半导体器件制造方法及半导体器件

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种基于III-V族化合物的半导体器件制造方法。

背景技术

III-V族化合物，是元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb形成的化合物，通常所说的III-V族半导体是由上述III族和V族元素所形成的两元化合物，其成分化学比为1：1。III-V族化合物半导体材料在光电子器件、光电集成、超高速微电子器件和超高频微波器件及电路上已得到了重要应用，具有广阔前景。目前工业上所使用的III-V族半导体主要为砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓。

由于材料自身特性的原因，基于III-V族化合物的半导体器件制造工艺相比传统的Si、Ge系半导体存在很多不同之处，例如使用Si系材料制作的半导体器件具有成熟的COMS工艺，只需要事先设计好需要的器件结构，便可以按照统一的流程进行制作；而III-V族化合物半导体由于材料的不同，在干法刻蚀气体、湿法腐蚀液体方面都有很大的不同。比如砷化镓材料常用的刻蚀气体是氯气、氩气、三氯化硼。而磷化铟材料常用的刻蚀气体为氯气、甲烷、氩气，这其中也包括刻蚀工序中的光刻胶去除。在半导体器件制造过程中，往往需要至少一道刻蚀工序，以在半导体衬底或层结构上刻蚀形成所需要的图案；这一工序的通常是以图案化的光刻胶作为掩模，以实现按照掩膜版上的设计刻蚀基片或层结构的目的，当刻蚀结束后，需要将光刻胶从晶片表面剥除，以便进行下一工序。现有的光刻胶去除方法主要有以下几类：第一类直接去胶法。即在去除光刻胶时使用有机溶剂（如丙酮）或者专用的去胶液对光刻胶进行去除，这种方法有两个缺点，一是去胶时间相对较长，且需要水浴加热，二是去胶往往不够干净彻底，这是这个方法最大的缺点。第二类是等离子体预先轰击法。这类方法是在光刻胶作为掩膜进行干法刻蚀前，对光刻胶进行等离子体轰击（主要是氧气离化的等离子），使得光刻胶与刻蚀材料的结合不是那么紧密。从而在之后使用有机溶剂去除光刻胶时，更容易去除。这类方法主要的缺点是无法将光刻胶去除干净，只能起到一定的改善效果。第三类是氧气辉光法。这类方法是先使用有机溶剂去除光刻胶。此时在刻蚀材料的表面会有一些光刻胶残留。之后在ICP中使用O2对刻蚀材料表面进行轰击，从而将光刻胶去除。这种方法首先会对刻蚀材料的表面造成损害，并且对于一些容易氧化的材料会使得刻蚀材料出现氧化，从而影响器件的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有光刻胶去除工艺的不足，提供一种半导体器件制造方法，可在刻蚀工序中实现光刻胶的彻底去除，且对刻蚀目标层的表面几乎不造成损伤。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种半导体器件制造方法，包括至少一道刻蚀工序，用于以图案化的光刻胶作为掩模，将所述图案转移至由第一III-V族半导体材料所构成的刻蚀目标层，并清除光刻胶；所述刻蚀工序包括以下步骤：

