DE3850916T2

DE3850916T2 - Verfahren zum anisotropen Ätzen von III-V Materialien: Verwendung zur Oberflächenbehandlung für epitaktische Beschichtung.

Info

Publication number: DE3850916T2
Application number: DE3850916T
Authority: DE
Inventors: Loic Henry; Claude Vaudry
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1987-05-21
Filing date: 1988-05-19
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2008-05-20
Also published as: JPS6479389A; FR2615655B1; US5074955A; FR2615655A1; EP0292390B1; DE3850916D1; EP0292390A1

Description

Die Erfindung hat ein anisotropes Ionenätzverfahren des reaktiven Typs eines III-V-Materials zum Gegenstand, das vor allem die Herstellung von epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterstrukturen ermöglicht, verwendbar auf dem Gebiet der Mikroelektronik und der Telekommunikation.
Insbesondere kann die Erfindung angewandt werden, um eine große Zahl Bauteile herzustellen, wie etwa Dioden, Transistoren, Ladungsübertragungsvorrichtungen, Speicher, Laser, Photodetektoren, Lichtleiter, Netze, usw., sowie die Integration dieser Bauteile auf ein und demselben Substrat, wobei diese Bauteile hergestellt werden können in Form einer Homo- oder Heterostruktur.
Es sei daran erinnert, daß ein III-V-Material ein Material ist, das wenigstens ein Element der Spalte III und wenigstens ein Element der Spalte V aus dem periodischen System der Elemente enthält.
Die Herstellung von Halbleiterstrukturen aus III-V- Material führt im allgemeinen über die Durchführung einer Ätzung einer Schicht oder eines Substrats aus III-V-Material.
Für das Ätzen dieser Materialien sind die sogenannten "Naß"-Techniken beschränkt wegen des isotropen Charakters des chemischen Angriffs, was nicht ermöglicht, geätzte Muster mit mikrometrischen oder gar submikrometrischen Abmessungen zu erhalten.
Außerdem gibt es bei der Naßätzung keine Reproduzierbarkeit bezüglich der Ätzgeschwindigkeiten, was manchmal bei der industriellen Fertigung von elektronischen Bauteilen wie MESFET-Transistoren und Lasern problematisch ist.
Die Trockenätztechniken, angewandt in der Silicium- Mikroelektronik, wurden jüngst verwendet zur Ätzung von III-V- Halbleitern. Leider sind die in der Siliciumtechnik am meisten verwendeten fluorhaltigen Gase nicht geeignet für die III-V- Verbindungen, da die entstehenden Reaktionsprodukte nicht flüchtig sind. Daher sind die zur Ätzung der III-V-Materialien verwendeten Gase im allgemeinen Chlor- oder Bromgase wie SiCl&sub4;, Cl&sub4;, CF&sub2;CL&sub2;, BCl&sub3;, Cl&sub2; oder Br&sub2;.
Jedoch verursacht die Verwendung dieser Brom- oder Chlorgase zahlreiche Probleme der Sicherheit und der Korrosion der Ätzausrüstungen. Außerdem haben gewisse Laboratorien Betriebssicherheitsprobleme festgestellt bei den mit einem chlorhaltigen reaktiven Ionenätzen hergestellten Bauteilen.
Insbesondere stellt man fest, daß Chlorrückstände auf der Oberfläche des geätzten Materials zurückbleiben und anschließend mit den Kontaktmetallabscheidungen reagieren.
Kürzlich hat man vorgesehen, InP mit einer Mischung aus CH&sub4; und Wasserstoff zu ätzen, wie beschrieben in dem Artikel Inst. Phys. Conf. Ser. Nº79: Kapitel 6-1986, von U.Niggebrügge u. a., S. 367, betitelt "A novel process for reactive ion etching on InP using CH&sub4;/H&sub2;". Die Ätzungen werden ausgeführt unter Verwendung einer photosensiblen Harzmaske.
Dieses bekannte Verfahren weist eine gewisse Anzahl Nachteile auf. Insbesondere bildet sich auf der Oberfläche der Harzmaske eine Polymerschicht, dick und nichthomogen, durch Reaktion zwischen den Gasen CH&sub4; und H&sub2;, die sich nur sehr schwer entfernen läßt, selbst bei Verwendung eines Sauerstoffplasmas hoher Leistung, wie in der Veröffentlichung angegeben. Aufgrund der Bildung dieser Polymere ist die Harzmaske nur sehr schwer entfernbar. Zudem ist der Ätzprozeß nicht reproduzierbar.
Außerdem ist der Oberflächenzustand des geätzten Materials nicht von befriedigender Qualität für eine große Zahl von Anwendungen; die Ätzflanken weisen zuviele Unregelmäßigkeiten auf und die für die Ionisierung der Gase verwendeten Hochfrequenzleistungen sind sehr hoch, was zu einer Verschlechterung der geätzten Oberfläche durch das Ionenbomardement führen kann.
Die Ätzung von GaInAs mit einer Mischung aus H&sub2;, Ar und 15% CH&sub4; ist beschrieben in dem Artikel Le Vide, Les Couches Minces, Band 41, Nº231, März/April 1986, Seiten 259-260, Paris, FR, L.Henry u. a.: "Premiere Approche de la gravure ionique de couches de GaInAs epitaxi es sur InP.". Der Oberflächenzustand der GalnAs-Schicht vor und nach der Ätzung ist derselbe.
