TWI410012B - 半導體埋嵌柵格製造方法 - Google Patents

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Description

半導體埋嵌柵格製造方法
本發明係關於半導體雷射領域以及特別是關於在半導體材料中製造作為DBR或DBF雷射之光柵。
在半導體相關領域,光柵是週期性的線條和空白所構成的圖案。典型的光柵範例是在半導體表面上所界定出節距的週期性皺摺。由於其週期性結構和電磁相互作用,光柵證實了很多有趣和有用的特性,譬如光譜儀,波長濾波器和波長選擇反射器。因此,光柵越來越常被使用在譬如半導體光電裝置的結構上。這種結構的範例包括分散式反饋布拉格(DFB)和分散式布拉格反射器(DBR)雷射在沿著主動層的區域上,或在主動區域之後和/或之前形成繞射光柵。這使振盪頻率的選擇和穩定,或者振盪頻率的選擇性反射得以產生單一波長的光線輻射。在現代的傳送系統中,DFB雷射可使用在需要精準和穩定光訊號的密集波長劃分多工應用上。由於其窄線寬和可調式波長,DFB雷射已經與日俱增地應用在醫學感測器和顯示器等的領域上。
本發明的實施範例通常是關於半導體光柵的製造,也特別是關於半導體嵌入光柵。
依據本發明的一項實施例,提供在半導體雷射結構中形成光柵外形的方法。此方法包括了提供一個半導體晶片,其包含具有適當量子井雷射結構的晶片基板(之後簡稱為晶片基板),位於在晶片基板上的蝕刻停止層,位於在蝕刻停止層上的光柵層,位於在光柵層上的蝕刻光罩層,以及位於在蝕刻光罩層上的光阻層。此方法包括的步驟有：在光阻層形成光阻光柵圖案,將光阻光柵圖案轉移到蝕刻光罩層,然後經由乾蝕刻傳送光柵圖案到光柵層,去除光阻層,和選擇性溼蝕刻光柵層,在光柵層形成光柵圖案。在蝕刻光罩層和蝕刻停止層之間位於光柵層以控制選擇性溼蝕刻,也因而是光柵外形。此方法進一步包括藉由選擇性溼蝕刻而不更改光柵層的光柵外形來去除蝕刻光罩層,以及在光罩層上再增長上鍍層,在半導體雷射結構中產生一個DBR區域。
在更進一步實施例中,該方法可包含經由全像攝影系統形成光阻光柵圖案於光阻層中以及進行去除殘渣處理過程於光阻層上以產生去除殘渣光阻光柵圖案。
本發明實施例所提供這些以及其他特性隨同附圖以及閱讀下列詳細說明完全地了解。
本發明的實施例是關於製造半導體雷射光柵外形的方法,例如分散式布拉格反射器(DBR)雷射可以單一頻率單一橫向模式在1060nm波長產生700mW的功率輸出。如這裡所使用的,"外形"是指半導體裝置光柵層的光柵圖案。
為了產生增加的雷射特性,本發明的方法集中在產生高品質的光柵外形,因而是改善的雷射光譜效能。可藉著最佳化節距大小,工作週期,光柵線高度,均勻性和光柵再生介面區域的結晶性質以改善光柵外形的品質。
在一項實施例中,本項方法使用了包括乾蝕刻(譬如反應離子蝕刻(RIE))和化學溼蝕刻的混合蝕刻處理。一開始使用具備較精細控制能力的RIE處理,再以一個或多個的溼蝕刻步驟作結束,去除RIE損害的表面層以達到真正沒有污染物的結晶表面。這可促使鍍層再增長,並防止裝置可靠性可能的降級。
為了產生光柵外形如圖所示,準備了半導體晶片1。半導體晶片包括晶片基板10,位於在晶片基板10上方的蝕刻停止層20,位於在蝕刻停止層20上方的光柵層30,位於在光柵層30上方的蝕刻光罩層40,以及位於在蝕刻光罩層40上方的光阻層50。如這裡所使用的,"上方"是指有一層塗覆在另一層之上,但不一定必須要直接塗覆。在本發明中,這裡也考慮另外加上中間層。更者,"上方"一詞不一定需要覆蓋整個表面的層而只要包含部份的覆蓋。上述的層可能藉由熟悉此項技術的人知道的各種方法,在晶片基板上生長或產生。例如,半導體晶片1可藉由低壓有機金屬氣相磊晶(MOVPE)法來成長。
