DE69401370T2

DE69401370T2 - Ätzverfahren für Halbleiter

Info

Publication number: DE69401370T2
Application number: DE69401370T
Authority: DE
Inventors: Steven John Clements; Sureshchandra Mishrilal Ojha
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1993-02-18
Filing date: 1994-02-16
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2014-02-17
Also published as: EP0614214B1; DE69401370D1; EP0614214A2; EP0614214A3; GB2275364B; GB2275364A; GB9303257D0; US5419804A; JPH06291093A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Trockenätzung von Verbindungshalbleitern und auf Halbleiterbauteile, die mit diesem Verfahren hergestellt sind.

Ausgangspunkt der Erfindung

Reaktive Ionen- oder Plasma-Ätzverfahren wurden in weitem Umfang zum Ätzen von Verbindungshalbleitern, insbesondere III-V-Verbindungen, bei der Herstellung von optoelektronischen Bauteilen, wie z.B. Lasern verwendet. Eine spezielle Forderung für jedes Herstellungsverfahren auf diesem Gebiet besteht darin, daß eine hohe Qualität aufweisende ebene optische Oberflächen, beispielsweise Spiegel-Facetten geschaffen werden. Allgemein wird eine Methan-/Wasserstoff- Mischung als das Ätzgas verwendet, doch wurde festgestellt, daß diese Zusammensetzung eine Anzahl von größeren Nachteilen aufweist. Zunächst ist es beim Ätzen einer mehrschichtigen Struktur oder einer Heterostruktur äußerst schwierig, glatte, in richtiger Weise ausgerichtete geätzte Oberflächen zu schaffen, die als Spiegeel mit geringem Verlust wirken können. Zweitens kann eine Polymerabscheidung auf dem Maskierungsmaterial und auf der geätzten Oberfläche erfolgen, was zu einer Oberflächenaufrauhung führt. Drittens ist die Ausrichtung der geätzten Oberfläche in kritischer Weise von dem Gleichgewicht zwischen der Polymer-Abscheidung und dem Ätzen des Halbleiters abhängig. Kleine Änderungen der Ätzbedingungen können somit eine wesentliche Auswirkung auf die Qualität der geätzten Oberfläche haben. Als Folge hiervon ist das Verfahren nur schwierig zu steuern und führt zu relativ niedrigen Ausbeuten an brauchbaren Bauteilen.
In dem Bemühen, diese Nachteile zu beseitigen, haben einige auf diesem Gebiet arbeitende Fachleute die Hinzufügung von freiem Sauerstoff zu der Ätzgasmischung untersucht. Ein verfahren dieser Art wurde von J.W. McNabb et al in J. Vac. Sci. Technol., B9(6), Nov./Dez. 1991, Seite 3535 beschrieben. Es hat sich herausgestellt, daß diese Maßnahme das Problem der Polymerabscheidung löst, daß sich jedoch nur eine geringe Verbesserung bei der Verringerung der Oberflächenrauhigkeit und bei der Steuerung über die Oberflächenausrichtung ergibt. Es ist verständlich, daß jede Aufrauhung einer refelektierenden Oberfläche wesentliche Verluste für die optischen Signale hervorruft, die von dieser Oberfläche reflektiert werden. Ein weiteres Verfahren für die Plasmaätzung von Galliumarsenid ist von L.M. Loewenstein in der US-A-4 830 705 beschrieben.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der weitgehenden Verringerung oder Beseitigung dieser Nachteile.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren für das anisotrope Trockenätzen einer doppelten Heterostruktur eines Verbindungshalbleiters geschaffen, die erste und zweite Indium- Phosphid-Schichten (231, 232) und eine Indium-Gallium-Arsenid- Phosphid-Schicht (233) zwischen diesen Schichten umfaßt, wobei das Verfahren die Maskierung einer Hauptoberfläche der Heterostruktur, die Schaffung von Öffnungen in der Maske, die zu tzende Bereiche der Heterostruktur definieren, und die Baufschlagung der maskierten Heterostruktur unter verringertem Druck mit einem Hochfrequenzplasma einschließt, das eine Energiedichte von ungefähr 1 Watt pro Kubikzentimeter aufweist und 190 bis 194 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) Wasserstoff, 30 bis 35 sccm Methan und 5 bis 8 sccm Kohlenstoffdioxid umfaßt, wodurch die beaufschlagten Teile der Heterostruktur anisotropisch in einer Richtung allgemein senkrecht zu der Hauptoberfläche geätzt wird, wodurch eine optisch reflektierende geätzte Spiegeloberfläche geschaffen wird.
