專利名稱：對(duì)ii－vi半導(dǎo)體有選擇的刻蝕的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體器件。具體地說，本發(fā)明是一種有選擇地刻蝕含鎂的半導(dǎo)體層的方法。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)埋脊(Buried ridge)，即埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Buried heterostructure)的半導(dǎo)體器件是已知的。這種器件在構(gòu)成諸如1993年5月25日授權(quán)的美國專利第5,213,998號(hào)、1993年9月28日授權(quán)的美國專利第5,248,631號(hào)、1993年12月28日授權(quán)的美國專利第5,274,269號(hào)、1994年3月1日授權(quán)的美國專利第5,291,507號(hào)、1994年6月7日授權(quán)的美國專利第5,319,219號(hào)、1995年3月7日授權(quán)的美國專利第5,395,791號(hào)、1995年3月7日授權(quán)的美國專利第5,396,103號(hào)、1995年4月4日授權(quán)的美國專利第5,404,027號(hào)、1994年11月8日授權(quán)的美國專利第5,363,395號(hào)、1996年5月7日授權(quán)的美國專利第5,515,393號(hào)、1995年5月30日授權(quán)的美國專利第5,420,446號(hào)、1995年6月13日授權(quán)的美國專利第5,423,943號(hào)、1996年7月23日授權(quán)的美國專利第5,538,918號(hào)和1996年4月30日授權(quán)的美國專利第5,513,199號(hào)介紹的那些發(fā)光器件、光探測(cè)器件、二極管和激光二極管時(shí)是有用的。
在制造這類器件時(shí)已經(jīng)采用了各種技術(shù)。這類技術(shù)之一是為了提供所需的表面特征而采用的干刻蝕法Xe離子束刻蝕。在離子束刻蝕時(shí)，用掩膜層覆蓋一部分半導(dǎo)體。離子束用于將半導(dǎo)體的曝光部分濺蝕掉。被掩膜覆蓋部分的半導(dǎo)體不被刻蝕。離子刻蝕之后，將掩膜除去，借此使下面未刻蝕的材料暴露出來。總之，離子刻蝕解決了濕法和干法化學(xué)刻蝕中的各相異性和溶解極限問題，而且可以對(duì)影響蝕刻的各種參數(shù)給予很好的控制，例如，蝕刻速率和終點(diǎn)的確定。在美國專利第5,420,446號(hào)和第5,423,943號(hào)中，F(xiàn).Naria和M.Ozawa指出為了實(shí)現(xiàn)有選擇地刻蝕Ⅱ-Ⅵ層可采用活性離子刻蝕(RIE)。在這項(xiàng)技術(shù)中，人們發(fā)現(xiàn)如果Ⅱ-Ⅵ化合物包含Mg,RIE刻蝕Ⅱ-Ⅵ化合物比較緩慢。
但是，離子刻蝕可能損害器件。例如，這種離子束刻蝕的運(yùn)用可能導(dǎo)致在激光脊的邊緣加速降解。這種損害可能導(dǎo)致激光二極管半導(dǎo)體器件的亮度下降以及增大這種器件的故障率。
另一種刻蝕技術(shù)采用與鍍層反應(yīng)的化學(xué)刻蝕劑。化學(xué)刻蝕對(duì)器件的損害通常比離子束刻蝕小。但是，這種技術(shù)缺乏與Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體相容且適合在制造Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體時(shí)使用的化學(xué)刻蝕劑。此外，需要適合Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體的有選擇的刻蝕方法。