在刻蚀目标层上形成由第二III-V族半导体材料所构成的隔离层，所述第二III-V族半导体材料与第一III-V族半导体材料具有腐蚀选择性且两者晶格匹配；

在所述隔离层上涂抹光刻胶并使之图案化；

以图案化的光刻胶作为掩模，将所述图案刻蚀转移至隔离层和刻蚀目标层；

去除至少部分光刻胶；

通过选择性湿法腐蚀工艺去除隔离层以及其上的残留光刻胶。

优选地，使用外延生长的方式在刻蚀目标层上形成所述隔离层。

优选地，所述隔离层的厚度为50nm～150nm。

作为本发明其中一个优选方案，所述第一III-V族半导体材料为Al

优选地，所述选择性湿法腐蚀工艺所使用的选择性腐蚀液为HF溶液体系。

进一步优选地，所述选择性腐蚀液为稀释HF溶液，稀释比例HF:H

作为本发明另一优选方案，所述第一III-V族半导体材料为Al

优选地，所述选择性湿法腐蚀工艺所使用的选择性腐蚀液为50 %柠檬酸溶液与30 %双氧水溶液按1 ∶1 ～ 3 ∶1的体积比混合而成。

进一步优选地，所述选择性腐蚀液为50 %柠檬酸溶液与 30 %双氧水溶液按1 ∶2的体积比混合而成。

作为本发明又一优选方案，所述第一III-V族半导体材料为InGaAs，所述第二III-V族半导体材料为InP。

优选地，所述选择性湿法腐蚀工艺所使用的选择性腐蚀液为：H

进一步优选地，所述选择性腐蚀液为HCl:H

作为本发明再一优选方案，所述第一III-V族半导体材料为InGaAsP，所述第二III-V族半导体材料为InP。

优选地，所述选择性湿法腐蚀工艺所使用的选择性腐蚀液为：HCl:CH

进一步优选地，所述选择性腐蚀液为HCl:H

基于以上技术方案还可以得到：

一种半导体器件，使用如上任一技术方案所述方法制造。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明根据III-V族半导体材料体系的极强的选择湿法腐蚀特性，通过在刻蚀目标层与光刻胶之间设置与刻蚀目标层具有腐蚀选择性且两者晶格匹配的隔离层，然后在刻蚀完成后利用选择性湿法腐蚀工艺将隔离层以及其上的光刻胶去除，相比现有各种去胶方案，可更彻底地清除光刻胶，且对刻蚀目标层的表面几乎不造成损伤。

附图说明

图1为VCSEL芯片制造过程中的传统去胶方案示意图；

图2为本发明的去胶方案示意图。

具体实施方式

针对现有去胶技术所存在的不足，本发明的解决思路是基于III-V族半导体材料体系的极强的选择湿法腐蚀特性，通过在刻蚀目标层与光刻胶之间设置与刻蚀目标层具有腐蚀选择性且两者晶格匹配的隔离层，然后在刻蚀完成后利用选择性湿法腐蚀工艺将隔离层以及其上的光刻胶去除，从而可实现光刻胶百分百地清除，且对刻蚀目标层的表面几乎不造成损伤。

本发明的半导体器件制造方法，包括至少一道刻蚀工序，用于以图案化的光刻胶作为掩模，将所述图案转移至由第一III-V族半导体材料所构成的刻蚀目标层，并清除光刻胶；所述刻蚀工序包括以下步骤：

在刻蚀目标层上形成由第二III-V族半导体材料所构成的隔离层，所述第二III-V族半导体材料与第一III-V族半导体材料具有腐蚀选择性且两者晶格匹配；

在所述隔离层上涂抹光刻胶并使之图案化；

以图案化的光刻胶作为掩模，将所述图案刻蚀转移至隔离层和刻蚀目标层；

去除至少部分光刻胶；

通过选择性湿法腐蚀工艺去除隔离层以及其上的残留光刻胶。

为了便于公众理解，下面通过一组具体实施例，并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1：

本实施例中的半导体器件为垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）。在VCSEL芯片中，所使用的Al

为解决这一问题，本实施例采用以下的刻蚀工艺：

步骤1、制作隔离层：

在制作VCSEL芯片过程中，先在Al

步骤2、制作光刻胶掩模：

如图2所示，在形成了隔离层的Al

步骤3、刻蚀图案：

利用ICP刻蚀机刻蚀Al

步骤4、去除至少部分光刻胶：

这一步骤的主要目的是为了使得尽可能多的隔离层表面暴露在外，以加快后续选择性湿法腐蚀的速度，对于光刻胶去除质量以及是否会对隔离层表面产生损伤并不需要在意，因此可根据实际情况灵活采用各种现有的湿法或干法去胶方式，最好选用操作最方便、实现成本最低的方式。本实施例中利用丙酮等有机溶剂对光刻胶进行清洗。

步骤5、选择性湿法腐蚀去除隔离层：

由于经历了较长的干法刻蚀过程，光刻胶会有一部分碳化而难以被去除，一些不挥发副产物覆盖在光刻胶表面，这是现有去胶方案所难以解决的。本发明通过选择性湿法腐蚀工艺去除隔离层，具体而言，即通过选择性腐蚀液只将隔离层的Al

