(57)【要約】本発明により、本質的に異方性のエッチングをもたらし大量のポリマー堆積物を必要とせずにノッチ形成をなくすことができる代替の化学エッチングが提供される。約１６０℃を超える基板温度で、ＨＢｒ及びＮ２の組合せでこのエッチングを行い基本的にノッチがなくカーボンポリマーのない異方性エッチング法を提供する。この代替の化学エッチングによって、ＩＣＰプラズマエッチングシステム中で、インジウムを含む多層構造中に滑らかな側壁を有するほぼ垂直なフィーチャを作製することが可能になる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体ヘテロ構造を異方性乾式エッチングする方法であって、
前記へテロ構造の表面を選択的にマスキングするステップと、
前記ヘテロ構造のマスキングされない部分を主表面にほぼ垂直な方向に異方性エッチングするために、前記マスキングしたヘテロ構造を臭化水素及び窒素の混合物を含むプラズマに曝すステップとを含む、上記方法。
【請求項２】
前記半導体ヘテロ構造を１６０℃を超える温度で維持するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記半導体ヘテロ構造がインジウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記半導体ヘテロ構造が、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記方法を誘導結合プラズマエッチングシステムで実施するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記エッチングを少なくとも２μｍ／分の速度で実施する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ヘテロ構造をエッチングする間、約５ミリトールの圧力に維持するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
真空チャンバ中で半導体基板中にほぼ垂直なフィーチャをエッチングする方法であって、
前記半導体基板上にマスクを堆積させるステップと、
前記真空チャンバ中で前記半導体基板の温度を約１６０℃を超えて維持するステップと、
臭化水素及び窒素の混合物で前記半導体基板をエッチングするステップとを含む、上記方法。
【請求項９】
前記半導体基板がさらにインジウムを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記半導体基板が、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記エッチングステップを高密度プラズマ源で実施するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記エッチングステップを誘導結合プラズマ源で実施するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記エッチングを少なくとも２μｍ／分の速度で実施する、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記真空チャンバ中の圧力を約５ミリトールに維持するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
半導体基板中のフィーチャをエッチングするためのデバイスであって、前記フィーチャが前記半導体基板の表面にほぼ垂直であり、
前記半導体基板の温度を約１６０℃を超える温度に維持するためのヒータと、
前記半導体基板のエッチングに使用する臭化水素及び窒素の混合物を供給するためのガス供給部とを備える、上記デバイス。
【請求項１６】
誘導結合プラズマ源をさらに含む、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記半導体基板が少なくともいくらかのインジウムを含有する、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記半導体基板が、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記半導体基板を２μｍ／分の速度でエッチングするためのエッチング手段をさらに備える、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記半導体基板をエッチングする間に約５ミリトールの圧力に維持するための圧力調整器をさらに備える、請求項１５に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている本願権利者が所有する２００２年７月１９日出願の「多層構造の高温異方性エッチング（ＨＩＧＨ  ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＡＮＩＳＯＴＲＯＰＩＣ  ＥＴＣＨＩＮＧ  ＯＦ  ＭＵＬＴＩ−ＬＡＹＥＲ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ）」という名称の米国仮出願第６０／３９７，１８５号の優先権を主張するものであり、それに関連している。