本發(fā)明的概述簡要地說，本發(fā)明一方面提供一種制造Ⅱ-Ⅵ化合物半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括下述步驟(a)在基材上提供Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體第一外延層和Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體第二外延層，其中第二層包括鎂(Mg)而且第二層的鎂含量大于第一層的鎂含量；(b)提供貼緊第二外延層的成影像的光刻膠掩膜；以及(c)用包含HX的水溶液有選擇地刻蝕第二外延層，其中X是氯(Cl)或溴(Br)。
此外，在用HX有選擇地刻蝕之前可以對(duì)第二層進(jìn)行局部的離子束刻蝕。有利的是初始的離子束刻蝕將提高溶解度和刻蝕速度，而最后采用HX有選擇地刻蝕將排除由離子束刻蝕引起的任何損害。類似地，在用HX刻蝕之前可以使用活性離子刻蝕或其它化學(xué)刻蝕方法。
因?yàn)镠X基本不刻蝕不含鎂的Ⅱ-Ⅵ材料的{100}表面，所以過度腐蝕和刻蝕不足都得到較多的控制。進(jìn)而，由于含鎂層的選擇性，有選擇的刻蝕方法在遇到缺鎂層的精確深度自動(dòng)停止(或者變得非常非常緩慢)。
本發(fā)明的另一方面包括Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體器件，該器件具有多個(gè)含鎂濃度不同的膜層(包括不含鎂的膜層)，以致Mg濃度比較低的膜層為HX刻蝕劑提供刻蝕終止層。
附圖的簡要說明

圖1是按照本發(fā)明制作的承載埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光二極管的基片的側(cè)視剖面圖。
圖2是圖1所示基片的側(cè)視剖面圖，表示最初的加工步驟。
圖3是圖2所示基片在刻蝕加工之后的側(cè)視剖面圖。
圖4是圖3所示基片在后續(xù)的有選擇化學(xué)刻蝕之后的側(cè)視剖面圖。
圖5是圖4所示基片在沉積埋層之后的側(cè)視剖面圖。
圖6是圖5所示基片在頂離加工除去部分埋層之后的側(cè)視剖面圖。
圖7A和圖7B是依據(jù)本發(fā)明制作的基片的側(cè)視剖面圖，它們分別表示正坡度剖面和負(fù)坡度剖面。
本發(fā)明的詳細(xì)描述對(duì)于所有的蘭-綠激光器應(yīng)用可制造的指數(shù)引導(dǎo)的激光器(index-guided laser)都是需要的，在這些應(yīng)用中射束質(zhì)量(或閾限電流)是一個(gè)重要的問題。在此介紹的方法提高了這些器件的可制造性和可靠性。
本發(fā)明的方法在制造蘭-綠激光二極管時(shí)是有用的，在這種方法中包括濕法選擇刻蝕步驟。過去的工作導(dǎo)致開發(fā)埋脊激光二極管法。那種方法包括采用Xe離子的離子束刻蝕。該離子束可能損壞器件并且可能導(dǎo)致在激光脊邊緣加速降解。本發(fā)明的目標(biāo)是用于消除膜層的受損部分的濕法刻蝕步驟。這種方法采用HX水溶液作為刻蝕劑，其中X是氯Cl或溴Br。此外，這種方法具有一種優(yōu)點(diǎn)，即用這種方法有選擇地刻蝕Ⅱ-Ⅵ激光二極管的MgZnSSe鍍層，而不刻蝕其下面的ZnSSe引導(dǎo)層。因此，這種刻蝕方法在實(shí)際的指數(shù)引導(dǎo)脊激光器(index-guided ridge laser)所需的精確深度自動(dòng)停止。
先有技術(shù)包括指數(shù)引導(dǎo)激光器、離子束刻蝕以及濕法化學(xué)刻蝕。但是，我們認(rèn)為下述內(nèi)容以前從未有過報(bào)告(1)離子束刻蝕可能導(dǎo)致器件加速降級(jí)；(2)HX刻蝕MgZnSSe；(3)HX不刻蝕ZnSe或ZnSSe的(100)表面；(4)以前已知的Ⅱ-Ⅵ刻蝕劑有選擇地刻蝕ZnSeTe(用于接觸層)比刻蝕MgZnSSe快得多，通常損壞ZnSeTe級(jí)接觸，反之HX則不；(5)第2、3、4點(diǎn)可以用于有效地制造蘭-綠激光二極管。在本文中，HX既可以是HCl水溶液，也可以是HBr水溶液。
圖1說明依據(jù)本發(fā)明制備的埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Ⅱ-Ⅵ化合物半導(dǎo)體激光二極管10。如圖所示，激光二極管10包括具有周邊即被多晶的ZnS掩埋層12掩埋的脊(通常5μm寬)，以形成埋脊波導(dǎo)。器件10的各種膜層可以借助在美國專利第5,291,507和5,363,395號(hào)中介紹的分子束取向生長(MBE)完成沉積，這兩份專利通過在此引述而合并于本文。在另一個(gè)實(shí)施方案中，象在1996年10月日7申請(qǐng)的題為“Be-Containing Ⅱ-Ⅵ Blue-GreenLaser Diodes(含鈹?shù)蘑?Ⅵ蘭-綠激光二極管)”的共懸未決申請(qǐng)第08/726,618號(hào)中介紹的那樣，將鈹并入膜層。