将步骤4去胶后的外延片在1：20稀释的HF溶液中湿释放90s并适当搅拌，然后用去离子水将腐蚀液清洗干净，之后用棉球蘸取丙酮轻轻擦拭外延片表面、棉球蘸取异丙醇轻轻擦拭外延片表面，如此循环若干次，最后用去离子水清洗干净即可。此时隔离层已被完全清除，隔离层上附着的残余光刻胶也同时被彻底去除。最终处理后的刻蚀目标层的RMS为0.2nm，与外延生长的表面光滑度水平基本相同。

实施例2：

本实施例中的半导体器件为布里渊激光器。在布里渊激光器中，对于刻蚀目标层Al

本实施例具体采用以下的刻蚀工艺：

步骤1、制作隔离层：

本实施例为刻蚀目标层Al

步骤2、制作光刻胶掩模：

在形成了隔离层的Al

步骤3、刻蚀图案：

利用ICP刻蚀机刻蚀Al

步骤4、去除至少部分光刻胶：

这一步骤的主要目的是为了使得尽可能多的隔离层表面暴露在外，以加快后续选择性湿法腐蚀的速度，对于光刻胶去除质量以及是否会对隔离层表面产生损伤并不需要在意，因此可根据实际情况灵活采用各种现有的湿法或干法去胶方式，最好选用操作最方便、实现成本最低的方式。本实施例中利用丙酮等有机溶剂对光刻胶进行清洗。

步骤5、选择性湿法腐蚀去除隔离层：

本实施例中所选取的选择性腐蚀液为：50 %柠檬酸溶液和 30 %双氧水溶液按体积比从 1 ∶1 到 3 ∶1混合（50 %柠檬酸溶液是由一水柠檬酸晶体和去离子水按质量比 1：1配成）；优选的腐蚀液配比为 1 ∶2，此配比腐蚀液的选择腐蚀性最高，选择比最高可以达到116。

将步骤4去胶后的外延片在选择性腐蚀液中湿释放90s并适当搅拌，然后用去离子水将腐蚀液清洗干净，之后用棉球蘸取丙酮轻轻擦拭外延片表面、棉球蘸取异丙醇轻轻擦拭外延片表面，如此循环若干次，最后用去离子水清洗干净即可。此时隔离层已被完全清除，隔离层上附着的残余光刻胶也同时被彻底去除。最终处理后的刻蚀目标层的RMS为0.2nm，与外延生长的表面光滑度水平基本相同。

实施例3：

本实施例中的半导体器件为1.1微米波段激光器。有源层InGaAs材料的发光峰位于该波段。为了提高发光效率和降低阈值，有时需要对有源层进行特殊设计。在激光器中，光滑、陡直的侧壁起到了谐振腔反射镜的作用，所以要对外延片进行干法刻蚀。为了做出器件所需要的图形，需要在外延片上涂抹光刻胶进行光刻，从而形成光刻胶掩模，然后需要以光刻胶作为掩模，刻蚀InGaAs层。由于激光器需要侧壁非常光滑洁净，光刻胶的残留会使激光造成泄露，从而造成激光阈值的增加以及发光效率的降低甚至无法产生激光。

本实施例具体采用以下的刻蚀工艺：

步骤1、制作隔离层：

本实施例为刻蚀目标层InGaAs所选取的隔离层材料为InP。这两种材料之间具有极强的选择性腐蚀特性，并且两者晶格匹配，不会因为应力产生层与层之间的断裂这样的不良影响。其中，隔离层的厚度优选为50nm～150nm，本实施例中为100nm～150nm。隔离层的生成可以采用现有的物理气相沉积方法或化学气相沉积方法，也可以采用分子束外延生长，优选外延生长方式。

步骤2、制作光刻胶掩模：

在形成了隔离层的InGaAs层上涂覆光刻胶，并通过光刻制作出光刻胶掩模。

步骤3、刻蚀图案：

利用ICP刻蚀机刻蚀InGaAs层和InP层。InGaAs的刻蚀参数不需要改变。这是因为：在刻蚀InGaAs材料时，所使用的气体为氯气、甲烷和氩气，InP层的干法刻蚀性质与上述材料基本相同，并且由于厚度极薄，对原有刻蚀工艺的影响基本可以忽略。