Typischerweise umfaßt die Heterostruktur eine mehrschichtige Struktur aus Indium-Phosphid, Indium-Gallium-Arsenid und/oder Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid, wie sie bei der Herstellung von Lasern oder Photodetektoren verwendet werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Elektrodenbaugruppe zur Durchführung eines plasmaätzens eines Substrates ist,
Fig. 2 bis 4 aufeinanderfolgende Stufen bei der Herstellung eines Halbleiter-Lasers zeigen,
Fig. 5 eine allgemeine Ansicht eines optischen Wellenlängen-Demultiplexers ist, der mit Hilfe der Vorrichtung nach Fig. 1 hergestellt wird,
Fig. 6 eine Schnittansicht einer abklingend gekoppelten Photodetektorstruktur ist, die mit der Vorrichtung nach Fig. 1 hergestellt wird, und
Fig. 7 interferometrische Messungen zeigt, die während des Ätzens einer mehrschichtigen Struktur mit Hilfe der Vorrichtung nach Fig. 1 ausgeführt werden.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Plamstzvorrichtung obere und untere parallele Plattenelektroden 21 bzw. 22 aufweist, wobei die untere Elektrode eine Halterung für einen Halbleitersubstratkörper 23 bildet, der anisotrop geätzt werden soll. Typischerweise umfaßt der Substratkörper 23 eine doppelte Heterostruktur aus ersten und zweiten Indium-Phosphid-Schichten 231 bzw. 232 und eine Indium-Gallium- Arsenid-Phosphid- (InGaAsP-) Plattenschicht 233 zwischen den Indium-Phosphid-Schichten. In vorteilhafter Weise weist die Flattenschicht eine Dicke von ungefähr 0,65 Mikrometern und eine Bandkante von ungefähr 1,18 eV auf, so daß ein transparenter Betrieb bei einer Wellenlänge von 1.5 Mikrometern ermöglicht wird. Der Substratkörper 23 ist mit einer photolithographischen Maske 24 mit Öffnungen 25 versehen, die diejenigen Bereiche des Körpers 23 definieren, die anistrop geätzt werden sollen. Der Körper 23 wird dadurch geätzt, daß er unter verringertem Druck einem Plasma ausgesetzt wird, das einen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff enthält, wobei der Sauerstoffanteil des Plasmas durch die Dissoziation eines gasförmigen Vorläuferstoffes geliefert wird. Der gasförmige Vorläuferstoff ist Kohlenstoffdioxid. Der Kohlenwasserstoff ist Methan. Die Gasmischung wird in einem Wasserstoffgasträger dispergiert und kann der Substratoberfläche über Kanäle 211 in der oberen Elektrode zugeführt werden.
Ein Plasma wird in dem Raum zwischen den Elektroden durch das Anlegen von Hochfrequenzenergie an diese erzeugt. Vorzugsweise wird die Hochfrequenzenergie an die obere Elektrode 21 angelegt, und der unteren Elektrode 22 wird eine negative Gleichspannung von ungefähr 400 bis 500 Volt zugeführt. Die Hochfrequenzversorgung der oberen Elektrode reicht aus, um eine Energiedichte von 1 Watt pro Kubikzentemeter in dem Raum zwischen den Elektroden zu schaffen. Die zugeführte Hochfrequenz-Gesamtleistung kann ungefähr 200 Watt betragen. Das Ätzen des Substratkörpers 23 verläuft anisotrop in den nicht maskierten Bereichen, so daß sich ein Ätzeinschnitt 26 im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche ergibt. Dieser Ätzeinschnitt kann eine Spiegeloberfläche mit ausreichender Qualität ergeben, damit sich eine reflektierende Facette, beispielsweise für einen Laser ergibt.