現在來討論半導體晶片1的各種組成份。在一項實施例中,包括主動雷射區域的晶片基板10是漸變式折射率分別侷限式異質結構(GRINSCH)。蝕刻停止層20,光柵層30,蝕刻光罩層40可能都包含帶隙波長小於1000nm不含鋁的材料。在一項實施例中,蝕刻停止層20包含厚度小於5nm的GaAsP組成份。在範例的實施例中,蝕刻停止層可能包含的厚度約50nm。光柵層30可包含GaAS,GaInP和其他族群III-V半導體組成,或其組合,而蝕刻光罩層40可能包含GaAs,GaInP和其他族群III-V半導體組成,或其組合。在進一步的實施範例中,當蝕刻光罩層40包含GaInP時光柵層30可包含GaAs,或當蝕刻光罩層40包含GaAs時光柵層30可包含GaInP。
關於層之尺寸,光柵層30厚度可約為5至500nm(例如100NM,(其中蝕刻光罩層厚度為大於5nm(例如為50nm)。除此,蝕刻停止層20包含頻帶間隙波長接近上鍍層情況。
蝕刻光罩層40的組成份可在傳統的方法產生改善。傳統使用譬如氮化矽或氧化矽硬式蝕刻光罩組成份的方法會導致光柵層或半導體結構其他元件的汙染。目前的蝕刻光罩層40組成份可大大減少來自傳統方法的汙染。蝕刻停止層20可以使光罩外形的深度和工作週期易於控制,這在最大化光柵反射效能是很重要的。
再參考圖1,光阻層50可包含任何熟悉此項技術的人知道的各種適合的光阻(譬如正或負光阻)組成份。在一項實施例中,光阻是包含厚度約25到約500nm的正光阻。在範例的實施例中,正光阻可能包含的厚度約100nm。一種適合的正光阻材料範例是SPR3012正光阻材料,由MicroChem Corp.公司所製造。也可使用適合的負光阻材料。
在前述的層放在半導體晶片1上面之後,半導體晶片1可以在形成光柵外形之前進行額外的處理步驟。例如,半導體晶片1可以進行量子井混合步驟。
請參考圖1B,透過全像攝影系統在光阻層50形成光阻光柵圖案。再參考圖2,可以使用兩個射束雷射干涉全像攝影系統。兩個射束雷射全像攝影系統在晶片表面的光阻層形成干涉條紋以形成光柵圖案(譬如二階光柵圖案)。在圖2的實施例中,兩個射束雷射干涉全像攝影系統是由一個整合的氬離子雷射源所構成,在361nm下調整放射出約150mW UV光線。這個雷光束以鏡子M1和M2轉向到光學工作台。接著這個光束被由顯微鏡物件透鏡和針孔所組成份的空間濾波器(SF)擴張並純化以去除由於元件不完美造成的高階繞射模態。接下來這個擴張光束被光束分割器(BS)分成兩個光束。分割光束再由兩個鏡子M3和M4反射,投影到基板表面以形成在基板表面光阻層50上的干涉條紋。也可藉以角反射鏡使用單一擴張雷光束來完成光柵照射。這被稱為Lloyd/角立方方法。
因為全像攝影干涉條紋的內在行為,全像攝影系統在光阻層50上產生具有或多或少正弦外形的光柵圖案。光阻光柵線的真正形狀是根據照射時間以及照射後顯影時間干涉條紋的對比。於是,光阻層50的溝槽底部在大多數情況是只有部份開放的,如圖1B所示。在全像攝影之後,光柵圖案可能包括大約317nm的節距52。節距值52可經由目前的處理傳送到光柵層30的光柵外形如圖1H所示。雖然這些討論是集中在全像攝影,但這裡也可考慮其他適合的方法。
參考圖1C,半導體晶片1可進行去除殘渣處理過程,移除光阻層50進一步的部份。這個去除殘渣處理過程可使用任何適合的除渣劑(譬如含電漿的氧氣),清潔在溝槽底部的光阻層50,而一方面最佳化光阻光柵圖案的光柵線厚度和工作週期。在一項實施例中,去除殘渣的光阻光柵圖案可以定義約0.25到約0.3,或是約0.75到約0.8的工作週期54。因為由於全像攝影的變化,光阻光柵圖案所需的工作週期54可能有所不同,可依需要調整去除殘渣的時間以得到所需的工作週期。如圖1H所示,工作週期54可經由目前的處理傳送到光柵層30的光柵外形。雖然去除殘渣處理過程在控制和達到所需的工作週期是相當有效,但我們認為本發明方法可不需要此種去除殘渣步驟就可以達到所需的工作週期。