激光二極管10是在與金屬接點(diǎn)16電耦合的基片14上形成的。噴鍍MgZnSSe的下層18沉積在GaAs基片14上。兩個(gè)ZnSSe波導(dǎo)20和22覆蓋在鍍層18上并且被CdZnSSe量子井24隔開。噴鍍MgZnSSe的第一上層26重疊在波導(dǎo)層22上并且承載著刻蝕終止層28。在一個(gè)實(shí)施方案中，刻蝕終止層28包含ZnSSe。但是，任何Mg的濃度比鍍層18低的適當(dāng)?shù)蘑?Ⅵ材料都可以使用。刻蝕終止層28的厚度大于50埃，優(yōu)選200埃。如果膜層28太厚，它可能影響激光二極管10的工作。噴鍍的第二上層30重疊在刻蝕終止層28之上并且被鑲嵌在埋層12中。ZnSeTe電阻接觸層32在鍍層30上形成并且被金屬電阻接觸電極36覆蓋。金屬貼片34覆蓋電阻接觸電極36。
在一個(gè)實(shí)施方案中，外延層如下表
制造圖1所示的埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)10是從涂覆制造p-型電阻接觸電極所必需的膜層開始的。參照?qǐng)D2，電阻接觸電極36包括被1000埃厚的金(Au)層覆蓋的50埃厚的鈀(Pd)層。在Au層的頂部沉積10埃的鈦(Ti)層。這些膜層是用常規(guī)的真空蒸發(fā)器沉積的。盡管Ti層不是必須的，但是Ti層在改進(jìn)光刻膠粘接方面是特別有用的。
然后，在電阻接觸電極的頂部涂覆圖3所示的掩膜38。這個(gè)掩膜的尺寸、寬度和定位取決于器件10內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)型。在一個(gè)實(shí)施方案中，采用Hoechst Celanese光刻膠和相關(guān)工藝AZ-5214E構(gòu)圖，繪制成4或5μm的線條。這些線條的取向垂直于AXTMGaAs晶片的主平面(<011>)，該晶片可購自位于DublinCalifornia的American Crystal Technology公司。
在一個(gè)實(shí)施方案中，將器件10轉(zhuǎn)移到一個(gè)備有離子磨刻蝕工藝的真空艙內(nèi)，以便由器件10形成脊。用這個(gè)工藝完成通過膜層36、32進(jìn)入膜層30的初始刻蝕。使用Xe+離子源，射束電壓500伏。在離子刻蝕期間，器件10擺動(dòng)±50°，刻蝕速度為0.125μm/min.。在刻蝕工藝期間，來自He-Ne激光器的光束直接通過真空艙的窗口照射在器件10上。離子束將膜層30、32和36未被光刻膠掩膜38覆蓋的暴露部分除去。檢測(cè)并監(jiān)視從器件10上反射的激光束部分，以確定刻蝕深度。在美國專利第5,404,027號(hào)中介紹過這種離子磨工藝，該文獻(xiàn)通過在此引述而合并于本文。
采用He-Ne激光監(jiān)測(cè)刻蝕深度，并將這個(gè)深度控制在膜層28的大約0.5μm之內(nèi)。對(duì)于最后的2500?；蚋啵x子束電壓降低到30伏。在到達(dá)刻蝕終止層28之前2000埃處，停止離子磨蝕。所得到的結(jié)構(gòu)示于圖3，并且，磨蝕工藝已經(jīng)使膜層30的頂部受損。
然后，將器件10從真空艙中移出，并且立即用HCl或HBr水溶液(濃度由在被刻蝕層中存在的Mg量確定)刻蝕，該水溶液有選擇地刻蝕膜層30。在一個(gè)實(shí)施方案中，刻蝕條件是在室溫和不攪拌的條件下采用“濃縮的”HCl溶液以大約1500埃/秒的速度完成的。另外，離子磨蝕步驟可以用其它已知的刻蝕技術(shù)代替。在其它實(shí)施方案中，有選擇的化學(xué)刻蝕可以用于去除整個(gè)膜層30。膜層30的刻蝕一直延續(xù)到達(dá)刻蝕終止層28為止，在這個(gè)終止點(diǎn)選擇刻蝕停止。然后，將器件10從刻蝕劑溶液中取出、漂洗并干燥。這將導(dǎo)致圖4所示結(jié)構(gòu)。本發(fā)明一方面包括將波導(dǎo)層22隔開的附加的刻蝕終止層28。這個(gè)設(shè)計(jì)減少了少數(shù)載流子的數(shù)目，這些載流子在激光二極管工作期間在刻蝕表面通過暗復(fù)合重組(即不提供亮度的重組)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，不采用單獨(dú)的刻蝕終止層，而是由波導(dǎo)層22起刻蝕終止層的作用。在這兩種實(shí)施方案中，波導(dǎo)層22本質(zhì)上不被HX刻蝕。
