CN104064648B - Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其包括以下步骤：包括第一刻蚀阶段，所述第一刻蚀阶段包括以下步骤：向反应腔室内输入第一刻蚀气体，第一刻蚀气体中含有氮气，用以调节Ⅲ族化合物衬底的沟槽侧壁的倾斜角度；向反应腔室施加激励功率，以使所述第一刻蚀气体形成等离子体；向Ⅲ族化合物衬底施加偏压功率，以使所述等离子体刻蚀Ⅲ族化合物衬底。本发明提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其可以在不影响刻蚀速率以及刻蚀工艺的质量的前提下调整沟槽侧壁的倾斜角度，以使其达到理想的范围。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法。
背景技术
目前，GaN（氮化镓）发光二极管是LED行业的热点之一，而由于GaN发光二极管所产生的波长只在可见光中的蓝、紫光段，因而仅靠GaN基发光二极管无法获取三原色光，这使得波长在可见光中的红、黄光段的GaP/GaAs（磷化镓/砷化镓）发光二极管也逐渐受到人们的重视。
通常，在制备GaP/GaAs发光二极管的过程中，当对GaP/GaAs衬底完成外延工艺之后，还需要对具有外延层的GaP/GaAs衬底进行刻蚀工艺，以在GaP/GaAs衬底上形成沟槽。该刻蚀工艺通常采用Cl2（氯气）作为主刻蚀气体，BCl3（氯化硼）和Ar（氩气）作为辅助气体，典型的工艺参数为：反应腔室的腔室压力范围在3～5mT；激励功率为500W；偏压功率为100W；Cl2的流量范围在50～100sccm；BCl3的流量为10sccm；Ar的流量为10sccm。此外，为了增加发光二极管的出光面积，通常希望刻蚀后形成的沟槽侧壁的倾斜角度的范围在30°～50°，为此，可以采用下述两种方法对该倾斜角度进行调节，即：
第一种方法是降低偏压功率，并且偏压功率越小，则倾斜角度越小。实验表明，在将偏压功率调节至10W时，可以使倾斜角度的范围在30°～50°，典型的工艺参数为：反应腔室的腔室压力范围在3～5mT；激励功率为500W；偏压功率为10W；Cl2的流量范围在80～100sccm；BCl3的流量为10sccm；Ar的流量为10sccm；刻蚀后获得的沟槽形貌如图1所示。然而，采用该方法的问题在于：由于偏压功率的与刻蚀速率具有一定的对应关系，即，偏压功率越低，则刻蚀速率越低，通常在将偏压功率降低至10W时，刻蚀速率会降低至50nm/min左右，导致刻蚀工艺的效率大大降低。例如，当刻蚀厚度为4μm时，若偏压功率为100W时，则刻蚀时间为4min；若偏压功率为10W时，则刻蚀时间为80min。由此可知，刻蚀效率下降了95%。
第二种方法是提高腔室压力，并且腔室压力越高，则倾斜角度越小。实验表明，在将腔室压力调节至15mT时，可以使倾斜角度的范围在30°～50°，典型的工艺参数为：反应腔室的腔室压力范围在15mT；激励功率为500W；偏压功率为100W；Cl2的流量范围在80～100sccm；BCl3的流量为10sccm；Ar的流量为10sccm；刻蚀后获得的沟槽形貌如图2所示。然而，当反应腔室的腔室压力过高（大于8mT）时，又会产生下述问题，即：过高的腔室压力不仅会导致在GaP/GaAs衬底的整个刻蚀表面上中心区域的刻蚀速率较高而边缘区域的刻蚀速率较低，从而造成刻蚀工艺的均匀性变差；而且，过高的腔室压力还会导致在沟槽内生成的反应副产物不易排出，该反应副产物会在刻蚀表面形成掩膜，从而造成刻蚀表面上形成大量的针状物（Pillar），如图2所示，沟槽的形貌粗糙。
因此，如何在不影响刻蚀速率以及刻蚀工艺的质量的前提下使沟槽侧壁的倾斜角度达到理想的范围是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其可以在不影响刻蚀速率以及刻蚀工艺的质量的前提下调整沟槽侧壁的倾斜角度，以使其达到理想的范围。
为实现本发明的目的而提供一种Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，包括第一刻蚀阶段，所述第一刻蚀阶段包括以下步骤：
向反应腔室内输入第一刻蚀气体，所述第一刻蚀气体中含有氮气，所述氮气用于调节所述Ⅲ族化合物衬底的沟槽侧壁的倾斜角度；
向反应腔室施加激励功率，以使所述第一刻蚀气体形成等离子体；
向Ⅲ族化合物衬底施加偏压功率，以使所述等离子体刻蚀Ⅲ族化合物衬底。
优选地，所述氮气的流量范围在5～200sccm。
优选地，所述激励功率的范围在100～1000W。