Wir haben Hochfreguenzen von ungefähr 13 MHz und einen Gasdruck zwischen 0,13 Pa und 26,7 Pa (1 Millitorr und 200 Millitorr) verwendet. Vorzugsweise wird der Druck in dem Bereich von 6,6 bis 13,3 Pa (50 bis 100 Millitorr) gehalten. In einem typischen Verfahren kann der Gasdruck 6,6 bis 8 Pa (50 bis 60 Millitorr) betragen und die Gasmischung kann volumenmäßig 190 bis 195 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) Wasserstoff, 30 bis 35 sccm Methan und 5 bis 8 sccm Kohlenstoffdioxid umfassen.
Im einzelnen haben wir erfolgreich eine Gasmischung, die 193 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) Wasserstoff, 32 sccm Methan und 7,5 sccm Kohlenstoffdioxid umfaßt, bei einem Druck von 8 Pa (60 Millitorr) und einer Hochfrequenzleistung von 200 Watt verwendet. Bei Verwendung zur Ätzen von geschichteten oder mehrschichtigen Strukturen aus Indium-Phosphid und Indium- Gallium-Arsenid-Phosphid und bei Verwendung einer Gleichspannung von -430 Volt ergab diese Gasmischung im wesentlichen polymerfreie glatte geätzte Oberflächen mit hoher Reflektionsqualität.
Es wurde festgestellt, daß das Ätzen mit einer Rate von 50 bis 120 nm/min bei Drücken im Bereich von 3,3 Pa bis 13,3 Pa (25 Millitorr bis 100 Millitorr) erfolgt, wobei Gesamt-Ätztiefen von ungefähr 2500 nm erzielt wurden. Wandwinkel nahe an 90º wurden erzielt.
Es kann ein weiter Bereich von Hochfrequenzen zur Erzeugung des Plasmas verwendet werden. Typischerweise kann die Frequenz im Bereich von niedrigen Hochfrequenzen von ungefähr 100 kHz bis zu Mikrowellenfrequenzen in der Größenordnung von 2,4 GHz liegen. Wenn eine Mikrowellenfrequenz verwendet wird, so wird bevorzugt, das Substrat aus einer weiteren Hochfrequenzversorgung vorzuspannen, deren Frequenz im Bereich von 100 kHz bis 15 MHz liegen kann.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform kann das Plasma durch induktive Kopplung erzeugt werden. Bei manchen Anwendungen kann das Substrat von einer weiteren Hochfrequenzversorgung vorgespannt werden, wobei diese Anordnung als Triodenätzung bezeichnet wird.
Wir haben festgestellt, daß ein übermäßger Anteil des Kohlenstoffdioxids in dem Plasma zu einer Oberflächenaufrauhung führen kann, so daß wir bevorzugen, eine maximale Kohlenstoffdioxidkonzentration von 4 Volumenprozent zu verwenden.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung eines Halbleiter-Steglasers unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Ätztechnik. Gemäß Fig. 2 ist die Halbleiterstruktur, aus der der Laser geformt werden soll, auf einem Substrat 41, beispielsweise aus Indium-Phosphid, gehaltert, und schließt eine Laserstruktur 42, eine Indium- Gallium-Arsenid-Phosphid-Q-Schicht 43, eine Indium-Phosphid- Schicht 44 von p-Leitungstyp und eine Indium-Gallium-Arsenid- Oberflächenschicht 45 ein. Der Bereich der Struktur, der schließlich den Steg bildet, ist durch eine Oxidmaske 46 definiert.
