CN103258730A - Icp干法刻蚀工艺制备剖面为正梯形的台面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备剖面为正梯形的台面的方法，包括如下步骤：S1、在一个刻蚀基片表面淀积一个硬掩膜层；S2、在所述硬掩膜层的表面涂布抗蚀剂；S3、在所述抗蚀剂表面形成刻蚀图形；S4、按照所述刻蚀图形对所述硬掩膜层进行刻蚀，以将所述刻蚀图形转移到所述硬掩膜层上，再将所述抗蚀剂去除；S5、通过ICP干法刻蚀技术刻蚀所述刻蚀基片，从而将硬掩膜层的图形转移到刻蚀基片上，其中，调整该ICP干法刻蚀的刻蚀条件得到侧壁与凹陷底部成钝角的凹陷；S6、去除硬掩膜层，从而形成剖面为正梯形的台面。本发明能够形成用于与金属电极连接的具有正梯形的剖面的半导体台面，以防止安装在台面上的金属电极的断裂。

Description

ICP干法刻蚀工艺制备剖面为正梯形的台面的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料与器件制造领域，具体涉及一种刻蚀半导体的方法，特别是一种利用ICP干法刻蚀工艺来制备剖面为正梯形的台面的方法。

背景技术

光电领域的快速发展催生了对在半导体表面制作纳米结构的方法的需求，典型的做法是通过多种技术手段在半导体基片上刻蚀出纳米结构。例如，过去经常利用化学湿法腐蚀技术制作多种尺寸相对来说较大的半导体结构。但是，湿法化学腐蚀技术是各向同性的，从而会限制制作结构的高宽比，而且这一工艺的均匀性差。光电工业的产品生产需要比化学湿法腐蚀可控性更好的刻蚀工艺。

半导体化学湿法腐蚀工艺本身的缺点促使干法刻蚀工艺不断发展。例如，反应离子刻蚀已经被应用在刻蚀形貌可控性更好的硅基片刻蚀上。反应离子刻蚀是气相等离子体中的原子、分子与基片表面反应，形成挥发性自由基团或离子的化学过程和离子轰击基片表面的物理过程相结合的一种干法刻蚀。刻蚀前，可以利用掩膜层形成刻蚀形状对基片进行刻蚀。由于带正电反应离子几近垂直的的刻蚀特性，所以对基片侧壁处的刻蚀要慢很多。通常可采用例如SiO₂，Si₃N₄或是金属等作为半导体光刻中的硬掩膜材料。但是这些掩膜很难制作，因为它们需要在甩光抗蚀剂之前利用一步真空蒸发技术形成。硬掩膜使工艺更为复杂并且增加了工艺步骤。另外，刻蚀后还需要通过干法刻蚀或是湿法刻蚀去除硬掩膜层。而且，这些材料在刻蚀过程中与刻蚀气体以接近于II-VI或III-V的反应速率发生刻蚀反应，这一特性使其使其应用受到限制。但是反应离子刻蚀对于半导体例如对硅的刻蚀来讲是非常有用的，刻蚀过程中产生的可挥发的副产物可以通过真空泵抽走去消除。但反应离子刻蚀对于II-VI族化合物来讲并不适用，因为这些材料不易与反应离子产生反应并且并不形成可挥发性副产物。

ICP干法刻蚀属于反应离子刻蚀。它是在刻蚀方式中产生低气压、高密度的气相原子和离子的一种方法。ICP刻蚀系统结构包括如下，电绝缘的真空室外绕有发射天线线圈，当通过匹配网络将射频功率加到天线上时，天线中有射频电流流过，于是产生射频磁通，且在真空容器内部沿容器的轴方向感应出射频电场。真空中的电子从而被加速获得较高的动能，高能电子通过非弹性碰撞使气体分子和原子电离、离解，产生等离子体。等离子体在反应室内与样品发生反应，离子轰击的能量由连接样品台的偏压电源提供。