【０００２】
本発明は、一般に、半導体製造分野に関する。より詳細には、本発明は、相対的に高い基板温度でＨＢｒ及びＮ２の組合せを使用して、プラズマエッチングシステム中でインジウム含有材料用の本質的にノッチが無く清浄な異方性エッチング方法を提供することに関する。
【背景技術】
【０００３】
インジウム含有多層構造（ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓＰ）は、垂直キャビティー面−発光レーザ及びリッジ導波路を含む光電子デバイスの製作においてより重要になっている。インジウム含有材料を乾式エッチングする方法のほとんどは、メタン／水素混合物（ＣＨ４／Ｈ２）及び塩素ベースのプラズマを使用する。ＣＨ４／Ｈ２ベースのプラズマはＩｎＰのエッチングに幅広く使用されてきたが、エッチング速度が遅く、ポリマー堆積によってエッチング装置及びエッチングされる試料の汚染が生じる。エッチング速度が遅く、不安定なエッチング条件は大量生産には受け入れられない。塩素ベースの化学物質が、基板温度２００℃前後で滑らかな表面状態及び高いエッチング速度でＩｎＰをエッチングすることが報告されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、我々は、塩素ベースの化学物質（Ｃｌ２、ＢＣｌ３）がこれらの材料の異なるエッチング速度のために多層構造中にノッチを発生させることを発見した。我々は、このノッチ形成が再成長などの後続のプロセスステップを妨げることを見出した。ＨＢｒやＢｒ２などの臭素ベースの化学物質もＩｎＰをエッチングすることが報告されているが、ＨＢｒ又はＨＢｒ／Ａｒプラズマは通常、激しいアンダーカットをもたらし、このため、さらに処理をする場合には受け入れられない。
【０００５】
これらの用途には垂直エッチングが主な要件であり、このため、追加のガスをプラズマに加えて側壁の表面安定化を改善し、アンダーカットをなくしてきた。最も一般的な方法は、ＣＨ４などの炭化水素を使用して側壁上にアンダーカットを防ぐ炭化水素ポリマーを形成することである。このポリマー形成は、アンダーカットを減少させるのに有用であるが、我々は側壁上に形成されたこのポリマーが再成長を阻害させることを見出した。したがって、エッチングした後で、ポリマーを除去する必要がある。一般的には、酸素プラズマ又は市販のストリッパを使用してその場で除去する。しかし、この余分な処理ステップによってこの方法のコストが高くなる。したがって、エッチング後のどんな清浄化処理の必要性も減少させるかなくすことが極めて有利になるはずである。さらに、エッチングの間でチャンバ中に形成される大量のポリマー堆積物によって、プロセスが数サイクル経過した後で緩やかなプロセスシフトが生じる。
【０００６】
窒素（Ｎ２）は、エッチングプロファイルの垂直性を向上させるガス混合物への添加物として報告されてきた。サトシ（Ｓａｔｏｓｈｉ）らによる以前の研究では、以下のプロセス空間中での反応性イオンビーム構成でＢｒ２／Ｎ２化学物質を用いることが開示されている。
Ｎ２    ０．２３ミリトール
Ｂｒ２  ０〜０．１ミリトール
温度    ４０〜２００℃
【０００７】
滑らかな垂直側壁を実現するために、このサトシ法は０．０４ミリトール以下のＢｒ２圧及び１００℃を超える温度に限定された。
【０００８】
トーマス（Ｔｈｏｍａｓ）らは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システム中でＩｎＰをエッチングするためのＣｌ２／Ａｒ／Ｎ２ベースの方法を開示した。この方法は、１８０℃の高温で作動し、その結果、１．６μｍ／分のエッチング速度が得られ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰエピタキシャルスタックの場合垂直なフィーチャ側壁が得られた。
【０００９】
チノ（Ｃｈｉｎｏ）らは、ハロゲン／Ｎ２ガス混合物を使用して１００℃〜２００℃の温度でＩｎＰの異方性エッチングを行い滑らかなエッチング表面が得られることを開示している（米国特許第５，９６８，８４５号及び第６，１２７，２０１号）。
【００１０】