一旦借助刻蝕方法限定異質(zhì)結(jié)構(gòu)，就開始沉積膜層12。參見圖5，沉積1μm厚的多晶的ZnS。涂覆光刻膠溶劑使掩埋層38“頂離”，借此將膜層38與一部分覆蓋膜層38的膜層12一起除去。超聲和丙酮可以用于引起頂離。對(duì)于離子刻蝕器件10可能還需要局部去除膜層12并借此暴露部分光刻膠層38，以利于頂離。但是，如果因HX法有足夠的底切，這可能是不必要的。這種頂離法如圖6所示將膜層36暴露出來。
現(xiàn)在返回到圖1，貼片34是采用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)施加的。例如，在沉積2000埃Au層之后再沉積1000埃的Ti層。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是HX將各相異性地刻蝕波導(dǎo)脊的側(cè)壁。最終的剖面將朝圖7A所示的鈍壁角70或圖7B所示的銳壁角72演變，取決于脊74或76在基片78上的結(jié)晶取向。HX刻蝕傾向于暴露緩慢刻蝕的{111}平面。如果脊74與<011>結(jié)晶方向(取決于制造商，這個(gè)方向平行于或垂直于晶片上的主平面)對(duì)正，底切導(dǎo)致大約125°的側(cè)壁鈍角70。這種幾何形狀對(duì)于隨后真空沉積埋層的工藝是優(yōu)選的。另一方面，如果脊76平行于<011>方向，底切導(dǎo)致大約55°的側(cè)壁銳角72。這對(duì)于某些應(yīng)用可能是優(yōu)選的。有利的是，p-型觸點(diǎn)80大于將較低的串聯(lián)電阻提供給指定有效面積的活性區(qū)。
選擇性刻蝕的具體刻蝕速度可通過控制待刻蝕的膜層中Mg的濃度或通過控制HX溶液的濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本發(fā)明中有用的HX水溶液的濃度可以在0.1N至濃縮(飽和)溶液的范圍內(nèi)。HCl的濃度范圍優(yōu)選從1N至12N，更優(yōu)選從5N至12N，進(jìn)一步優(yōu)選從10N至12N，最優(yōu)選12N(即“濃縮的HCl”)。HBr的濃度范圍優(yōu)選從1N至8N，更優(yōu)選從6N至8N，最優(yōu)選8N(即“濃縮的HBr”)。Mg的濃度可以借助觀察材料的帶隙來確定，在一個(gè)實(shí)施方案中，該帶隙是2.85eV，濃度大約為8％。在其它實(shí)施方案中，被HX刻蝕的膜層是MgZnSSe、MgZnSe、BeMgZnSe或BeMgZnSSe之類。
本發(fā)明在技術(shù)上提供優(yōu)勢(shì)，它提供有用的光刻工藝和裝置以便在Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體材料上形成所需的形狀。本發(fā)明對(duì)于任何Ⅱ-Ⅵ器件都是有用的，并且不限于上述的激光二極管。例如，它在制造Ⅱ-Ⅵ異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管時(shí)也是有用的，使接觸基極成為可能。本發(fā)明進(jìn)一步包括借助上述刻蝕工藝形成的最終結(jié)構(gòu)，包括那些按制造工藝包含刻蝕終止層的器件。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將承認(rèn)任何適當(dāng)?shù)目涛g終止層都可以使用，只要其蝕刻速度低于待去除材料的刻蝕速度刻蝕，包括Mg的相對(duì)濃度較低的膜層。通常，應(yīng)當(dāng)這樣選擇刻蝕終止，以使它與工藝或精加工產(chǎn)品兼容。還應(yīng)當(dāng)理解，可以在制造工藝完成前采用任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)除去刻蝕終止層。