ICP干法刻蚀，即感应耦合等离子体刻蚀方法，是指在真空状态下通入一定量的反应气体，在射频电场作用下形成等离子体对半导体材料进行刻蚀，得到所需要的器件外形结构的一种半导体工艺方法。本方法可以刻蚀半导体，例如II-VI、III-V半导体。这种方法能够快速，有效，有选择性并且经济的刻蚀这些半导体材料并能形成光电器件，例如发光二级管和单光子探测器等。

ICP干法刻蚀由于具有良好的各向异性，在深刻蚀和微纳刻蚀方面被公认可以很好地对大部分半导体材料进行形状刻蚀。其中，氯基反应气体体系刻蚀广泛地应用于III-V及II-VI半导体材料，用于制作各类光电器件及探测器。反应气体体系包括Cl₂/Ar，Cl₂/N₂，Cl₂/He，Cl₂/BCl₃/Ar，BCl₃/Ar，BrCl₃，SiCl₄/Ar，CCl₂F₂/H₂/Ar等也已经被研究。其中，Cl₂是常用的刻蚀气体。氯气在电感耦合高能高频电磁场中被电离后，通常情况下其主要产物有Cl，Cl*，Cl₂ ⁺，Cl^-。这些电离生成物中，氯原子(Cl)可以有效地发生刻蚀化学反应，而正离子Cl₂ ⁺起主要的轰击作用。为了减小化学反应的横向钻蚀，可以在刻蚀气体中加入三氯化硼(BCl₃)蒸汽。三氯化硼蒸汽在等离子体中所产生的BCl_x原子团会形成聚合物，这些聚合物会在GaAs侧壁沉积，进而抑制横向的化学钻蚀，改善刻蚀的图形的陡直度，可刻蚀出高深宽比的结构。但是这些反应体和它们的产物通常都是具有腐蚀性并且有毒。同时发现氯基反应离子刻蚀方法由于Cl₂残余物的腐蚀性导致刻蚀后出现退化问题。

然而，过去的刻蚀方法大部分主要注重于对基片或器件的刻蚀速率或刻蚀形貌，针对制作剖面呈现正梯形的台面的刻蚀方法并没有被专门研究。而在一类光电器件中，呈现正梯形的剖面的台面对于半导体器件展示良好的特性来说是非常重要的。例如，在用作近红外光探测器的量子点调制掺杂场效应晶体管中，此类纳米正梯形台面有利于栅极金属的连接，对于形成良好的半透明金属栅极起到非常大的作用，从而有利于发挥晶体管的光探测作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提出一种利用ICP干法刻蚀工艺刻蚀出具有正梯形剖面的台面的方法，以利于外部金属电极和台面上的金属电极容易连接。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种制备剖面为正梯形的台面的方法，包括如下步骤：S1、在一个刻蚀基片表面淀积一个硬掩膜层；S2、在所述硬掩膜层的表面涂布抗蚀剂；S3、在所述抗蚀剂表面形成刻蚀图形；S4、按照所述刻蚀图形对所述硬掩膜层进行刻蚀，以将所述刻蚀图形转移到所述硬掩膜层上，再将所述抗蚀剂去除；S5、通过ICP干法刻蚀技术刻蚀所述刻蚀基片，从而将硬掩膜层的图形转移到刻蚀基片上，其中，调整该ICP干法刻蚀的刻蚀条件得到侧壁与凹陷底部成钝角的凹陷；S6、去除硬掩膜层，从而形成剖面为正梯形的台面。

根据本发明的一种具体实施方式，所述刻蚀基片是GaAs基片，所述硬掩膜层为SiO₂硬掩膜层。

根据本发明的一种具体实施方式，在步骤S5中，所述刻蚀气体配比为Cl₂∶BCl₃＝5∶25，射频功率设为20w，腔室压强4mtorr，ICP功率为600w。

(三)有益效果

本发明的方法采用ICP干法刻蚀工艺，能够形成用于与金属电极连接的具有正梯形的剖面的半导体台面，以防止安装在台面上的金属电极的断裂。

本发明的方法操作简单，直接高效，并可以通过显示器即时清晰地观察刻蚀过程和刻蚀结果，能具选择性地、经济地刻蚀半导体基片。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的制备GaAs基InAs量子点场效应晶体管中的正梯形纳米台面的步骤S1的示意图；