优选地，所述偏压功率的范围在20～500W。
优选地，所述反应腔室的腔室压力的范围在2～20mT。
其中，所述第一刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中
所述主刻蚀气体包括氯气或氯氟化碳；
所述辅助气体包括氯化物气体和氮气，并且所述氯化物气体包括氯化硼、氯化硅或四氯化硅。
优选地，所述主刻蚀气体的流量范围在30～200sccm。
优选地，所述激励功率为500W；所述偏压功率为100W；所述腔室压力为5mT；所述主刻蚀气体为氯气，且其流量为90sccm；所述辅助气体包括氯化硼和氮气，并且所述氯化硼的流量为10sccm，所述氮气的流量为50sccm。
优选地，在所述反应腔室中，所述氮气的含量占所述第一刻蚀气体的总含量的百分比的范围在5%～50%。
其中，还包括第二刻蚀阶段，所述第二刻蚀阶段包括以下步骤：
向反应腔室内输入第二刻蚀气体，所述第二刻蚀气体中含有惰性气体，所述惰性气体用于使所述Ⅲ族化合物衬底的沟槽侧壁趋于垂直；所述惰性气体包括氩气或氦气；
向反应腔室施加激励功率，以使所述第二刻蚀气体形成等离子体；
向Ⅲ族化合物衬底施加偏压功率，以使所述等离子体刻蚀Ⅲ族化合物衬底；并且
在整个刻蚀过程中交替进行所述第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段。
其中，按先进行所述第一刻蚀阶段，后进行所述第二刻蚀阶段的顺序进行交替；或者，按先进行所述第二刻蚀阶段，后进行所述第一刻蚀阶段的顺序进行交替。
优选地，在进行所述第一刻蚀阶段时，所述激励功率为500W；所述偏压功率为100W；所述腔室压力的范围在3～5mT；所述第一刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中，所述主刻蚀气体为氯气，且其流量为90sccm；所述辅助气体包括氯化硼和氮气，并且所述氯化硼的流量为10sccm，所述氮气的流量为50sccm；
在进行所述第二刻蚀阶段时，所述激励功率为500W；所述偏压功率为100W；所述腔室压力的范围在3～5mT；所述第二刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中，所述主刻蚀气体为氯气，且其流量为90sccm；所述辅助气体包括氯化硼和氩气，并且所述氯化硼的流量为10sccm，所述氩气的流量为10sccm。
其中，所述Ⅲ族化合物衬底包括铝化物衬底、铟化物衬底或镓化物衬底。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其将氮气作为刻蚀气体之一通入反应腔室内，由于氮离子能够与化合物衬底中的Ⅲ族反应生成保护沟槽侧壁和底部的化合物，从而在沟槽的侧壁和底面形成化合物保护层，该化合物保护层会保护沟槽的侧壁和底部，与此同时，在偏压的作用下，等离子体朝向底部轰击的速度会大于朝向侧壁的轰击的速度，而侧壁会获得更好的保护，因此，沟槽的开口会随着刻蚀深度的增加而逐渐减小，从而形成具有一定倾斜角度的沟槽侧壁。而且，本发明提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法仅需调整氮气的含量占第一刻蚀气体的总含量的百分比，而无需改变偏压功率、腔室压力等的其他工艺参数，即可实现对沟槽侧壁的倾斜角度进行调整，这与现有技术中采用降低偏压功率或提高腔室压力来调整沟槽侧壁的倾斜角度的方式相比，可以在不影响刻蚀速率以及刻蚀工艺的质量的前提下调整沟槽侧壁的倾斜角度，以使其达到理想的范围。
附图说明
图1为采用较低的偏压功率时获得的Ⅲ族化合物衬底的沟槽的扫描电镜图；
图2为采用较高的腔室压力时获得的Ⅲ族化合物衬底的沟槽的扫描电镜图；
图3为本发明第一实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法的流程框图；
图4为采用本发明第一实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法刻蚀时获得的Ⅲ族化合物衬底的沟槽的扫描电镜图；
图5为本发明第二实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法的流程框图；
图6A为采用本发明第二实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法刻蚀时获得的一种Ⅲ族化合物衬底的沟槽的剖视图；以及