盡管已經(jīng)參照優(yōu)選的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明做了介紹，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將承認(rèn)，在不脫離本發(fā)明的精髓和范圍的條件下，能夠在形式和細(xì)節(jié)上做一些變化。依據(jù)本發(fā)明的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體器件在電子設(shè)備、電子系統(tǒng)、光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電子顯示系統(tǒng)、激光打印機(jī)等設(shè)備中是有用的。
權(quán)利要求
1．一種Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光器，該激光器包括Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體的第一鍍層；覆蓋第一鍍層的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體第一引導(dǎo)層；覆蓋第一引導(dǎo)層的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體活性區(qū)；覆蓋活性區(qū)的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體第二引導(dǎo)層；覆蓋第二引導(dǎo)層的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體第二鍍層；以及存在于第二鍍層中的刻蝕終止層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光器，其中第二鍍層包括Mg。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光器，其中刻蝕終止層所含Mg的濃度低于在第二鍍層中Mg的濃度。
4．根據(jù)權(quán)利要求1至3的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光器，其中第二鍍層包括一個(gè)本質(zhì)上平行于第二鍍層中{111)晶面的側(cè)壁。
5．根據(jù)權(quán)利要求1至4的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光器，其中刻蝕終止層的厚度至少是50埃。
6．一種光盤數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)，其中包括根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光器。
7．一種電子顯示系統(tǒng)，其中包括根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光器。
8．一種激光打印機(jī)，其中包括根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體激光器。
全文摘要
利用HX水溶液(其中X是Cl或Br)有選擇的刻蝕制造Ⅱ－Ⅵ半導(dǎo)體器件。Ⅱ－Ⅵ半導(dǎo)體器件是由許多層組成的。在其中的一個(gè)半導(dǎo)體層中引入Mg就可以實(shí)現(xiàn)有選擇的刻蝕。成品器件可以包括含Mg的半導(dǎo)體層。
文檔編號(hào)H01L21/465GK1232578SQ97198623
公開日1999年10月20日 申請(qǐng)日期1997年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月7日
發(fā)明者邁克·A·哈斯, 保羅·F·博德, 托馬斯·J·米勒 申請(qǐng)人:明尼蘇達(dá)礦業(yè)和制造公司