Als weitere bekannte Ätztechnik der III-V-Materialien kann man den Ionenbeschuß anführen. Diese Technik wird insbesondere verwendet für die Herstellung von vergrabenen Lichtleitern. Leider ist diese Ätztechnik wenig selektiv, was die Verwendung von sehr dicken Masken (mehrere Mikrometer) aus refraktärem Material wie z. B. Titan erforderlich macht. Außerdem verursachen Art und Menge des für die Ausführung dieser Masken erforderlichen Materials dieser Technik hohe Kosten.
Es ist folglich das Ziel der Erfindung, Ätzbedingungen zu finden, die zugleich eine anisotrope Ätzung und einen glatten Oberflächenzustand des geätzten Materials gewährleisten, ohne Rückstand auf den Ätzsohlen (fonds de gravure). Außerdem soll der Oberflächenzustand der geätzten Teile von guter Qualität sein, um ohne weitere Behandlung die Abscheidungsschritte von einer Halbleiterschicht mittels Epitaxie, von isolierenden oder leitenden Schichten zu ermöglichen.
Außerdem müssen die Ätzgeschwindigkeiten leicht variierbar sein, um die Frästiefen ganz genau steuern zu können. Dieser Parameter ist sehr wichtig, denn es ist sehr oft nötig, für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen, geringe Dicken zu ätzen (kleiner als 300 nm ± 5% für einen FET-Transistor auf GaAs) oder das Anhalten eines Angriffs in Höhe einer Grenzschicht zu steuern (Fall von Laser-Heterostrukturen z. B.).
Nun, um diese Ziele zu erreichen, besteht die Hauptschwierigkeit in der Wahl des Angriffsgases. Man muß nämlich eine Gasmischung finden, die unter der Wirkung von Hochfrequenzwellen dieselbe Reaktionskinetik für die Elemente der Spalte III (Al, Ga, In) und für die der Spalte V (P, As, Sb) aufweist.
Außerdem sind die zu ätzenden III-V-Verbindungen sehr unterschiedlich; die zu ätzenden Materialien können massive Materialien sein oder auch überlagernde Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung oder Dotierung.
Die Erfindung betrifft ein reaktives Ionenätzverfahren von III-V-Material, das ermöglicht, die verschiedenen oben angegebenen Nachteile zu beseitigen sowie die obenerwähnten Forderungen zu befriedigen.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren vollkommen reproduzierbar und vollkommen anisotrop; die geätzten Teile sind von guter Qualität und die Ätzsohlen weisen eine glatte Oberfläche auf. Außerdem sind die Ätzgeschwindigkeiten leicht variierbar.
Genauer hat die Erfindung ein reaktives Ionenätzverfahren eines III-V-Materials zum Gegenstand, das eine Gasmischung verwendet wie definiert im Anspruch 1.
Die Verwendung einer Inertgasmenge größer als 55% hat ein überwiegen der auf der Mischung Inertgas+Wasserstoff beruhenden Ionenätzung zur Folge, bezogen auf die reaktive Ätzung, die auf der Reaktion des Wasserstoffs und des Kohlenwasserstoffs mit dem III-V-Material beruht. Hingegen hat eine Inertgasmenge kleiner als 20% die Bildung von einer rauhen Ätzsohle und von Flanken mit schlechter Qualität zur Folge.
Außerdem begünstigt eine zu große Menge an gasförmigem Kohlenwasserstoff von wenigstens gleich 40% die Bildung von Polymeren und die Ätzisotropie, was sehr störend ist bei lokalisiertem Ätzen, das die Verwendung einer Ätzmaske erfordert, während eine zu geringe Menge Kohlenwasserstoff, höchstens gleich 5%, nicht ausreicht, um Reaktionen der organo-metallischen Art mit den Elementen III des zu ätzenden Materials zu ermöglichen.
Es ist überraschend zu sehen, daß eine große Menge Edelgas, vor allem Argon, die bis zu 50 Volumenprozent gehen kann, zu einer Ätzung von vorzüglicher Qualität führt, denn dem Fachmann ist sehr wohl bekannt, daß das Argon alleine häufig verwendet wird für einen Ionenbeschuß, was einer Zerstörung des Oberflächenzustands des Materials III-V entspricht.
Der Anteil des Inertgases in der Gasmischung ist sehr groß, um eine Ätzung von guter Qualität zu erhalten.
Der gasförmige Kohlenwasserstoff reagiert nämlich mit dem Element III, um organo-metallische Verbindungen zu bilden, während der Kohlenwasserstoff mit dem Element V reagiert, um Hydride zu bilden.
Durch Verwendung von CH&sub4; als Kohlenwasserstoff und von Indium oder Gallium als V-Element bildet man Verbindungen der Art Trimethylindium oder Trimethylgallium, die flüchtige Verbindungen sind. Ebenso bildet Wasserstoff mit Arsen oder Phosphor die Hydride AsH&sub3; bzw. PH&sub3;, die auch flüchtig sind.
