CN1609712B - 在用于光电子器件的iii-v族化合物中蚀刻光滑侧壁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在RIE和/或ICP系统中，使用BCl₃以及CH₄和H₂的化学气体蚀刻基于III-V族的化合物的方法，以生成用于光电子应用的光滑侧壁。根据本发明，可以添加HI或IBr或第VIII族元素(Br、F、I)的一些气态组合。

Description

在用于光电子器件的III-V族化合物中蚀刻光滑侧壁的方法

技术领域

本发明一般地涉及光电子器件的加工方法，具体地，涉及在用于光电子器件的III-V族化合物中蚀刻光滑侧壁的方法。

背景技术

在III-V族化合物中蚀刻出光滑的侧壁对于光学应用较重要。光电子器件内的散射损耗与侧壁的粗糙度成比例。因此，诸如波导管、微片共振器(microdisc resonator)、光子晶体波导管和光子晶体共振器之类的器件的性能取决于侧壁粗糙度的减小。由于波导管表面的散射损耗是传播损耗的一大部分，InP和GaAs中的单模脊状波导管通常需要0.5μm级的尺寸以维持单模性能。为获得低损耗波导管，蚀刻例如InP的III-V族化合物的大部分工作已集中在标准反应式离子蚀刻(RIE)系统内的CH₄∶H₂化学气体。标准RIE系统内生成的侧壁特征在于侧壁是倾斜的。有些光电子器件需要高度垂直的侧壁几何形状以获得改善的器件性能。例如，在光子晶格中，提供高度垂直的侧壁几何形状以允许较大的光子能带隙对于器件性能非常重要。因此，能够获得高度垂直的侧壁几何形状以及光滑的侧壁的蚀刻化学气体是人们所期望的。

感应耦合等离子体(ICP)蚀刻系统由于活性粒子密度的增加，对于大部分材料通常生成更高程度的垂直蚀刻。但是，化学气体的选择在获得高的纵横比(aspect ratio)蚀刻中仍起重要的作用。通常，基于CH₄∶H₂的化学气体用来蚀刻InP；但是，基于CH₄∶H₂的化学气体难以蚀刻出非常高的纵横比。由于氯气的高活性，使用基于氯气的化学气体对于获得高的纵横比蚀刻存在问题。Mirkarimi近来的工作(见代理案卷号No.10030753)已表明：利用HBr∶CH₄∶H₂化学气体来获得III-V族化合物中深的蚀刻是有用的。但是，当使用HBr∶CH₄∶H₂化学气体时，在一些例如InGaAsP的四元合成物中蚀刻出的III-V族结构的侧壁呈现出粗糙的侧壁。

发明内容

添加BCl₃的化学气体用来提供高的纵横比蚀刻以及光滑的侧壁。BCl₃的添加提高了蚀刻出的侧壁和其他表面的光滑度。通过添加BCl₃，窄波导的光损耗通常减小10个因子，并且可获得370nm/min的常规蚀刻速度，而使用标准的基于CH₄∶H₂的化学气体，蚀刻速度为35nm/min。

附图说明

图1A-1C表示根据本发明蚀刻光滑的、纵横比高的侧壁的步骤。

图2表示根据本发明传播损耗随蚀刻剂中BCl₃体积百分比的变化曲线。

图3表示根据本发明能够进行RIE和ICP模式的反应器。

图4A-4B表示根据本发明添加ICP模式的效果。

具体实施方式

根据本发明的实施例，通常是SiO₂或Si₃N₄的合适掩模层120(见图1A)生长在样品100的III-V族外延层110上或III-V族衬底105上。层130是光刻胶或电子束抗蚀剂。常规的III-V族材料是例如Al、Ga、In和B的第III族元素与例如N、P、As和Sb的第V族元素的组合。根据本发明，SiO₂或Si₃N₄掩模120或其他类似掩模材料的使用提供了掩模材料与III-V族材料之间的蚀刻选择性。取决于蚀刻条件，InP/SiO₂的蚀刻速度比在20-50范围内，这是相当大的。基于氯气Cl₂的化学气体无法满足这些类型的蚀刻比。在图1B中，掩模层120通过光刻而被界定出范围，例如直接刻印电子束、标准接触光刻技术或其他适于所期望的通常为1μm级的特征尺寸的光刻技术。通常，在RIE系统中，利用例如CHF₃的干法蚀刻技术将所期望的蚀刻图案转印进掩模层120。然后，利用RIE或感应耦合等离子体(ICP)系统蚀刻样品100，生成具有光滑侧壁115的、纵横比高的结构。在图1C中，利用溶剂浴以及随后的高压(400mTorr)O₂等离子体清洗来去除光刻胶层130。