图6B为采用本发明第二实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法刻蚀时获得的另一种Ⅲ族化合物衬底的沟槽的剖视图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法进行详细描述。
图3为本发明第一实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法的流程框图。请参阅图3，该方法包括第一刻蚀阶段，该第一刻蚀阶段包括以下步骤：
将待处理的Ⅲ族化合物衬底放入反应腔室；
向反应腔室内输入第一刻蚀气体，该第一刻蚀气体中含有氮气，用以调节Ⅲ族化合物衬底的沟槽侧壁的倾斜角度；
开启激励电源（例如射频电源），激励电源向反应腔室施加激励功率，以使反应腔室内的第一刻蚀气体激发形成等离子体；
开启偏压电源，偏压电源向待处理的Ⅲ族化合物衬底施加偏压功率，以使等离子体刻蚀待处理的Ⅲ族化合物衬底。
优选地，第一刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中，主刻蚀气体可以包括氯气（Cl2）或氯氟化碳（CF2Cl2）等的可对Ⅲ族化合物衬底进行刻蚀的气体；辅助气体可以包括诸如氯化硼、氯化硅或四氯化硅等的氯化物气体，而氮气可以作为辅助气体之一通入反应腔室中。进一步地，氮气的流量范围可以在5～200sccm；激励功率的范围可以在100～1000W；偏压功率的范围可以在20～500W；反应腔室的腔室压力的范围可以在2～20mT；主刻蚀气体的流量范围可以在30～200sccm。此外，实验表明，当反应腔室中的氮气的含量占第一刻蚀气体的总含量的百分比的范围在5%～50%时，可以使沟槽侧壁的倾斜角度的范围在5°～50°。
下面采用下述工艺参数对Ⅲ族化合物衬底进行刻蚀实验，具体地：Ⅲ族化合物衬底材料为GaP；激励功率为500W；偏压功率为100W；腔室压力为5mT；主刻蚀气体为氯气，且其流量为90sccm；辅助气体包括氯化硼和氮气，氯化硼的流量为10sccm，氮气的流量为50sccm；反应腔室中的氮气的含量占第一刻蚀气体的总含量的百分比为30%。图4为采用上述工艺参数进行刻蚀实验而获得的沟槽的扫描电镜图。由图4可知，刻蚀后所获得沟槽侧壁的倾斜角度为33°；刻蚀速率为1μm/min，且刻蚀速率的均匀性小于3%。
从上述实验中可知，在进行第一刻蚀阶段的过程中，氮离子能够与Ⅲ族化合物衬底的沟槽侧壁和底面反应生成化合物，从而在沟槽的侧壁和底面形成化合物保护层，例如，对于镓化物衬底，氮离子会在刻蚀过程中与镓化物衬底中的Ga反应生成GaxNy，GaxNy会保护侧壁和底部，与此同时，在偏压的作用下，等离子体朝向底部轰击的速度会大于朝向侧壁轰击的速度，因而底部被刻蚀地较快，而侧壁会获得更好的保护，这使得沟槽的开口会随着刻蚀深度的增加而逐渐缩小，从而形成倾斜的“斜坡状”侧壁，即，获得具有一定的倾斜角度的侧壁。
而且，由“将反应腔室中的氮气的含量占第一刻蚀气体的总含量的百分比调整至30%，可以获得倾斜角度为33°的沟槽侧壁”的实验结果可知，通过调整反应腔室中的氮气的含量占第一刻蚀气体的总含量的百分比，可以起到调整沟槽侧壁的倾斜角度的作用，以使该倾斜角度达到理想的范围。并且，由“刻蚀速率为1μm/min，且刻蚀速率的均匀性小于3%”的实验结果可知，采用本实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法不仅可以实现对沟槽侧壁的倾斜角度进行调整，而且还可以获得较高的刻蚀速率以及刻蚀均匀性。
综上所述，本实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，仅需调整氮气的含量占第一刻蚀气体的总含量的百分比，而无需改变偏压功率、腔室压力等的其他工艺参数，即可实现对沟槽侧壁的倾斜角度进行调整，这与现有技术中采用降低偏压功率或提高腔室压力来调整沟槽侧壁的倾斜角度的方式相比，可以在不影响刻蚀速率以及刻蚀工艺的质量的前提下调整沟槽侧壁的倾斜角度，以使其达到理想的范围。
容易理解，由于氮气必须与衬底的材料发生化学反应，以在衬底的沟槽侧壁上形成化合物，才能够起到保护沟槽侧壁的作用，因此，通过通入氮气来调整沟槽侧壁的倾斜角度的刻蚀方法，仅适用于能够与氮气发生化学反应的Ⅲ族化合物衬底，例如，铝化物衬底、铟化物衬底或镓化物衬底。
图5为本发明第二实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法的流程框图。请参阅图5，本实施例提供的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法同样包括第一刻蚀阶段，由于其在上述第一实施例中已有了详细地描述，在此不再赘述。