Bei diesen chemischen Prozessen scheint das Argon die zu ätzende Oberfläche zu aktivieren durch Erregen der Atome der III- und V-Elemente und somit die jeweiligen Reaktionen dieser Elemente mit den Alkylradikalen CnH2n+1. und dem Wasserstoff H. zu begünstigen, der aus der Erregung der Kohlenwasserstoffe und des H&sub2; durch die Hochfrequenzwellen resultiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar bei einer großen Anzahl Materialien, wie etwa Ga1-xAsxP, GaP, GaSb, Ga1-xInxAs1-ySby, Ga1-xAsxSb, Ga1-xAlxAs1-ySby, InAsxSb1-x, InAs, InAs1-xPx, AlAs1-xSbx oder AsSb mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1.
Jedoch wird die Erfindung insbesondere angewandt auf das Material InP, GaAs, GaSb, Ga1-xInxAs, Ga1-xInxAs1-yPy und Ga1-xAlxAs mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1, am häufigsten verwendet in der Mikroelektronik.
Das zu ätzende III-V-Material kann ein massives Substrat oder eine Halbleiterschicht sein, die auf einem massiven Substrat ruht oder auf einem Stapel von Halbleiterschichten unterschiedlicher Art.
Das erfindungsgemäße Ätzverfahren kann durchgeführt werden für eine beliebige Orientierung der kristallinen Ebenen des zu ätzenden Materials, vorausgesetzt, daß das Verfahren unabhängig ist von diesen kristallinen Ebenen.
Um die Beseitigung der Organometallverbindungen zu begünstigen, die sich gebildet haben, und ihre Wiederablagerung bei Vorhandensein von Hochfrequenz-Erregerwellen zu verhindern, muß die erfindungsgemäße Ionenätzung durchgeführt werden in einem Vakuumbehälter mit einer hohen Pumpleistung, wenigstens gleich 150 m³/h.
Außer der Zusammensetzung der Gasmischung, die verwendet wird, um eine Ätzung von befriedigender Qualität zu erhalten, sind auch die Drücke dieser Mischung wichtig. Insbesondere muß der Druck der Mischung enthalten sein zwischen 1 und 4 Pa. Vorzugsweise verwendet man Drücke von 1,5 bis 3 Pa.
Ebenso muß die Leistung der verwendeten Hochfrequenzwellen variieren von 10 bis 250 Watt und vorzugsweise von 10 bis 150 Watt gehen.
Indem man mit dem Gasdruck, der Pumpgeschwindigkeit, der Gaszusammensetzung und der Hochfrequenzleistung spielt, kann man die Ätzgeschwindigkeit variieren, was eine sehr genaue Steuerung der geätzten Tiefen ermöglicht und somit erlaubt, einen Stapel von Schichten aus III-V-Material selektiv zu ätzen. Insbesondere kann man Stapel des Typs GaInAs/InP/GaInAs/InP oder auch GaInAsp/InP/GaInAs/InP ätzen.
Die Ätzgeschwindigkeit wächst mit dem Druck der Gase, der Hochfrequenzleistung, der Edelgasmenge, und nimmt ab, wenn die Pumpgeschwindigkeit zunimmt. Außerdem nimmt die Qualität der Ätzung ab mit der Ätzgeschwindigkeit; eine Ätzgeschwindigkeit von 10 bis 80 nm/min ist ganz und gar zufriedenstellend.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann verwendet werden für Oberflächen- oder Tiefenätzen von III-V-Material, ganz oder teilweise.
Eine Ganzplatten-Oberflächenätzung (d. h. ohne Ätzmaske) des gesamten Materials kann vorteilhafterweise angewendet werden als Vorbereitungsschritt eines rohen Substrats hinsichtlich der Abscheidung von einer oder mehreren Schichten aus III-V-Material auf diesem Substrat durch epitaktisches Aufwachsen.
Anders ausgedrückt kann das erfindungsgemäße Ätzverfahren einen wirkungsvollen Schritt zur Oberflächenvorbereitung eines III-V-Substrats bilden, was keinen weiteren Oberflächenvorbereitungsschritt der besagten Fläche erforderlich macht, mit Ausnahme einer eventuellen Desoxidierung, vor dem Abscheiden einer Halbleiterschicht aus III-V-Material mittels Epitaxie mit identischer oder unterschiedlicher Zusammensetzung bezüglich des Substrats.
Die Erfinder haben nämlich festgestellt, daß eine Epitaxie, die ausgeführt wird auf einem erfindungsgemäß vorbereiteten Substrat, gleichwertige kristalline Qualitäten aufweist wie eine Epitaxie, die auf einem chemisch in nasser Umgebung dekapierten Substrat ausgeführt wird.
Um eine Halbleiterstruktur herzustellen ist es im allgemeinen erforderlich, lokalisierte Ätzungen eines III-V- Materials durchzuführen, was die Verwendung einer Ätzmaske erforderlich macht, die das Bild der auszuführenden Ätzungen darstellt.
Damit diese lokalisierte Ätzung gelingt ist es erforderlich, daß die Maske nicht oder nur wenig angegriffen wird während der Ätzung des III-V-Materials. Anders ausgedrückt muß die Selektivität S der Ätzung der folgenden Bedingung genügen:
S = Ätzgeschwindigkeit des III-V-Materials/Ätzgeschwindigkeit der Maske » als 1.
Außerdem muß die Ätzmaske leicht entfernbar sein, und das III-V-Material darf nicht verändert werden durch die Entfernung dieser Maske.
Die Ätzmaske kann hergestellt werden aus negativ oder positiv photosensiblem Harz, aus einem isolierenden Material wie Si&sub3;N&sub4; oder SiO&sub2;, oder auch aus einem Metall wie Titan oder Aluminium.
Die Entfernung einer photosensiblen Harzmaske kann durchgeführt werden mit Hilfe eines Sauerstoffplasmas; die Entfernung einer SiO&sub2;-Maske kann durchgeführt werden mit einem CHF&sub3;- oder CF&sub4;-Plasma, und die Entfernung einer Titan- oder Aluminiummaske kann durchgeführt werden mit HF+H&sub2;O&sub2;+H&sub2;O.
Vorteilhafterweise verwendet man eine Si&sub3;N&sub4;-Maske, da sie nicht angegriffen wird durch das erfindungsgemäße Ätzplasma und sich einfach auflösen läßt in Fluorwasserstoffsäure, rein oder verdünnt; die feine Polymerschicht, die sich eventuell beim Ätzen des III-V-Materials auf dieser Maske niederschlagen kann, wird abgelöst und dann entfernt.
Das epitaktische Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf einem III-V-Material, die einem reaktiven Ionendekapierungsschritt unterzogen wurde, erfindungsgemäß, als Oberflächenvorbereitungsschritt, kann vom Molekularstrahl-Typ (MBE) sein oder vom Typ der chemischen Zersetzung organometallischer Dämpfe bzw. Gase (MOCVD), wobei umgekehrte chemische Reaktionen ablaufen bezüglich denen, die ablaufen bei der Ätzung des III-V-Materials, oder sogar eine Flüssigphasen-Epitaxie (LPE).
Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten Figuren:
- die Fig. 1 bis 8 sind Abbildungen von III-V- Materialien, geätzt mit einer Gasmischung aus CH&sub4;/H&sub2;/Ar, unterschiedlich bezüglich Zusammensetzung oder Druck; die Fig. 1 bis 6 zeigen den Einfluß der Zusammensetzung des Gases auf das Ätzprofil und die Fig. 7 und 8 den Einfluß des Drucks auf dieses Profil,
- die Fig. 9 ist eine Photoelektronenspektroskopie XPS eines InP-Substrats, geätzt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
- die Fig. 10 und 11 zeigen die verschiedenen Herstellungsschritte einer Halbleiterschicht aus III-V-Material, vergraben in einem Halbleitersubstrat aus III-V-Material, wobei diese Herstellung das erfindungsgemäße Ätzverfahren verwendet,
- die Fig. 12 zeigt die verschiedenen Herstellungsschritte eines MESFET-Transistors, eine vergrabene Halbleiterschicht enthaltend, und
- die Fig. 13 zeigt die Herstellung einer Laserquelle unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ätzverfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, ein III- V-Material anisotrop zu ätzen durch Verwendung eines Gasplasmas, gebildet durch Hochfrequenzerregung einer Gasmischung, die volumenmäßig 20% CH&sub4;, 50% Ar und 30% H&sub2; enthält. Diese Ätzung kann durchgeführt werden unter einem Gasdruck, enthalten zwischen 1 und 4 Pa, mit einer Hochfrequenz, die von 10 bis 250 Watt geht.
Sie kann in jeder derzeit bekannten Vorrichtung für reaktives Ionenätzen (abgekürzt RIE) durchgeführt werden. Das Funktionsprinzip einer gewissen Anzahl RIE-Apparate wird vor allem beschrieben in dem Dokument VLSI Technology Von Sze, erschienen bei International Student Edition.
Die Fig. 1 bis 5 beziehen sich auf eine lokalisierte Ätzung eines massiven InP-Substrats unter Verwendung einer Ätzmaske aus Si&sub3;N&sub4; von 100 nm Dicke. Der Druck der Gasmischung beträgt 2,2 Pa; die Hochfrequenzleistung beträgt 10 Watt; die Pumpleistung beträgt 300 m³/h; die jeweiligen Gaszusammensetzungen und Ätzgeschwindigkeiten sind in der anschließenden Tabelle angegeben, wobei die Zusammensetzungen in Volumenprozent und die Geschwindigkeiten in nm/mit angegeben sind. TABELLE Figur Geschwindigkeit
Die Ätztiefen betragen ungefähr 2 um.
Die Maßstäbe der verschiedenen Photos sind identisch in den entsprechenden Figuren.
Aus den Fig. 1 bis 5 geht klar hervor; daß, bei denselben Druck- und Hochfrequenzleisungsbedingungen, nur die erfindungskonforme Gaszusammensetzung ermöglicht, eine gute anisotrope Ätzung zu erhalten, mit sauberen Ätzflanken, senkrecht zu der Oberfläche des Materials, und glatten Ätzsohlen ohne Materialrückstand.
In den Fig. 1 bis 4 sind die Ätzflanken nämlich ausgefranst. Außerdem ist die Ätzsohle in Fig. 3 rauh; dies ist zurückzuführen auf einen Indiumrückstand.
