑表面。
但是，我们已经发现氯基化学组成(Cl2、BCl3)由于对这些材料不同的蚀刻速度，将在多层结构中产生刻痕。我们已经发现，该刻痕的形成将妨碍后续的处理步骤如再生长。还已经报导了，溴基化学组成如HBr和Br2可用来蚀刻InP，但是HBr或HBr/Ar等离子体通常导致严重的底切，这对于进一步处理是不可接受的。
垂直蚀刻是对于这些应用的主要需求，所以附加的气体已经添加到等离子体中以改善侧壁的钝化和消除底切。最通常的方法是使用烃如CH4，以在侧壁上形成烃聚合物来防止底切。尽管聚合物的形成有助于减少底切，但是我们已经发现在侧壁上形成的聚合物将导致再生长的失败。因此，有必要在蚀刻后去除聚合物。典型地，该聚合物通过在原位置使用氧等离子体或商业剥离器去除。但是，这个额外的处理步骤增加了工艺成本。因而，减少或消除任何蚀刻后的清洁处理的需求将非常有利。另外，蚀刻过程中在室内形成的高分子聚合物沉积物将导致在几个工艺周期后逐步的工艺变化。
已经报导氮气(N2)作为添加剂添加到气体混合物中以改善被蚀刻剖面的垂直性。Satoshi等人所做的先前工作公开了在下列工艺尺寸内的活性离子束构造中使用Br2/N2化学组成N20.23毫托Br20-0.1毫托温度 40-200℃。
为了达到光滑的垂直侧壁，Satoshi方法限制在Br2的压力为0.04毫托或更小，温度高于100℃。
Thomas等人公开了在电感耦合等离子体(ICP)体系中用于InP蚀刻的Cl2/Ar/N2基方法。该方法在180℃的高温下操作，并导致了1.6μm/min的蚀刻速度和对于InGaAs/InP/InGaAsP外延堆的垂直特征侧壁。
Chino等人(美国专利号5,968,845和6,127,201)公开了使用卤素/氮气气体混合物在100℃至200℃温度范围内各向同性地蚀刻具有光滑被蚀刻表面的InP。
Lishan等人(会议论文集，GaAs MANTECH，2001)已经公开了在温度范围(25℃-160℃)内用于蚀刻InP的氢/溴(HBr、HBr/Ar、HBr/He)基的方法。室温方法导致较慢的InP蚀刻速度(＜2000/min)和倾斜的特征剖面。在高温下的蚀刻导致较高的蚀刻速度(～1μm/min)和适合下游的剥离(lift-off)金属化方法的底切特征剖面。
发明概述本发明的优选实施方案涉及各向异性干法蚀刻包含铟的化合物半导体异质结构。最优选地，半导体异质结构包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一种。依照本方法，异质结构的表面被选择性掩蔽。然后将被掩蔽的异质结构暴露于包括溴化氢和氮气的混合物的等离子体，以在通常垂直于主表面的方向上各向同性地蚀刻异质结构的未掩蔽部分，并在层界面上没有引起刻痕。蚀刻优选以至少2μm/min的速度和近似5毫托的压力用电感耦合的等离子体蚀刻体系实施。其他等离子体技术如RIE、ECR或Helicon同样可以使用。半导体异质结构保持在160℃以上的温度。
本发明的另一个实施方案涉及在蚀刻室内半导体衬底中蚀刻基本上垂直的特征的方法。蚀刻室内半导体衬底上的温度保持在近似160℃以上。掩模沉积在半导体衬底上。然后用溴化氢和氮气的混合物蚀刻半导体衬底。
本发明的还一个实施方案涉及在包含至少一些铟的半导体衬底中蚀刻一个特征的设备，其中该特征基本上垂直于半导体衬底的表面。该设备包括保持半导体衬底温度在近似160℃以上的温度的加热器。气体供给提供了溴化氢和氮气的混合物，用于蚀刻半导体衬底。在蚀刻半导体衬底过程中，电感耦合等离子体源以至少2μm/min的速度蚀刻半导体衬底，而压力调节器保持近似5毫托的压力。
上述方法和器械是有利的，因为它们在具有光滑侧壁的半导体衬底上产生基本上垂直的特征。具体地，在不同层之间的界面上没有明显的刻痕。光滑特征在不显著影响本方法的蚀刻速度、不需要耗费时间和低效率的附加工艺步骤的条件下创造。因此，本发明代表了对现有技术的实质改进。
附图概述
图1(a-c)为依照本发明的优选实施方案适合蚀刻的含铟衬底的图；图2为刻痕的扫描电子显微镜图，该刻痕由在ICP等离子体中用HBr/BCl3/CH4/Ar蚀刻图1(a)中的衬底导致；图3为在消除来自气体混合物中的BCl3后的最小化刻痕的扫描电子显微镜图，该气体混合物用来产生图2中的刻痕；图4显示了严重的底切，该底切在HBr/Ar等离子体用来蚀刻图1(b)中的结构时产生；图5证明了在近似160℃的衬底温度下使用HBr/N2来ICP等离子体蚀刻图1(b)中的结构；图6显示了在应用于图1(c)中的结构的ICP等离子体蚀刻过程中，使用HBr/N2的结果；图7进一步证明了在应用于图1(c)中结构的ICP等离子体蚀刻过程中，使用HBr/N2的结果。
发明详述本发明涉及可替换的蚀刻化学组成，该化学组成可以提供固有地各向异性蚀刻和在不需要高分子聚合物沉积作用的条件下消除刻痕形成。更具体地，本发明的优选实施方案涉及在高于160℃的衬底温度下使用HBr和N2的组合以提供基本上无刻痕和无碳聚合物的各向异性蚀刻方法，该蚀刻方法用于ICP等离子体蚀刻体系中的含铟材料。
依照本发明的一个优选实施方案，公开了用于高密度(ICP)等离子体蚀刻含铟多层结构的方法，该方法在蚀刻过程中使用溴化氢外加氮速度方面有明显的百分比值基改进。