在本实施例中，Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法还包括第二刻蚀阶段，具体地，第二刻蚀阶段与第一刻蚀阶段相比，二者的区别仅在于：第二刻蚀阶段向反应腔室输入第二刻蚀气体，且第二刻蚀气体与第一刻蚀气体的不同点仅在于：第二刻蚀气体中采用诸如氩气或氦气等的惰性气体来代替第一刻蚀气体中的氮气，换言之，第一刻蚀气体中含有氮气，但不含惰性气体；而第二刻蚀气体含有惰性气体，但不含氮气。此外，第二刻蚀阶段所采用的其他工艺参数及工艺步骤与第一刻蚀阶段相同。
通过将惰性气体作为刻蚀气体之一通入反应腔室内，可以增强物理刻蚀，而且，由于惰性气体的化学活性较差，因而通入反应腔室内的惰性气体不会与沟槽侧壁发生反应，这使得沟槽侧壁上不会产生保护层，从而在进行第二刻蚀阶段的过程中，可以获得垂直的沟槽侧壁，即，沟槽侧壁的倾斜角度趋于90°。
而且，在整个刻蚀过程中交替进行第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段，换言之，在整个刻蚀过程中仅切换输入反应腔室内的氮气和惰性气体，而无需调整其他工艺参数，即可获得在刻蚀深度方向上依次形成的具有不同的倾斜角度的沟槽侧壁。而且，可以根据具体需要设置第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段的先后顺序，以获得不同形状的沟槽侧壁。例如，在整个刻蚀过程中，可以先进行一次第二刻蚀阶段，后进行一次第一刻蚀阶段，具体地，如图6A所示，先进行一次第二刻蚀阶段，在完成刻蚀预定深度之后，可以获得倾斜角度为90°的垂直侧壁；而后，再进行一次第一刻蚀阶段，在完成总刻蚀深度之后，可以获得倾斜角度小于90°的“斜坡状”侧壁。再如，在整个刻蚀过程中，还可以先进行一次第一刻蚀阶段，后进行一次第二刻蚀阶段，具体地，如图6B所示，先进行一次第一刻蚀阶段，在完成刻蚀预定深度之后，可以获得倾斜角度小于90°的“斜坡状”侧壁；而后，再进行一次第二刻蚀阶段，在完成总刻蚀深度之后，可以获得倾斜角度为90°的垂直侧壁。
需要说明的是，第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段可以采用两种交替方式，第一种交替方式为“ABAB”或“BABA”；第二种交替方式为“ABA”或“BAB”，其中，A表示第一刻蚀阶段，B表示第二刻蚀阶段。另外，可以根据具体需要设定第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段的交替次数。
优选地，在进行第一刻蚀阶段时，激励功率为500W；偏压功率为100W；腔室压力的范围在3～5mT；第一刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中，主刻蚀气体为氯气，且其流量为90sccm；辅助气体包括氯化硼和氮气，并且氯化硼的流量为10sccm，氮气的流量为50sccm。在进行第二刻蚀阶段时，第二刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中，若主刻蚀气体为氯气，辅助气体包括氯化硼和氩气，则可以采用下述工艺参数，具体地，激励功率为500W；偏压功率为100W；腔室压力的范围在3～5mT；氯气的流量为90sccm；氯化硼的流量为10sccm，氩气的流量为10sccm。在进行第二刻蚀阶段时，若主刻蚀气体为氯气，辅助气体包括氯化硼和氦气，则可以采用下述工艺参数，具体地，激励功率为500W；偏压功率为100W；腔室压力的范围在3～5mT；氯气的流量为90sccm；氯化硼的流量为10sccm；氦气的流量为10sccm。
需要说明的是，采用氩气进行第二刻蚀阶段和采用氦气进行第二刻蚀阶段相比，二者均能获得垂直的沟槽侧壁，但是，采用氦气的第二刻蚀阶段的刻蚀效率会低于采用氩气的第二刻蚀阶段的刻蚀效率大约20%～30%，因此，可以在不影响刻蚀速率以及刻蚀工艺的质量的前提下，适当延长采用氦气的第二刻蚀阶段的刻蚀时间，例如，采用氩气的第二刻蚀阶段的刻蚀时间大约在10min左右，则采用氦气的第二刻蚀阶段的刻蚀时间可以设定在12～13min左右，当然本发明也不局限于单独使用氩气和氦气，也可以根据需要同时采用氩气和氦气进行第二刻蚀阶段，且二者含量的具体比例可以根据实际需要进行设置。