图2是根据本发明的实施例的制备GaAs基InAs量子点场效应晶体管中的正梯形纳米台面的步骤S2的示意图；

图3是根据本发明的实施例的制备GaAs基InAs量子点场效应晶体管中的正梯形纳米台面的步骤S3的示意图；

图4是根据本发明的实施例的制备GaAs基InAs量子点场效应晶体管中的正梯形纳米台面的步骤S4的示意图；

图5是根据本发明的实施例的制备GaAs基InAs量子点场效应晶体管中的正梯形纳米台面的步骤S5的示意图；

图6是根据本发明的实施例的制备GaAs基InAs量子点场效应晶体管中的正梯形纳米台面的步骤S6的示意图；

图7是根据本发明的实施例的制备GaAs基InAs量子点场效应晶体管中的正梯形纳米台面的SEM图。

具体实施方式

本发明提出一种利用ICP干法刻蚀工艺制备具有正梯形剖面的台面的方法，以解决器件中金属层形成电极的连接问题。因为，如果台面剖面比较陡直，则金属不易连接，容易发生断裂；当台面侧壁剖面呈现正梯形，即台面侧壁与底面形成一个钝角时，安装在台面上的金属更容易形成一层金属膜，即金属栅极的连接。这时所说的金属电极包括欧姆电极和肖特基栅电极。在此，正梯形是指顶边短于底边、两条侧边相等的梯形，正梯形的两个底角为锐角且相等。此外，台面是指对表面进行刻蚀之后形成的在凹陷(凹坑或凹槽等)之间的高台。台面通常相对于刻蚀形成的凹陷具有一个特定高度。由此也可知，当形成剖面为正梯形的台面时，需要刻蚀形成的凹陷的底部小于顶部，且底部与凹陷的侧壁成钝角关系。以场效应晶体管为例，所述台面是指位于肖特基栅极下方，欧姆接触电极之间的位置的突出于底面的一个方形台。

本发明的方法适用于刻蚀III-V、II-VI半导体或其化合物，并能刻蚀形成纳米级的台面。

本发明提供的方法主要包括：在真空腔室中放置的半导体，在半导体基片表面之上涂布一层抗蚀剂；利用反应气体将抗蚀剂去除并提供至少一层的可刻蚀层；然后，对此带有可刻蚀层的半导体进行干法刻蚀，综合调节刻蚀参数，例如刻蚀气体类型和流量、射频功率、ICP刻蚀功率和刻蚀时间等，制作形成具有正梯形侧壁剖面的台面。

本发明适用于III-V、II-VI半导体，III-V半导体包括铝、镓、铟、砷、磷、氮、锑以及它们的化合物等，II-VI半导体包括钙、镁、锌、硫、硒、碲以及它们的化合物等。本发明采用的刻蚀气体包括氩、氪、氙、氦、氖、氮或是它们的化合物等。

更具体的说，本发明的利用ICP干法刻蚀工艺制备剖面为正梯形的台面的方法包括如下步骤：

步骤S1：在一个刻蚀基片表面淀积一个硬掩膜层。所述刻蚀基征例如是半导体晶片，诸叨唠砷化镓晶片、氮化镓晶片、硅晶片或二氧化硅晶片等，所述硬掩膜层例如是SiO₂，Si₃N₄或是金属等。

步骤S2：在所述硬掩膜层的表面涂布抗蚀剂。该抗蚀剂可以是电子束胶或光刻胶，可以正性胶或是负性胶。

步骤S3：在所述抗蚀剂表面形成刻蚀图形。该步骤可采用光刻技术或是电子束曝光技术。

步骤S4：采用干法刻蚀技术按照所形成的图形对硬掩膜层进行刻蚀，将所述图形转移到所述硬掩膜层上，再将抗蚀剂去除。

步骤S5：通过ICP干法刻蚀技术刻蚀所述刻蚀基片，从而将硬掩膜层的图形转移到刻蚀基片上。其间，通过调整ICP干法刻蚀气体的组成成分、比例构成、刻蚀功率和刻蚀时间等刻蚀条件得到侧壁与凹陷底部成钝角的凹陷。