Die Struktur wird einem Plasma ausgesetzt, das Wasserstoff, einen Kohlenwasserstoff und Kohlenstoffdioxid enthält, wie es weiter oben beschrieben wurde, wodurch die nichtmaskierten Bereiche der Oberfläche geätzt werden, so daß eine Wulstoder Steg-Struktur 47 (Fig. 3) gebildet wird. Typischerweise ätzen wir bis zu einer Tiefe von ungefähr 0,5 Mikrometern, was ungefähr einem Drittel der Dicke der Indium-Phosphid- Schicht 44 vom p-Leitungstyp entspricht.
Die Oxidmaske 46 wird an ihrem Platz belassen, und die teilweise geätzte Struktur wird weiter geätzt (Fig. 4), indem sie einer Mischung aus Phosphorsäure (H&sub3;PO&sub4;) und Schwefelsäure (H&sub2;SO&sub4;) ausgesetzt wird. Diese Mischung kann eine Mischung von 3 Teilen Phosphorsäure und einem Teil Schwefelsäure umfassen. Das anisotrope Ätzen verläuft weiter bis zur vollen Tiefe der Indium-Phosphid-Schicht vom p-Leitungstyp, typischerweise um ein weiteres Mikrometer, um den Steg 47 zu bilden. Bei einer abgeänderten Verarbeitungsfolge kann die Naßätzstufe durch eine Fortsetzung der Plasmaätzstufe ersetzt werden, um ein einstufiges Verfahren zu schaffen.
Ein optischer Wellenlängen-Demultiplexer mit Spiegeloberflächen, die mit der vorstehenden Technik ausgebildet wurden, ist in einer allgemeinen Ansicht in Fig. 5 der beigefügten Zeichnungen gezeigt. Der Demultiplexer ist in einem eine doppelte Heterostruktur aufweisenden Indium-Gallium-Arsenid-/Indium-Phosphid-Platten-Wellenleiter ausgebildet und schließt einen Monomoden-Steg-Wellenleiter 31 und eine Vielzahl von Monomoden-Ausgangs-Steg-Wellenleitern 3a ein. Ein divergierender Lichtstrahl von dem Eingangs-Wellenleiter 31 beleuchtet eine erste kollimierende reflektierende Oberfläche 33, wodurch der Strahl auf ein Beugungsgitter mit einer Anordnung von dreieckförmigen Gruben oder Vertiefungen 34 gerichtet wird, die in die Halbleiteroberfläche eingeätzt sind. Die Konstruktion und Betriebsweise eines geätzten Beugungsgitters ist in unserer GB-A-2 222 891 beschrieben. Um sicherzustellen, daß die richtige Dispersion von dem Beugungsgitter erzielt wird, sind deren Perioden und Markierungswinkel so eingestellt, daß sich ein Betrieb mit einer Beugung vierter Ordnung ergibt.
Wellenlängen-demultiplexiertes Licht von dem Beugungsgitter wird auf die zweite Spiegeloberfläche 36 und dann auf den entsprechenden Ausgangs-Wellenleiter 32 gelenkt. Jede der Spiegeloberflächen 33 und 36 wird durch den vorstehend beschriebenen anisotropischen Ätzprozeß erzeugt.
Unter Beezugnahme auf Fig. 6 ist ein Querschnitt einer integrierten Photodetektorstruktur gezeigt, die mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Plasma-Ätztechnik hergestellt wurde. Der Detektor schließt eine Mesa-Struktur 50 ein, die auf einem Platten-Wellenleiter mit einem Indium-Phosphid- (InP-) Substrat 51 vom n-Leitungstyp, einer InGaAsP-Wellenleiter-Schicht 52 vom n-Leitungstyp und einer InP-Trennschicht 53 vom n-Leitungstyp angeordnet ist. Es kann eine weitere InGaAsP-Schicht 54 vorgesehen sein. Sich in der Wellenleiter-Schicht 52 ausbreitendes Licht wird in die Detektor-Mesa-Struktur 50 eingekoppelt.