Außerdem stellt man in Fig. 4 eine zu große Überätzung am Fuß der Ätzflanken fest; der Teil A der Fig. 4 zeigt das Profil der erhaltenen Ätzflanken.
Resultate, die mit denen in Fig. 5 identisch sind, wurden erreicht für ein massives Substrat aus GaAs und aus GaSb auf eine Tiefe von 1,5 um, und für ein Substrat aus Ga1-xAlxAs mit x gleich 0,3 auf eine Tiefe von 600 nm mit einem Gasgemisch aus CH&sub4;+H&sub2;+Ar mit den Volumenprozentanteilen 20/30/50.
Die Fig. 6 bezieht sich auf eine Ätzung einer Ga1-xInxAs-Schicht mit x gleich 0,53, eine Dicke von 1,5 um aufweisend, epitaktisch abgeschieden auf einem InP-Substrat. Die reaktive Ionenätzung erfolgt auf eine Dicke von 2,7 um mit einer Gasmischung aus CH&sub4;+H&sub2;+Ar mit den Volumenprozentanteilen 20/30/50, unter einem Druck von 2,2 Pa und einer HF-Leistung von 100W.
Die auf den Ätzflanken erzielten, vollkommen regelmäßigen Wellungen (des Typs "Kuchenblech") sind zurückzuführen auf die Definition bzw. Konturenschärfe der Ätzmaske aus Siliciumnitrid.
Die Fig. 7 und 8 beziehen sich auf eine Ätzung eines massiven InP-Substrats unter Verwendung einer Siliciumnitridmaske, mit einer Hochfrequenzleistung von 100 Watt und einer CH&sub4;/H&sub2;/Ar- Gasmischung mit einer volumenanteiligen Zusammensetzung von 20/30/50%. Die angewandten Drücke waren jeweils 1 Pa und 4 Pa.
Aus diesen Figuren geht hervor, daß die Verwendung eines Drucks von höchstens gleich 1 Pa oder eines Drucks von wenigstens gleich 4 Pa nicht ermöglicht, eine anisotrope Ätzung von ausreichend guter Qualität zu erhalten.
Ein zu geringer Druck führt nämlich zu körnigen Ätzsohlen (Fig. 7), wohingegen ein zu großer Druck zur Herstellung von Ätzflanken mit konkaver Form führt, die folglich nicht abrupt sind, sowie zu einer zu großen Überätzung am Fuß der Ätzflanken. Der Teil A der Fig. 8 zeigt das Profil der erhaltenen Ätzflanken.
Das erfindungsgemäße Ätzverfahren ermöglicht, geätzte Zonen von guter kristalliner Qualität zu erhalten, ohne metallisch Verunreinigung, im Gegensatz zu dem, was sich im allgemeinen in Plasmareaktoren ereignet (wobei die metallischen Verunreinigungen von den Hochfrequenzelektroden und den Metallwänden des Reaktors stammen). Dies geht klar hervor aus der Spektroskopie XPS, dargestellt in Fig. 9, ausgeführt auf einem massiven Substrat aus InP und einer CH&sub4;+H&sub2;+Ar-Gasmischung mit einer volumenanteiligen Zusammensetzung von 20/30/50%, unter einem Druck von 2,2 Pa, mit einer Hochfrequenzleistung von 100 W und einer Pumpleistung von 300 m³/h.
Die photoelektronische Intensität I, emittiert durch das Muster, als Ordinate, ist ausgedrückt in Impulsen pro Sekunde (cps), und die Energie der X-Strahlen bzw. Röntgenstrahlen, als Abszisse, ist ausgedrückt in Elektronenvolt (eV).
Die zahlreichsten bzw. meisten Emissionspeaks 1 3, 5, 7, 9, 11 sind zurückzuführen auf das Indium des Substrats; die Peaks 13 und 15 sind zurückzuführen auf das Phosphor des Substrats; die Peaks 17 und 19 sind zurückzuführen auf Kohlenstoffverunreinigungen, verursacht durch die freie Umgebungsluft, der das Muster ausgesetzt wird. Ebenso verhält es sich bei den Sauerstoffverunreinigungen, den Emissionspeaks 21, 23 entsprechend. Diese Spuren von C und O&sub2; sind mengenmäßig vernachläßigbar.
Kein Peak, zurückzuführen auf das Vorhandensein von metallischen Verunreinigungen im Muster, erscheint in dem Emissionsspektrum.
Das erfindungsgemäße Ätzverfahren kann verwendet werden zur Herstellung von Halbleiterstrukturen, die insbesondere eine epitaktisch abgeschiedene und vergrabene Halbleiterschicht umfassen, wie etwa die MESFET-Transistoren, die Lichtleiter und die Netze. Zu diesem Zweck sind in den Fig. 10 und 11 die verschiedenen Herstellungsschritte einer epitaktisch abgeschiedenen und vergrabenen Halbleiterschicht dargestellt.
Die ersten Schritte dieser Herstellung, dargestellt in Fig. 10, zeigen die Vorbereitungsschritte einer Siliciumnitridmaske, die der Ätzung eines Halbisolatormaterials des Typs III-V dient.
Das Halbisolatorsubstrat 2, z. B. aus InP, wird zunächst, wie angedeutet in (a), bedeckt mit einer Siliciumnitridschicht 4 von 100 nm Dicke durch reaktives Sputtern oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD), dann einer positiv photosensiblen Harzschicht 6, wie die in der Photolithographie üblicherweise verwendete (AZ Shippley z. B.), auf eine Dicke von ungefähr 1000 nm.