步骤S6：去除硬掩膜层，从而形成剖面为正梯形的台面。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如附图1～6所示，该实施例以制备GaAs基InAs量子点场效应晶体管中的正梯形纳米台面上的肖特基电极为例。该实施例的方法包括：

步骤S1：在待制备肖特基电极的半导体晶体10上面采用PECVD方法淀积SiO₂硬掩膜层20。如图1所示，半导体晶片10为GaAs基片，其厚度为300nm，硬掩膜层20厚度为50nm。

步骤S2：在SiO₂硬掩膜层20表面涂布抗蚀剂30。如图2所示，根据曝光图形的大小，该抗蚀剂30可选用电子束胶(细小图形，例如图形宽度小于0.5μm)或者普通紫外光刻胶(较大图形，例如图形宽度大于0.5μm)，可以正性胶或是负性胶。该实施例中采用电子束胶EL4，制作图形宽度200nm。

步骤S3：在抗蚀剂30表面形成曝光图形40。如图3所示，该实施例中利用电子束曝光机Raith150-Turnkey对EL4进行曝光，得到所需图形，

步骤S4：采用ICP干法刻蚀技术，图形40进行刻蚀，将图形40转移到硬掩膜层20上，再将光抗蚀剂通过有机清洗的方法去除。如图4所示，该实施例中首先利用氧化硅ICP刻蚀机STS Multiplex AOE对硬掩膜层20进行图形转移，然后通过有机清洗去除电子束胶层40。

步骤S5：对基片做清洗处理后，再利用III-V族ICP刻蚀机OxfordSystem100对GaAs片10进行图形刻蚀。如图5所示，刻蚀气体配比为Cl₂∶BCl₃＝5∶25，射频功率设为20w，腔室压强4mtorr，ICP功率为600w，在半导体晶体10形成具有倾斜侧壁41的凹坑。

步骤S6：利用干法或湿法刻蚀工艺去除硬掩膜层20，由此在半导体晶片10上形成剖面为正梯形的台面42。并在此台面42上蒸发金属可形成电极。如图6所示，刻蚀后形成具有倾斜侧壁的台面42。该实施例采用湿法腐蚀方法将硬掩膜层20去除，然后利用电子束蒸发技术制作金属肖特基电极。

图7是该实施例的SEM图片。参见图7，图中中间位置示出了所刻蚀出的台面。本发明中主要发明点在于利用ICP干法刻蚀方法刻蚀台面侧壁与底面成钝角关系，以使台面整体剖面呈现正梯形，这样，搭在台面上形成金属栅极的金属层容易连接，不会发生断裂，否则当刻蚀侧壁与底面之间夹角近90度时，金属层容易断裂，影响器件性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种制备剖面为正梯形的台面的方法，包括如下步骤：

S1、在一个刻蚀基片表面淀积一个硬掩膜层；

S2、在所述硬掩膜层的表面涂布抗蚀剂；

S3、在所述抗蚀剂表面形成刻蚀图形；

S4、按照所述刻蚀图形对所述硬掩膜层进行刻蚀，以将所述刻蚀图形转移到所述硬掩膜层上，再将所述抗蚀剂去除；

S5、通过ICP干法刻蚀技术刻蚀所述刻蚀基片，从而将硬掩膜层的图形转移到刻蚀基片上，其中，调整该ICP干法刻蚀的刻蚀条件得到侧壁与凹陷底部成钝角的凹陷；

S6、去除硬掩膜层，从而形成剖面为正梯形的台面。

2.如权利要求1所述的制备剖面为正梯形的台面的方法，其特征在于：所述刻蚀基片是GaAs基片，所述硬掩膜层为SiO₂硬掩膜层。

3.如权利要求2所述的制备剖面为正梯形的台面的方法，其特征在于：在步骤S5中，所述刻蚀气体配比为Cl₂∶BCl₃＝5∶25，射频功率设为20w，腔室压强4mtorr，ICP功率为600w。

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