Die Mesa-Struktur umfaßt eine mehrschichtige PIN-Diodenstrukktur, die aus einer unteren InP-Schicht 501 vom n-Leitungstyp, einer intrinsischen InGaAs-Schicht 502, einer intrinsischen InGa-As-P-Schicht 503, einer oberen InP-Schicht 504 vom p-Leitungstyp und einer InGaAs-Deckschicht 505 vom p+-Leitungstyp besteht. Die Struktur wird durch selektives Maskieren einer auf dem Substrat 51 aufgewachsenen mehrschichtigen Struktur mit Hilfe des vorstehend beschriebenen anisotrop en Plasma-Ätzverfahrens zur Bildung der Mesa-Struktur herg estellt. Wir haben festgestellt, daß eine geeignete Gasmischung für diesen Zweck 192 sccm Wasserstoff, 32 sccm Meth an und 5 sccm Kohlenstoffdioxid bei einem Druck von 8 Pa (60 Millitorr) umfaßt. Eine Hochfrequenzleistung von 200 Watt und eine Gleichspannung von -430 Volt wurden verwendet. Es wurde festgestellt, daß dies eine glatte und ebene Mesa-Kante mit ausreichender Qualität ergibt, um ein maskiertes Aufwachsen einer InP-Schicht 55 zu ermöglichen. Das durch dieses Plasma- Ätzverfahren erzielte Mesa-Profil wies eine ausreichende Qualität auf, damit das aufgewachsene InP-Material glatt war und um die Detektor-Mesa-Wände geneigt war, so daß eine geeignete Oberfläche für die weitere Verarbeitung verblieb.
In vorteilhafter Weise kann die Detektorstruktur mit einem Wellenlängen-Demultiplexer integriert werde n.
Es ist verständlich, daß wenn die Mesa-Struktur geätzt wird, es erforderlich ist, den Endpunkt des Ätzvorganges zu bestimmen, um ein Ätzen in die Wellenleiter-Struktur zu verhindern. Dies kann durch eine Laserinterferometrietechnik erzielt werden, bei der ein Laserpunkt, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 66 nm, auf die gewünschte Substratfläche gerichtet wird, wodurch ein Interferenzmuster erzeugt wird, deren Eigenart eine Funktion der eine Brechung hervorrufenden Indium- und Schichtdicke ist. Eine typische Interferenzspur ist in Fig. 7 der Zeichnungen gezeigt. Für jede Schicht ändert sich die erste Ableitung der Lichtintensität allgemein zyklisch, wobei sich eine deutliche Änderung in der Spur an jeder Schichtgrenze ergibt. Somit kann durch Beobachten der Interferenzspur und Zählen der Zyklen der Fortschritt des anisotropen Ätzverfahrens genau bestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zum anisotropen Trockenätzen einer doppelten Heterostruktur eines Verbindungshalbleiters mit ersten und zweiten Indiumphosphid-Schichten (231, 232) und einer zwischen diesen angeordneten Indium-Gallium-Arsenid-Phosphidschicht (233), wobei das Verfahren die Maskierung einer Hauptoberfläche der Heterostrucktur, die Schaffung von Öffnungen in der Maske, die zu ätzende Bereiche der Heterostruktur definieren, und die Beaufschlagung der maskierten Heterostruktur unter verringertem Druck mit einem Hochfrequenzplasma einschließt, das eine Energiedichte von ungefähr 1 Watt pro Kubikzentimeter aufweist und 190 bis 195 sccm (Standard-Kubikzentrimeter pro Minute) Wasserstoff, 30 bis 35 sccm Methan und 5 bis 8 sccm Kohlenstoffdixoid umfaßt, um auf diese Weise die freiliegenden Teile der Heterostruktur anisotropisch in einer Richtung allgemein senkrecht zur Hauptoberfläche zu ätzen, wodurch eine optisch reflektierende geätzte Spiegeloberfläche geschaffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma zwischen einer ersten geerdeten Elektrode und einer zweiten Elektrode erzeugt wird, der Hochfrequenzleistung zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine stetige elektrische (Gleichspannungs-) Vorspannung zwischen den Elektroden aufrechterhalten wird, wobei die zweite Elektrode auf einem negativen Potential bezogen auf die erste Eelektrode gehalten wird.