リサン（Ｌｉｓｈａｎ）らは、（２５℃〜１６０℃）の温度範囲でＩｎＰをエッチングするための水素／臭素（ＨＢｒ、ＨＢｒ／Ａｒ、ＨＢｒ／Ｈｅ）ベースの諸方法を開示した（２００１年ＧａＡｓマンテック紀要（ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，  ＧａＡｓ  ＭＡＮＴＥＣＨ））。これらの室温法によって、より緩やかなＩｎＰのエッチング速度（＜２０００Å／分）及び傾斜したフィーチャプロファイルが得られた。高温でエッチングした結果、より速いエッチング速度（約１μｍ／分）及び下流のリフトオフメタライゼーション方法に適したアンダーカットフィーチャが得られた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の好ましい実施形態は、インジウム含有化合物半導体ヘテロ構造を異方性乾式エッチングをするための方法を対象とする。最も好ましくは、この化合物半導体ヘテロ構造はＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓＰのうちの少なくとも１つを含む。これらの方法によりヘテロ構造の表面が選択的にマスキングされる。次いで、この選択的にマスキングされたヘテロ構造を、臭化水素及び窒素の混合物を含むプラズマに曝して、層界面にノッチを生じさせずに主表面に対してほぼ垂直な方向にヘテロ構造のマスキングされない部分に異方性エッチングを行う。好ましくは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置で少なくとも２μｍ／分の速度及び約５ミリトールの圧力でこのエッチングを行う。ＲＩＥ、ＥＣＲ、又はヘリコンなどの他のプラズマ技法も同様に使用することができる。この半導体ヘテロ構造を１６０℃を超える温度に維持する。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、エッチングチャンバ中で半導体基板中でほぼ垂直なフィーチャをエッチングする方法を対象とする。エッチングチャンバ中の半導体基板温度を、約１６０℃を超えて維持する。半導体基板上にマスクを堆積させる。次いで、臭化水素及び窒素の混合物で半導体基板をエッチングする。
【００１３】
本発明のさらに別の実施形態は、少なくともいくつかのインジウムを含有する半導体基板中にフィーチャをエッチングするためのデバイスを対象とし、このフィーチャは、半導体基板の表面にほぼ垂直である。このデバイスは、約１６０℃を超える温度に半導体基板の温度を維持するためのヒータを備える。ガス供給装置によって半導体基板のエッチングに使用する臭化水素及び窒素の混合物を供給する。誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源によって、圧力調整器によって圧力を半導体基板のエッチングの間約５ミリトールに維持しながら、２μｍ／分の速度で半導体基板をエッチングする。
【００１４】
上記で説明した方法及び装置は、それらが滑らかな側壁を有する半導体基板中にほぼ垂直なフィーチャを作製する点で有利である。特に、異なる層の界面でノッチが発生する証拠は何もない。プロセスのエッチング速度をそれほど損なわず、時間のかかる非効率的な追加の処理ステップを必要とせずに、この滑らかなフィーチャは形成される。したがって、本発明は従来技術に対して実質的な改善を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、本質的に異方性のエッチングをもたらし大量のポリマー堆積を必要とせずノッチ形成をなくすことができる代替の化学エッチングを対象とする。より詳細には、本発明の好ましい諸実施形態は、１６０℃を超える基板温度でＨＢｒとＮ２の組合せを用いて、ＩＣＰプラズマエッチングシステム中でインジウム含有材料に本質的にノッチが無く、カーボンポリマーの無い異方性エッチングを行う方法を提供することを対象とする。
【００１６】
本発明の好ましい一実施形態では、エッチングの間、側壁を保護しアンダーカットを妨げるために窒素を添加した臭化水素を用いるインジウム含有多層構造の高密度（ＩＣＰ）プラズマエッチング法が開示される。このエッチングは、好ましくは、約１６０℃を超える基板温度で実施する。これらの条件下でエッチングすることによって汚染が無く、ノッチの無い構造が得られる。さらに、インジウム含有の多層構造をエッチングすると、少なくとも２μｍ／分のエッチング速度が達成される。この方法のＳｉＮｘ又はＳｉＯ２に対する選択性は、一般的に、２０：１を超える。
【００１７】
ＨＢｒ／Ｎ２化学反応の中心点プロセス（ｃｅｎｔｅｒ−ｐｏｉｎｔ  ｐｒｏｃｅｓｓ）は以下が好ましい：
ＨＢｒ        ６０ｓｃｃｍ
Ｎ２          ９ｓｃｃｍ
圧力          ５ｍトール
ＲＦバイアス  １００Ｗ