Durch eine Photomaske, die das Bild der in dem Substrat 2 auszuführenden Ätzung darstellt, belichtet man das Harz mit ultraviolettem Licht und entwickelt es, wobei die nichtbelichteten Bereiche des Harzes dann aufgelöst werden. Man erhält dann die Photolithographiemaske 6a, dargestellt im Teil (b) der Fig. 10.
Anschließend ätzt man die Siliciumnitridschicht 4 durch die Maske 6a mittels eines CF&sub4;-Plasmas. Die Ätzung ermöglicht, wie dargestellt im Teil (c), die nicht mit Harz bedeckten Bereiche der Siliciumnitridschicht zu entfernen. Dann entfernt man mittels eines Sauerstoffplasmas die Harzmaske 6a.
Die hergestellte Siliciumnitridmaske 4a, dargestellt in (d), kann dann verwendet werden als Ätzmaske des Halbisolatorsubstrats 2.
Als Variante kann man eine aus einem Zweischichtmaterial SiO&sub2;-Si&sub3;N&sub4; gebildete Ätzmaske verwenden.
Dann führt man die Entfernung der nicht mit Si&sub3;N&sub4; bedeckten Bereiche des Substrats durch, wie dargestellt im Teil (a) der Fig. 11. Diese Ätzung wird ausgeführt mit einer CH&sub4;+H&sub2;+Ar-Gasmischung mit einer volumenanteiligen Zusammensetzung von 20/30/50% unter einem Gasdruck von 2,2 Pa, einem kontinuierlichen Pumpen von 300 m³/h und einer Hochfrequenzleistung von 100 Watt. Unter diesen Bedingungen erhält man eine Ätzgeschwindigkeit des InP von 60 bis 70 nm/min.
Für die Herstellung eines MESFET beträgt die Tiefe p der geätzten Zone 2a des Substrats 2 ungefähr 200 nm und ihre Breite einige Mikrometer. Ebenso liegt bei der Herstellung eines vergrabenen Lichtleiters die Ätztiefe bei 3 um und die Breite l der geätzten Zone 2a liegt in der Größenordnung von 2 um.
Parallel zur lokalen Ätzung des Substrats 2 bildet sich ein dünner und homogener Polymerfilm 8 an der Oberfläche der Si&sub3;N&sub4;-Maske 4a. Mit Hilfe einer konzentrierten oder verdünnten Flußsäurelösung erreicht man, wie dargestellt im Teil (b) der Fig. 11, die totale Entfernung der Ätzmaske 4a sowie des Polymerfilms 8, der sich eventuell gebildet hat.
Nun führt man eine Ganzplatten-Oberflächenätzung des Substrats mit einer CH&sub4;+H&sub2;+Ar-Gasmischung der volumenanteiligen Zusammensetzung von 20/30/50% durch, mit denselben Druck- und Gasmengenbedingungen wie bei der lokalen Ätzung des Substrats (Fig. 11(a)), aber mit einer Hochfrequenzleistung von ungefähr 20 Watt. Die Dekapierung erfolgt über 50 nm während 2 Minuten.
Dann führt man, wie dargestellt im Teil (c) der Fig. 11, eine Epitaxie einer InP-Schicht 10 aus, n-dotiert durch Silicium. Diese Schicht, abgeschieden mittels MOCVD oder mittels MBE, weist eine Dicke von einigen Mikrometern auf.
Durch die Ausführung der reaktiven Ionendekapierung vor der Epitaxie erhält man eine Epitaxie von guter kristalliner Qualität über die gesamte Oberfläche des Substrats.
Wäre dieser Vorbereitungsschritt der Oberfläche des Substrats 2 nicht durchgeführt worden, so hätte nur die Epitaxie auf der geätzten Zone 2a eine Schicht mit einer guten kristallinen Qualität ergeben, während die Epitaxieschicht auf den nichtgeätzten, durch die Si&sub3;N&sub4;-Maske geschützten Zonen einen zerfurchten bzw. bizarr geformten Aspekt der polykristallinen Art geboten hätte. Dies liegt an der Tatsache, daß das nichtgeätzte Substrat geringere Oberflächenqualitäten aufweist als das geätzte Material.
Man führt anschließend erfindungsgemäß eine reaktive Ionenätzung der Schicht 10 unter den denselben Bedingungen wie den mit Bezug auf die Fig. 11(a) beschriebenen durch. Die erhaltene ebene Struktur ist dann die im Teil (d) der Fig. 11 dargestellte. Die endgültige Form der epitaktischen Halbleiterschicht trägt dann die Referenz 14.
Im Falle der Verwendung einer zweischichtigen Si&sub3;N&sub4;- SiO&sub2; Ätzmaske erfolgt nach dem erfindungskonformen Ätzen des Substrats die Entfernung der oberen SiO&sub2;-Schicht und des eventuell gebildeten Polymerfilms in einer verdünnten HF-Lösung, dann die MOCVD-Abscheidung der Halbleiterschicht 10, und schließlich die Entfernung der Si&sub3;N&sub4;-Maske, was gleichzeitig die Beseitigung der Bereiche der Schicht 10 zur Folge hat, die sich über die Maske erheben.
Der folgende Schritt, wie dargestellt in Fig. 11(e), besteht im Vergraben der Halbleiterschicht 14 durch Abscheiden einer Halbleiterschicht 16 aus III-V-Material, z. B. aus InP, mittels MOCVD auf der gesamten Struktur, oder auch einer isolierenden Passivierungsschicht aus SiO&sub2; zum Beispiel. Diese Schicht 16 weist eine Dicke von ungefähr 200 nm auf.
