CN111261506A - 一种半导体器件光化学刻蚀方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体器件光化学刻蚀方法，包括：S1、在具有掩膜层的半导体结构的待刻蚀表面进行化学刻蚀第一预设时间段，得到预刻蚀的半导体结构；S2、使用光照使预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域产生电场，以对所述待刻蚀区域进行深刻蚀，得到预设深宽比的半导体器件。上述方法通过在深刻蚀前在半导体结构预刻蚀，获得预刻蚀的腐蚀坑后，辅以光照，利用光生载流子的捕获，及光生载流子的分布来控制刻蚀的方向性和提高刻蚀精度，改善了湿法化学刻蚀方向性，可获得较大深宽比的形貌。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种半导体器件光化学刻蚀方法及装置。
背景技术
目前，III-V族化合物半导体器件在制造过程中大多用MOCVD(有机金属化学气相沉积法Metal-organic Chemical Vapor Deposition)在标准尺寸衬底生长外延层，后续刻画结构形貌或分割成多个器件多会采用湿法或者干法刻蚀工艺。
其中，湿法刻蚀因成本低，基本对表面无结构性破坏而广泛应用于半导体制造行业。但是，湿法刻蚀由于刻蚀的各向同性，限制了微制造过程中刻蚀形貌为窄而深的隧道形状，因而湿法刻蚀大多用于深宽比较小或精度要求不高的刻蚀工艺。如图1所示，为采用湿法刻蚀的半导体器件典型形貌，其中，101为掩膜，102为刻蚀后的薄膜结构，103为基板，湿法刻蚀除了垂直刻蚀还会在掩膜下横向刻蚀，很难得到深宽比较大的形貌。而干法刻蚀虽然刻蚀各向同性，但是干法刻蚀包括复杂的机械、电气和真空装置，同时配有自动化的刻蚀终点检测和控制装置，这些设备投资是昂贵的。
也就是说，尚未有一种可实现大规模量产的可获得深宽比较大的形貌的湿法刻蚀方法，因此，提出成本低并且可实现各向异性的半导体器件刻蚀方法是非常必要的。
发明内容
(一)发明目的
本发明提供一种半导体器件光化学刻蚀方法，可改善湿法化学刻蚀方向性，获得深宽比较大的形貌，可实现大规模量产，一定程度取代了干法刻蚀，节约成本。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种半导体器件光化学刻蚀方法，包括：
S1、在具有掩膜层的半导体结构的待刻蚀表面进行化学刻蚀第一预设时间段，得到预刻蚀的半导体结构；
S2、使用光照使预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域产生电场，以对所述待刻蚀区域进行深刻蚀，得到预设深宽比的半导体器件。
通过在深刻蚀前在半导体结构预刻蚀，获得预刻蚀的腐蚀坑后，辅以光照，利用光生载流子的捕获在待刻蚀区域产生电场，由于腐蚀坑的存在导致光生载流子的分布不同，从而产生各向异性的刻蚀，获得较大深宽比的形貌。
在一种优选的方案中，所述步骤S2包括：
在所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀表面继续进行化学刻蚀，以及，
在所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域的背面增加光照，以使预刻蚀的半导体结构中待刻蚀区域产生电场。
可选地，所述步骤S1中，化学刻蚀的药液为：H2O2：NH4OH：H2O＝1:4:20。
所述第一预设时间段为10s。
在一种可选的方案中，所述步骤S2包括：
在所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀表面继续进行化学刻蚀，以及，
使用预设波段的LED对所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域的背面照射，以使预刻蚀的半导体结构中待刻蚀区域产生电场。
可选地，通过调节光照强度以控制刻蚀速率。
在一种可选的方案中，所述步骤S2中对所述待刻蚀区域进行深刻蚀，包括：
调整所述预刻蚀的半导体结构的位置，以使待刻蚀表面均匀刻蚀。
另一方面，本发明提供一种用于半导体器件光化学刻蚀的刻蚀装置，包括：
支撑待刻蚀的半导体结构的载体；
用于存放化学刻蚀的药液的药液盛放装置；
所述载体与所述半导体结构置于药液盛放装置内，所述半导体结构的表面浸泡于所述药液中进行化学刻蚀；
所述半导体结构的背面设有对所述半导体结构的待刻蚀区域进行光照的光源。