接下來如圖1D所示,半導體晶片1可進行乾蝕刻處理過程將去除殘渣的光阻光柵圖案傳送到蝕刻光罩層40和光柵層30。在一項實施例中,乾蝕刻處理是反應離子蝕刻(RIE)處理。RIE處理可使用碳氫為主的反應離子蝕刻劑(譬如甲烷和氫氣的混合物)。在一項實施例中,RIE處理是在電感型耦合電漿(ICP)蝕刻器進行,其中蝕刻劑透過50nm的GaIn P蝕刻光罩層40深深穿過約75-80nm的GaAs光柵層30。因其不可選擇性,可加以控制RIE以避免蝕刻穿過GaInAsP蝕刻停止層20。要不然可能在再成長步驟期間會產生缺陷,如圖1H所示。
在乾蝕刻步驟和整個處理過程期間,可藉著使用原子力顯微攝影(AFM)分析,例如可測量光柵線寬度,工作週期和線高度來監控光柵外形。目前的製造方法可藉著使用原子力顯微攝影(AFM)監控每個處理步驟以控制光柵參數。根據每一步驟的結果資料可調整處理參數以達到光柵所需的工作週期,線寬度和高度,也因而達到最後最佳化的光柵外形。
在乾蝕刻步驟之後,可去除光阻層50,如圖1E所示。如同熟悉此項技術的人所知的,可使用各種光阻層去除處理。在一項實施例中,可藉著以氧電漿蝕刻來去除光阻層50。參考圖1F,接下來使用化學組成份選擇性溼蝕刻光柵層30,在光柵層30上形成光柵外形。如圖1F所示,在蝕刻光罩層40和蝕刻停止層20之間放置光柵層30,以控制光柵層30的溼蝕刻。在一項實施例中,一種包括硫酸和過氧化氫選擇性的化學蝕刻劑,蝕刻GaAs光柵層30,而不蝕刻GaInP光罩層40。由於這種選擇性,蝕刻光罩層40可確保蝕刻劑深入光柵層30的溝槽。更者,如圖1F所示,GaAs光柵層30的選擇性蝕刻也利用InGaAsP蝕刻停止層20來控制工作週期54,因為溼蝕刻處理在InGaAsP蝕刻停止層20的表面結束。藉著使用這種停止層20,可藉由控制溼蝕刻的時間,而不改變以GaAs光柵層30厚度預先定義的光柵深度以最佳化光柵外形的工作週期。如以上所描述,光柵工作週期54是決定光柵反射效能最主要的參數。雖然所做的討論是集中在GaAs光柵層30,但是其他光柵層30的組成份(譬如GaInP)和其他選擇性的蝕刻劑,在這裡也是可以考慮的。
如圖1G所示,可藉著額外的選擇性溼蝕刻步驟來去除蝕刻光罩層40。在這個步驟,可不必更改光柵層30的光柵外形就可去除蝕刻光罩層40。在一項實施例中，可使用包含磷酸和鹽酸溶液的選擇性蝕刻溶液以蝕刻GaInP蝕刻光罩層40，而不動到GaAs光柵層30和蝕刻停止層20。蝕刻光罩層40，光柵層30，蝕刻停止層20，和選擇性蝕刻劑的其他組成份在這裡都可以考慮。
在去除光罩層之後，在光柵層30之上增長上鍍層60以隱藏光柵外形並產生半導體雷射結構100，如圖1H所示。上鍍層60可包括AlGaAs或其他適合的組成份。半導體雷射結構100可進一步包括位於在上鍍層60之上，包含GaAs的接觸層70。在再增長之後，半導體雷射結構100可進行更進一步的處理，以形成凸起背脊波導DBR雷射。
或者，本製造處理可在再增長之前，使用額外的處理步驟。在一項實施例中，如圖1G所示，可蝕刻晶片1以去除表面上任何淺層的晶體損害和Si污染。通常是利用化學溼蝕刻來進行蝕刻步驟。合適的化學藥劑可包括，但不限定是HF，或其他上述的化學蝕刻劑。為了更進一步確定去除污染物，也可使用譬如UV/臭氧處理的額外處理處理過程。
雖然本發明在此已對特定實施例作說明，人們瞭解這些實施例只作為說明本發明原理以及應用。因而人們瞭解列舉性實施例能夠作許多變化以及能夠設計出其他排列而並不會脫離下列申請專利範圍界定出本發明精神及原理。應該只受限於下列申請專利範圍。
半導體晶片．．．1
晶片基板．．．10
蝕刻停止層．．．20
光柵層．．．30
蝕刻光罩層．．．40