ＩＣＰ電力    ６００Ｗ
温度          １６０℃
【００１８】
以下及び図１ａないしｃにより詳細に説明するように、パターン形成された３タイプのウェハを使用して本発明の好ましい実施形態の有用性が示された。図１ａにＩｎＰ４及びＩｎＧａＡｓＰ６層がその上に交互に堆積されたＩｎＰ基板層２からなる層状のウェハを示す。ＳｉＯ２マスク８が、ＩｎＰ層４の上面を覆う。このマスク８は、これらのＩｎＰ４及びＩｎＧａＡｓＰ６層がエッチングされるのを可能にする開口１０を有する。図１ｂに、エッチング用のパターン付き穴（ｐａｔｔｅｒｎ  ｈｏｌｅ）１６を有するＩｎＰ基板１４上に直接堆積されたＳｉＯ２マスク１２を示す。図１ｃに、ＩｎＰ２２の複数の層を有するＩｎＰ基板層２０並びにその上に堆積されたＩｎＧａＡｓＰ２４及びＩｎＧａＡｓ２５が組み入れられた層からなる層状のウェハを示す。ＳｉＮｘマスク２８中にパターン付き穴２６を設ける。
【００１９】
図１ａに示す、パターン化されたインジウム含有多層ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰ構造をＩＣＰプラズマ中、ＨＢｒ／ＢＣｌ３／ＣＨ４／Ａｒでエッチングした。図２に示すようにエッチング後に重大なノッチ３０が観察された。ガス混合物からＢＣｌ３を除去すると図３に示すようにノッチ３２がかなり減少した。このノッチ発生の減少は、基板上で実施される再成長などのその後の処理ステップが可能になる点で重要である。しかし、側壁上に堆積した炭化水素ポリマーのために後処理ステップなく後に続く再成長処理ステップは困難である。追加の後処理ステップの使用は、製造プロセス全体のコストが増大する点で望ましくない。
【００２０】
ガス混合物からカーボンポリマー形成成分（ＣＨ４）を除去すると、図４に示されるような図１ｂの構造をエッチングするためにＨＢｒ／Ａｒプラズマを使用するとき、マスクの激しいアンダーカット３４が生じる。
【００２１】
図５に、ＨＢｒ／Ｎ２を使用して基板温度１６０℃で図１ｂのバルクＩｎＰ構造にＩＣＰプラズマエッチングを行うことを示している。垂直で滑らかなエッチング表面３６が観察された。ＩＣＰプラズマ中のＨＢｒ／Ｎ２を、インジウム含有のＩｎＰ層２２、ＩｎＧａＡｓ層２５、及びＩｎＧａＡｓＰ層２４の多層を含む図１ｃの構造に使用すると、図６及び図７に示すような高度に垂直で、ノッチが無く、滑らかで清浄な表面３８が観察された。
【００２２】
エッチングプロセスの際に垂直でノッチが無く滑らかで清浄な表面を作製することは、当業者に容易に理解される様々な方法にとって明らかに有益である。垂直キャビティー面発光レーザ及びリッジ導波管を含む光電子デバイスの製作は、本発明が有利に適用できる単なる例示的なプロセスである。
【００２３】
本明細書で示し説明した本発明の具体的な諸実施形態は例示的なものに過ぎないことは理解されよう。今や、本発明の精神及び範疇から逸脱することなく、多くの変形形態、変更形態、代替形態、及び等価形態を当業者なら思いつくであろう。したがって、本明細書で説明し添付の図面で図示した全ての対象は例示するためだけであり限定するものではないとみなすものとし、本発明の範疇は添付の特許請求に範囲のみによって決定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１ａ】本発明の好ましい実施形態に従うエッチングに適するインジウム含有基板の一概略図である。
【図１ｂ】本発明の好ましい実施形態に従うエッチングに適するインジウム含有基板の一概略図である。
【図１ｃ】本発明の好ましい実施形態に従うエッチングに適するインジウム含有基板の一概略図である。
【図２】図１ａの基板をＩＣＰプラズマ中でＨＢｒ／ＢＣｌ３／ＣＨ４／Ａｒでエッチングすることによって得られるノッチのＳＥＭ像である。
【図３】図２のノッチを作製するのに使用されるガス混合物からＢＣｌ３を除去した後の最小化されたノッチのＳＥＭ像である。
【図４】ＨＢｒ／Ａｒプラズマを使用して図１ｂの構造をエッチングした結果生じる激しいアンダーカットを示す図である。
【図５】ＨＢｒ／Ｎ２を使用して約１６０℃の基板温度で図１ｂの構造をＩＣＰプラズマエッチングすることを示す図である。
【図６】ＨＢｒ／Ｎ２を使用して図１ｃの構造にＩＣＰプラズマエッチングを行った結果を示す図である。
【図７】ＨＢｒ／Ｎ２を使用して図１ｃの構造にＩＣＰプラズマエッチングを行った結果をさらに示す図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005534200.tif 000009
【図７】
2005534200.tif 000010
【国際調査報告】
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