根据本发明的实施例，然后，包括CH₄、H₂、HBr和BCl₃的化学气体用来将光刻界定出的特征转印进III-V族层110或III-V族衬底105。包括CH₄、H₂、HBr和BCl₃的化学气体通过在侧壁150上形成钝化层来提供所期望的光滑蚀刻。图1中侧壁150的光滑度可以由扫描电子显微镜来估计，而这个光滑度接着会影响传播损耗的测量值。注意，根据本发明，HI或IBr、或第VII族气态元素(Br、F、I)的一些组合可代替HBr。碘(I)的行为通常类似于溴(Br)，并且例如与氯(Cl)相比较，将与铟(In)形成挥发度更低的盐，又在侧壁150上形成钝化层。另外，根据本发明，BCl₃可以与H₂和CH₄一起使用，以使CH₄与H₂的比大于1∶1，例如2∶1。

根据本发明，蚀刻化学气体通常是HBr∶CH₄∶H₂∶BCl₃。在根据本发明的典型实施例中，HBr∶CH₄∶H₂的比设定为约30∶5∶5，而BCl₃可调节到最多约50％体积。尽管仅使用RIE，通常就会实现表面粗糙度的大幅下降，但使用ICP来代替RIE，通常会增加光滑度。

在根据本发明的实施例中，HBr∶CH₄∶H₂的比设定为约30∶5∶5，而BCl₃通常调节为约33％体积。通常，对于这个实施例，传播损耗与侧壁115的表面粗糙度都会大幅下降。从图2的曲线200来看，很明显：随着BCl₃的浓度接近约33％体积，传播损耗下降；随着BCl₃的浓度超过约33％体积，传播损耗由于侧壁115表面粗糙度的增加而上升。

参照图3，根据本发明的反应器305的典型参数值是：反应器305通常在2-20mTorr范围的压力下，具有通常以约13.56mHz并在0-200W下运行的射频(RF)发生器310，同时具有通常以约2mHz并在50-800W下运行的RF发生器320。样品100放置在加热器350上。对于基于InP的材料，温度设定为60℃，但是可预料到蚀刻过程中的实际温度可能更高。温度设定是根据正被蚀刻的材料来确定的，对于其他在研究中的III-V族材料温度可以更高或更低。

通过提供感应耦合等离子体(ICP)功率，RF发生器320增加了离子化粒子的数量，并能在减小对侧壁115损坏的同时而实现各向异性的蚀刻，这从图4A和4B可清楚看到。图4A表示使用仅导致纯RIE蚀刻的RF发生器310时的侧壁115的电子显微照片。BCl₃∶HBr∶H₂∶CH₄设为3∶32∶4∶4，并且BCl₃设定为7％体积。图4B表示当使用包括了ICP模式在内的反应器305、以使RF发生器310和RF发生器320都被应用时，明显更光滑的侧壁115的电子显微照片。BCl₃∶HBr∶H₂∶CH₄设为3∶32∶4∶4，并且BCl₃设定为7％体积。

在根据本发明的实施例中，反应器305中，在通常约5mTorr的压力下，RF 310通常设定在约100W下，而RF 320通常设定在约400W下。但是，在这些条件下，有效的直流偏压约为350V。对于一些光学应用，这个直流偏压值可能太高，由于高度激发的引入离子会导致蚀刻破坏。通常通过降低RF1 310到75W以下可以减小直流偏压。RF1 310的下降减小了直流偏压，同时保持了光滑的侧壁结构。

虽然已结合特定实施例描述了本发明，但显然对于本领域的技术人员而言，根据前述说明，可以实现许多替换、改进和变化。因此，本发明意在涵盖所有其他的、落在所附权利要求的精神和范围内的这种替换、改进和变化。

Claims (9)

1.一种蚀刻基于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；

将所述基于III-V族的化合物和所述掩模放置进压力在2mTorr至20mTorr之间的反应器内；

将选自HBr、HI和IBr的第一气体引入所述反应器内；

将第二气体BCl₃引入所述反应器内；

引入第三气体CH₄；

引入第四气体H₂；

其中所述第二气体的浓度在5％至75％体积范围内，以及

将所述基于III-V族的化合物暴露在包括所述第一、第二、第三和第四气体的气体等离子体中，以蚀刻出光滑的、纵横比高的侧壁。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述基于III-V族的化合物包括铟。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述气体等离子体是使用反应式离子蚀刻系统而生成的。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述气体等离子体是使用组合的反应式离子蚀刻和感应耦合等离子体系统而生成的。

5.如权利要求4所述的方法，其中第一射频发生器在0-200W下运行，并且第二射频发生器在50-800W下运行。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一气体的浓度在10％至75％体积范围内。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述基于III-V族的化合物被加热到60℃的起始温度。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述CH₄和所述H₂的比大于1∶1。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述CH₄和所述H₂的比为2∶1。

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