光阻層．．．50
節距．．．52
工作週期．．．54
上鍍層．．．60
接觸層．．．70
半導體雷射結構．．．100
本發明特定實施例之下列詳細說明隨同附圖閱讀將能最佳地了解。
圖1A為依據本發明一項或多項半導體晶片之斷面示意圖,其包含晶片基板,蝕刻停止層於晶片基板上,光柵層於蝕刻停止層,蝕刻光罩層於光柵層上,光阻層於蝕刻光罩層上。
圖1B為斷面示意圖,其顯示出本發明一項或多項實施例由全像系統在圖1A光阻層中產生之光阻光柵圖案。
圖1C為斷面示意圖,其顯示出本發明一項或多項實施例藉由去除圖1B光阻光柵圖案之去除殘渣的光阻層光柵圖案。
圖1D為斷面示意圖,其顯示出本發明一項或多項實施例使用反應離子蝕刻(RIE)轉移去除殘渣光阻層光柵圖案經由每一光罩以及至光柵層。
圖1E為斷面示意圖,其顯示出本發明一項或多項實施例後級去除圖1D之光阻層。
圖1F為斷面示意圖,其顯示出本發明一項或多項實施例選擇性化學溼蝕刻圖1E之光柵層。
圖1G為斷面示意圖,其顯示出本發明一項或多項實施例經由選擇性化學溼蝕刻去除圖1F之蝕刻光罩層。
圖1H為斷面示意圖,其顯示出本發明一項或多項實施例鍍層再成長於圖1G光柵層上以形成半導體雷射結構。
圖2為依據本發明一項或多項實施例兩個光束雷射全像攝影系統之示意圖。
附圖中所揭示實施例作為列舉用途以及並不預期對申請專利範圍所界定出本發明作限制。除此，附圖以及本發明因之特性閱讀下列詳細說明將完全明瞭。
半導體晶片．．．1
晶片基板．．．10
蝕刻停止層．．．20
光柵層．．．30
蝕刻光罩層．．．40
光阻層．．．50

Claims (24)

  1. 一種在半導體雷射結構中形成光柵外形的方法，該方法包括：提供半導體晶片，其包括晶片基板，位於在晶片基板上方的蝕刻停止層，位於在蝕刻停止層上方的光柵層，位於在光柵層上方的蝕刻光罩層，以及位於在蝕刻光罩層上方的光阻層，其中晶片基板包括主動雷射區域；在光阻層形成光阻光柵圖案；經由乾蝕刻傳送光阻光柵圖案到光柵層；去除光阻層；選擇性溼蝕刻光柵層，以在光柵層形成光柵外形，其中在蝕刻光罩層和蝕刻停止層之間之光柵層的配置係用來控制選擇性溼蝕刻；藉由選擇性溼蝕刻而不更改光柵層的光柵外形來去除蝕刻光罩層；以及在光柵層上再增長上鍍層以產生半導體雷射結構。
  2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中晶片基板為漸變式折射率分別侷限式異質結構(GRINSCH)。
  3. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中在光阻層中形成光阻光柵圖案之前，半導體晶片可以進行量子井混合步驟。
  4. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中蝕刻停止層包含InGaAsP以及界定出厚度為約50nm。
  5. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中光柵層包含GaAs，GaInP，其他族屬III-V半導體組成份，或其組合物，以及界定出厚度為約100nm。
  6. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中蝕刻光罩層包含GaAs，GaInP，其他族屬III-V半導體組成份，或其組合物，以及界定出厚度為約50nm。
  7. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中光阻層包含正光阻或負光阻，更進一步包含厚度在約25nm至約500nm範圍內。
  8. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中上鍍層包含AlGaAs。