实施例2在此实施例中，采用以下表1a中确定的组分和数量制备样品7和8，目的在于确定当曝光于UV光时，采用带有反荷离子的阳离子光敏引发剂制备的组合物是否会通过体积固化(″CTV″)和固化到什么程度，该反荷离子含有共价键合的氟离子，并且将这样的组合物与采用含有离子方式键合的氟离子的光敏引发剂制备的组合物加以比较。
表2a
在对源自UVALOC 1000的强度为100mW/cm2的UV光曝光所示时间之后的CTV在下表1b中说明。
表2b
根据这些结果，清楚的是带有反荷离子的阳离子光敏引发剂的使用通过体积固化(样品8)，该反荷离子具有共价键合的氟化物，尽管未达到与带有反荷离子的更常规阳离子光敏引发剂的使用相同的程度，该反理加工步骤的条件下进行后续的再生长处理步骤有困难。不希望使用附加的后处理加工步骤，因为它增加了制造方法的总成本。
如图4所示，当HBr/Ar等离子体用于蚀刻图1(b)的结构时，消除来自气体混合物的碳聚合物形成组分(CH4)导致掩模的严重底切34。
图5证明了使用HBr/N2以ICP等离子体蚀刻具有160℃衬底温度的图1(b)中的整体(bulk)InP结构。观察到垂直和光滑的被蚀刻表面36。当ICP等离子体中的HBr/N2应用于图1(c)中具有含铟多层InP层22、InGaAs层25和InGaAsP层24的结构时，获得高度垂直的、无刻痕、光滑和干净的表面38，如图6和图7所示。
在蚀刻方法过程中生产垂直的、无刻痕、光滑和干净的表面在很多方法中是明显有益的，这对于本领域技术人员将是容易辨别的。包括垂直腔面发射激光和脊形波导的光电子器件的制作只是例证性方法，本发明可以有利地应用于这些方法。
应该理解，本文中所示和描述的本发明的具体实施方案只是例证性的。在不背离本发明的精神和范围的条件下，许多变化、改变、替代和等价物对本领域的技术人员将是显而易见的。从而，目的在于本文中描述的和附图中显示的主题被认为是只是说明性的，没有限制意义，本发明的范围仅由附加的权利要求确定。
权利要求
1.一种用于各向异性地干法蚀刻化合物半导体异质结构的方法，所述方法包括选择性地掩蔽异质结构的表面；和将被掩蔽的异质结构暴露于包含溴化氢和氮气的混合物的等离子体，以在通常垂直于主表面的方向上各向异性地蚀刻该异质结构的未掩蔽部分。
2.如权利要求1所述的方法，还包括保持半导体异质结构在160℃以上的温度。
3.如权利要求1所述的方法，其中半导体异质结构包含铟。
4.如权利要求1所述的方法，其中半导体异质结构包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一种。
5.如权利要求1所述的方法，还包括利用电感耦合等离子体蚀刻体系实施该方法的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻以至少2μm/min的速度实施。
7.如权利要求1所述的方法，还包括在蚀刻异质结构的过程中将压力保持在近似5毫托的步骤。
8.一种在真空室内的半导体衬底中蚀刻基本上垂直的特征的方法，所述方法包括在半导体衬底上沉积掩模；保持真空室内半导体衬底的温度为近似160℃以上；和用溴化氢和氮气的混合物蚀刻半导体衬底。
9.如权利要求8所述的方法，其中半导体衬底还包括铟。
10.如权利要求8所述的方法，其中半导体衬底还包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一种。
11.如权利要求8所述的方法，还包括用高密度等离子体源实施蚀刻步骤的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，还包括用电感耦合等离子体源实施蚀刻步骤的步骤。
13.如权利要求8所述的方法，其中蚀刻以至少2μm/min的速度实施。
14.如权利要求8所述的方法，还包括保持真空室中的压力为近似5毫托的步骤。
15.一种用于蚀刻半导体衬底中的特征的设备，其中所述特征基本上垂直于半导体衬底的表面，所述设备包括保持半导体衬底温度在近似160℃以上的温度的加热器；和提供溴化氢和氮气的混合物以用于蚀刻半导体衬底的气体供给。
16.如权利要求15所述的设备，还包括电感耦合等离子体源。
17.如权利要求15所述的设备，其中半导体衬底包含至少一些铟。
18.如权利要求15所述的设备，其中半导体衬底还包括InP、InGaAs和InGaAsP中的至少一种。
19.如权利要求15所述的设备，还包括以至少2μm/min的速度蚀刻半导体衬底的蚀刻工具。
20.如权利要求15所述的设备，还包括在蚀刻半导体衬底的过程中用来保持近似5毫托压力的压力调节器。
全文摘要
本发明公开了一种可供选择的蚀刻化学组成，该化学组成可以提供固有地各向异性蚀刻，并且在不需要高分子聚合物沉积作用的条件下消除刻痕形成。蚀刻在高于近似160℃的衬底温度下用HBr和N
文档编号H01L21/461GK1669128SQ03817249
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月9日 优先权日2002年7月19日
发明者李耀升 申请人:优利讯美国有限公司