步骤4、去除至少部分光刻胶：

这一步骤的主要目的是为了使得尽可能多的隔离层表面暴露在外，以加快后续选择性湿法腐蚀的速度，对于光刻胶去除质量以及是否会对隔离层表面产生损伤并不需要在意，因此可根据实际情况灵活采用各种现有的湿法或干法去胶方式，最好选用操作最方便、实现成本最低的方式。本实施例中利用丙酮等有机溶剂对光刻胶进行清洗。

步骤5、选择性湿法腐蚀去除隔离层：

本实施例中所选取的选择性腐蚀液为：H

将步骤4去胶后的外延片在选择性腐蚀液中湿释放90s并适当搅拌，然后用去离子水将腐蚀液清洗干净，之后用棉球蘸取丙酮轻轻擦拭外延片表面、棉球蘸取异丙醇轻轻擦拭外延片表面，如此循环若干次，最后用去离子水清洗干净即可。此时隔离层已被完全清除，隔离层上附着的残余光刻胶也同时被彻底去除。最终处理后的刻蚀目标层与外延生长的表面光滑度水平基本相同。

实施例4：

本实施例中的半导体器件为1.7微米波段激光器。有源层InGaAsP材料的发光峰位于该波段。为了提高发光效率和降低阈值，有时需要对有源层进行特殊设计。在激光器中，光滑、陡直的侧壁起到了谐振腔反射镜的作用，所以要对外延片进行干法刻蚀。为了做出器件所需要的图形，需要在外延片上涂抹光刻胶进行光刻，从而形成光刻胶掩模。然后需要以光刻胶作为掩模，刻蚀InGaAsP。由于激光器需要侧壁非常光滑洁净，光刻胶的残留会使激光造成泄露，从而造成激光阈值的增加以及发光效率的降低甚至无法产生激光。

本实施例具体采用以下的刻蚀工艺：

步骤1、制作隔离层：

本实施例为刻蚀目标层InGaAsP所选取的隔离层材料为InP。这两种材料之间具有极强的选择性腐蚀特性，并且两者晶格匹配，不会因为应力产生层与层之间的断裂这样的不良影响。其中，隔离层的厚度优选为50nm～150nm，本实施例中为100nm～150nm。隔离层的生成可以采用现有的物理气相沉积方法或化学气相沉积方法，也可以采用分子束外延生长，优选外延生长方式。

步骤2、制作光刻胶掩模：

在形成了隔离层的InGaAsP层上涂覆光刻胶，并通过光刻制作出光刻胶掩模。

步骤3、刻蚀图案：

利用ICP刻蚀机刻蚀InGaAsP层和InP层。InGaAsP的刻蚀参数不需要改变。这是因为：在刻蚀InGaAsP材料时，所使用的气体为氯气、甲烷和氩气，InP层的干法刻蚀性质与上述材料基本相同，并且由于厚度极薄，对原有刻蚀工艺的影响基本可以忽略。

步骤4、去除至少部分光刻胶：

这一步骤的主要目的是为了使得尽可能多的隔离层表面暴露在外，以加快后续选择性湿法腐蚀的速度，对于光刻胶去除质量以及是否会对隔离层表面产生损伤并不需要在意，因此可根据实际情况灵活采用各种现有的湿法或干法去胶方式，最好选用操作最方便、实现成本最低的方式。本实施例中利用丙酮等有机溶剂对光刻胶进行清洗。

步骤5、选择性湿法腐蚀去除隔离层：

本实施例中所选取的选择性腐蚀液为：HCl:CH

将步骤4去胶后的外延片选择性腐蚀液中湿释放90s并适当搅拌，然后用去离子水将腐蚀液清洗干净，之后用棉球蘸取丙酮轻轻擦拭外延片表面、棉球蘸取异丙醇轻轻擦拭外延片表面，如此循环若干次，最后用去离子水清洗干净即可。此时隔离层已被完全清除，隔离层上附着的残余光刻胶也同时被彻底去除。最终处理后的刻蚀目标层与外延生长的表面光滑度水平基本相同。