  9. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中更進一步包含接觸層，其由GaAs所構成位於上鍍層上方。
  10. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中半導體雷射結構為分散Bragg反射器(DBR)雷射。
  11. 依據申請專利範圍第10項之方法，其中DBR雷射為凸起背脊波導DBR雷射。
  12. 依據申請專利範圍第10項之方法，其中DBR雷射在1060nm波長下產生700mW功率輸出。
  13. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中半導體晶片層藉由低壓有機金屬氣相磊晶(MOVPE)法成長於晶片基板上。
  14. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中光阻光柵圖案經由全像系統形成。
  15. 依據申請專利範圍第14項之方法，其中全像系統為兩個光束干涉全像系統。
  16. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中更進一步包含在光阻層上進行去除殘渣處理過程，以在乾蝕刻之前產生經去除殘渣的光阻光柵圖案。
  17. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中經去除殘渣的光阻光柵圖案界定出約0.25到約0.3，或是約0.75到約0.8的工作週期。
  18. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中光阻光柵圖案使用反應離子蝕刻(RIE)以被乾蝕刻至蝕刻光罩層以及光柵層中。
  19. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中光阻層經由使用氧等離子蝕刻加以去除。
  20. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中濕蝕刻使用硫酸及過氧化氫溶液，磷酸及鹽酸溶液，或其組合。
  21. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中更進一步包含使用原子力顯微鏡(AFM)分析光阻外形。
  22. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中更進一步包含在再成長步驟之前蝕刻半導體晶片。
  23. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中更進一步包含在再成長步驟之前進行UV/臭氧處理。
  24. 一種在半導體雷射結構中形成光柵外形的方法，其包括下列步驟：提供半導體晶片，其包括晶片基板，位於晶片基板上方包含GaAsInP的蝕刻停止層，位於蝕刻停止層上方包含GaAs的光柵層，位於光柵層上方包含GaInP的蝕刻光罩層，以及位於蝕刻光罩層上方的光阻層，其中晶片基板包括主動雷射區域；在光阻層透過全像攝影系統形成光阻光柵圖案；在光阻層上進行去除殘渣處理過程，以產生經去除殘渣的光阻光柵圖案；經由乾蝕刻傳送經去除殘渣的光阻光柵圖案到光柵層；經由蝕刻去除光阻層；選擇性地溼蝕刻光柵層，以在光柵層形成光柵外形，其中在蝕刻光罩層和蝕刻停止層之間之光柵層的配置係用來控制選擇性溼蝕刻；藉由選擇性溼蝕刻而不更改光柵層的光柵外形來去除蝕刻光罩層；以及在光柵層上再增長上鍍層以產生半導體雷射結構。
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