综上所述，本发明的核心思想是：在刻蚀过程中，通过向反应腔室内通入具有一定化学活性的氮气，其会与Ⅲ族化合物衬底发生化学反应而生成化合物GaxNy，从而可以形成对沟槽侧壁的保护，使得沟槽侧壁具有一定的倾斜角度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，包括第一刻蚀阶段，所述第一刻蚀阶段包括以下步骤：
向反应腔室内输入第一刻蚀气体，所述第一刻蚀气体中含有氮气，所述氮气用于调节所述Ⅲ族化合物衬底的沟槽侧壁的倾斜角度；
向反应腔室施加激励功率，以使所述第一刻蚀气体形成等离子体；
向Ⅲ族化合物衬底施加偏压功率，以使所述等离子体刻蚀Ⅲ族化合物衬底；
所述刻蚀方法还包括第二刻蚀阶段，所述第二刻蚀阶段包括以下步骤：
向反应腔室内输入第二刻蚀气体，所述第二刻蚀气体中含有惰性气体，所述惰性气体用于使所述Ⅲ族化合物衬底的沟槽侧壁趋于垂直；所述惰性气体包括氩气或氦气；
向反应腔室施加激励功率，以使所述第二刻蚀气体形成等离子体；
向Ⅲ族化合物衬底施加偏压功率，以使所述等离子体刻蚀Ⅲ族化合物衬底；并且
在整个刻蚀过程中交替进行所述第一刻蚀阶段和第二刻蚀阶段。
2.如权利要求1所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述氮气的流量范围在5～200sccm。
3.如权利要求1所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述激励功率的范围在100～1000W。
4.如权利要求1所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述偏压功率的范围在20～500W。
5.如权利要求1所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述反应腔室的腔室压力的范围在2～20mT。
6.如权利要求1-5任意一项权利要求所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中
所述主刻蚀气体包括氯气或氯氟化碳；
所述辅助气体包括氯化物气体和氮气，并且所述氯化物气体包括氯化硼或四氯化硅。
7.如权利要求6所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀气体的流量范围在30～200sccm。
8.如权利要求6所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述激励功率为500W；所述偏压功率为100W；所述腔室压力为5mT；所述主刻蚀气体为氯气，且其流量为90sccm；所述辅助气体包括氯化硼和氮气，并且所述氯化硼的流量为10sccm，所述氮气的流量为50sccm。
9.如权利要求1所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，在所述反应腔室中，所述氮气的含量占所述第一刻蚀气体的总含量的体积百分比的范围在5％～50％。
10.如权利要求1所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，按先进行所述第一刻蚀阶段，后进行所述第二刻蚀阶段的顺序进行交替；或者，按先进行所述第二刻蚀阶段，后进行所述第一刻蚀阶段的顺序进行交替。
11.如权利要求10所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，在进行所述第一刻蚀阶段时，所述激励功率为500W；所述偏压功率为100W；所述腔室压力的范围在3～5mT；所述第一刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中，所述主刻蚀气体为氯气，且其流量为90sccm；所述辅助气体包括氯化硼和氮气，并且所述氯化硼的流量为10sccm，所述氮气的流量为50sccm；
在进行所述第二刻蚀阶段时，所述激励功率为500W；所述偏压功率为100W；所述腔室压力的范围在3～5mT；所述第二刻蚀气体包括主刻蚀气体和辅助气体，其中，所述主刻蚀气体为氯气，且其流量为90sccm；所述辅助气体包括氯化硼和氩气，并且所述氯化硼的流量为10sccm，所述氩气的流量为10sccm。
12.如权利要求1所述的Ⅲ族化合物衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述Ⅲ族化合物衬底包括铝化物衬底、铟化物衬底或镓化物衬底。
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