Die so erhaltene Struktur kann dann als vergrabener Lichtleiter dienen oder zur Herstellung eines passivierten MESFET- Transistors.
Wie dargestellt in Fig. 12 besteht die Herstellung eines MESFET-Transistors darin, auf der Isolierschicht 16 eine Harzschicht wie die üblicherweise in der Photolithographie verwendete abzuscheiden, in der man, wie vorhergehend beschrieben (Fig. 10(a)-10(b)) eine Lithgraphiemaske formt, die das Bild der Source, des Drains und des Gates des herzustellenden Transistors darstellt.
Mit Hilfe der hergestellten Harzmaske 18 führt man eine neue GIR-Ätzung auf eine Tiefe von 200 nm durch, unter denselben Funktionsbedingungen wie den mit Bezug auf die Fig. 11(a) angewandten.
Dann scheidet man auf der erhaltenen Struktur mittels Sputtern eine leitende Schicht 20 ab, insbesondere gebildet durch zwei übereinanderliegende Schichten aus Gold und Germanium. Man führt dann ein Tempern zwischen 300 und 400ºC durch, um eine Legierung aus Gold und aus Germanium zu bilden. Dann, wie dargestellt in dem Teil (b), entfernt man die Harzmaske 18 sowie die Teile der Metallschicht 20, die sich über dieser Maske befinden, durch Auflösen in Azeton; diese Technik ist bekannt unter dem Namen "Lift Off".
Die verbleibenden Bereiche der Metallschicht bilden dann jeweils die Source 21, das Gate 22 und den Drain 24 des Feldeffekt-Transistors.
Das erfindungsgemäße Ätzverfahren kann auch verwendet werden zur Herstellung einer Laserstruktur wie dargestellt in Fig. 13.
Man führt zunächst eine Oberflächendekapierung des Halbisolatorsubstrats 26 aus GaAs durch, erfindungskonform, um die Epitaxie-Kontaktnahmen auf dem Substrat zu verbessern.
Dann scheidet man, wie angegeben im Teil (a), mittels Epitaxie des MOVCD- oder MBE-Typs, nacheinander ab: eine n&spplus;dotierte GaAs-Schicht 28 von einigen Mikrometern Dicke, eine ndotierte Schicht 30 des GaAlAs-Typs von 2 um Dicke, eine GaAs- Schicht 32 von 100 nm Dicke, die Aktivschicht des Lasers bildend, eine p-dotierte Schicht 34 des Typs GaAlAs mit 2 um Dicke, dann eine p&spplus;-dotierte GaAs-Schicht 36 von 500 nm Dicke, in der die Streifenstruktur des Lasers definiert wird, die die Abmessungen der Emissionszone definiert.
Durch die herkömmlichen Verfahren der Lithographie stellt man dann eine photosensible Harzmaske 38 her, die ermöglicht, den Bereich der Schicht 36 zu maskieren, in dem die Streifenzone 36a des Lasers definiert wird.
Anschließend führt man eine Ätzung der Schicht 36 mit einer erfindungskonformen Gasmischung und den vorhergehend beschriebenen Druck- und Hochfrequenzleistungsbedingungen durch.
Anschließend bildet man auf der hergestellten Struktur eine Isolierschicht 40, z. B. aus Si&sub3;N&sub4;, die man mit einem CF&sub4;- Plasma ätzt, bis die Streifenzone 36a ganz freigelegt ist. Dann entfernt man die Harzmaske 38 durch ein Sauerstoffplasma. Die so erhaltene Struktur ist die im Teil (b) der Fig. 13 dargestellte.
Nun stellt man mit Hilfe der "Lift-Off"-Technik auf dem Streifen 36a des erhaltenen Lasers einen elektrischen Kontakt aus AuZn her, dann die elektrische Speiseleitung 44 des Streifens aus TiAu durch Sputtern.
Das erfindungskonforme Ätzverfahren kann folglich verwendet werden, um, wie vorhergehend beschrieben, diskrete Bauteile herzustellen (MESFET-Transistoren, Laserstrukturen), aber auch, um auf demselben Substrat integrierte Laser und Feldeffekt- Transistoren herzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine anisotrope Struktur mit vollkommen glatten Ätzsohlen (fonds de gravure) und vollkommen geradlinigen Ätzflanken herzustellen, bei submikrometrischen Dicken und Längen, was eine einfachere Herstellung von vergrabenen optischen Leitern, von Netzen und von Laserstrukturen ermöglicht, als bei den Verfahren der vorhergehenden Technik. Außerdem weisen diese optischen Bauteile nur geringe oder keine Lichtverluste auf.
Die weiter oben angeführten Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ätzverfahrens dienen selbstverständlich nur der Erläuterung; weitere Halbleiterstrukturen (Dioden, Photodetektoren, Speicher) können in Betracht gezogen werden.
Außerdem können die vorerwähnten Laserstrukturen und MESFET-Transistoren Formen und Schichtenstapel aufweisen, die sich von den beschriebenen unterscheiden und aus anderen III-V- Materialien hergestellt sein. Insbesondere können die Source und der Drain des Feldeffekt-Transistors gebildet werden durch ein Halbisolatorsubstrat mittels lokaler Implantation von Ionen des n- oder p-Typs.

Claims

1. Reaktives Ionenätzverfahren eines Materials III-V (2, 10, 16, 36) unter Verwendung einer Gasmischung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mischung volumenmäßig enthält:

- 20% Methan

- 50% Argon, und

- 30% Wasserstoff

2. Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Gasmischung einen Druck aufweist, der enthalten ist zwischen 1 und 4 Pa.

3. Ätzverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung ionisiert wird mittels Radiofrequenzwellen, wobei die Radiofrequenzleistung von 10 bis 250 Watt geht.

4. Ätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Material (2, 16, 36) lokal ätzt unter Verwendung einer Ätzmaske (4a, 18, 38), die das Bild der zu ätzenden Zone (2a, 36a) darstellt.

5. Ätzverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (4a) aus Siliciumnitrid ist.

6. Ätzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material III-V (2, 10, 16, 36) gewählt wird aus InP, GaSb, Ga1-xInxAS, Ga1-xInxAs1-yPy, GaAs und Ga1-xAlxAs, mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1.

7. Epitaxie-Wachstumsverfahren einer Halbleiterschicht (10, 13, 28) aus einem ersten Material III-V, das einen Vorbereitungsschritt der Substratoberfläche umfaßt, gefolgt von einem Abscheidungsschritt mittels Epitaxie, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt darin besteht, das Substrat (2, 26) wenigstens partiell zu ätzen, entsprechend einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6.