所述载体为滚轮，通过所述滚轮滚动带动所述半导体结构在所述药液盛放装置内移动。
所述滚轮连接驱动装置，所述驱动装置驱动所述滚轮滚动，以使半导体结构移动。
可选地，所述药液盛放装置包括上料端和出料端；所述滚轮在驱动装置的驱动下将所述半导体结构从上料端送入所述药液盛放装置，从出料端送出所述药液盛放装置。
可选地，所述刻蚀装置还包括药液循环装置。所述药液循环装置位于所述药液盛放装置的外侧，用于收集从所述药液盛放装置溢流的药液并送入所述药液盛放装置中循环使用。所述药液循环装置包括水槽、储液罐和水泵；
所述水槽位于药液盛放装置的上料端和出料端外侧，用于收集从所述上料端和所述出料端的溢流的药液；
所述水槽设有水槽管道，所述水槽收集的溢流的药液通过水槽管道进入储液罐；
所述水泵将储液罐的药液泵取到药液盛放装置。
本装置结构简单，可应用于实际大规模生产，节约成本。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：通过在深刻蚀前在半导体结构预刻蚀，获得预刻蚀的腐蚀坑后，辅以光照，利用光生载流子的捕获在待刻蚀区域产生电场，从而产生各向异性的刻蚀，改善了湿法化学刻蚀方向性，可获得深宽比较大的形貌。
通过调节光照强度，可以调节光生载流子的分布来控制刻蚀的方向性和提高刻蚀精度。
附图说明
图1为现有技术中采用湿法刻蚀的半导体器件形貌结构示意图；
图2为本申请方法实施例刻蚀方法流程图；
图3为本申请方法实施例刻蚀方法待刻蚀的GaAs结构示意图；
图4为本申请方法实施例刻蚀方法刻蚀完成后的GaAs结构示意图；
图5为本申请方法实施例刻蚀方法示意图；
图6为本申请装置实施例刻蚀装置结构图；
图7为本申请装置实施例刻蚀方法流程图。
【附图标记】
101.掩膜；102.薄膜；103.基板；201.待刻蚀的n*-GaAs结构；201a.n*-GaAs结构待刻蚀区域；202.n-AlAs结构；203.n-GaAs结构；204.无掺杂GaAs结构；205.AlGaAs/GaAs结构；301.刻蚀完成的n*-GaAs结构；401.半导体结构待刻蚀表面；402.刻蚀药液；403.光照；404；腐蚀坑；405.空穴；501.载体；502.药液盛放装置；503.光源；504.水槽；505.储液罐；506.水泵；507.水槽管道；508.药液。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
方法实施例
本实施例一种半导体器件光化学刻蚀方法，以n型III-V族半导体器件GaAs为例，具体地，如图2所示，方法包括下述步骤：
S1、在具有掩膜层的半导体结构的待刻蚀表面进行化学刻蚀第一预设时间段，得到预刻蚀的半导体结构。
其中，化学刻蚀的药液为：H2O2：NH4OH：H2O＝1:4:20。
第一预设时间段为10s。
具有掩膜层的半导体结构如图3所示，其中，201为待刻蚀的具有掩膜层的n*-GaAs结构，202为
的n-AlAs结构，203为n-GaAs结构，204为无掺杂的GaAs结构，205为交替的AlGaAs和GaAs结构。在具有掩膜层的n*-GaAs半导体结构201的待刻蚀表面进行化学刻蚀，虚线区域201a为要刻蚀的部位。本实施例中，要刻蚀的部位为n*-GaAs半导体结构的阳极。
使用H2O2：NH4OH：H2O＝1:4:20药液预刻蚀10s，刻蚀速率约为0.2μm/min，得到预刻蚀的半导体结构，形成约30nm的较浅的腐蚀坑。
S2、使用光照使预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域产生电场，以对待刻蚀区域进行深刻蚀，得到预设深宽比的半导体器件。
刻蚀完成的半导体结构如图4所示，301为刻蚀完成的n*-GaAs结构。
本实施例中，步骤S2采用的方法为：
在预刻蚀的半导体结构的待刻蚀表面，继续进行化学刻蚀，以及，在预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域的背面增加光照，以使预刻蚀的半导体结构中待刻蚀区域产生电场。
如图5所示，预刻蚀的n型GaAs半导体结构待刻蚀表面401即GaAs半导体结构的阳极，其中，预刻蚀的n型GaAs半导体结构包括腐蚀坑404。将预刻蚀的n型GaAs半导体结构继续浸泡在刻蚀药液402，H2O2：NH4OH：H2O＝1:4:20中进行化学刻蚀，在n型GaAs半导体的的背面即-GaAs半导体结构的阴极，增加光照403。由于光电效应，GaAs半导体器件内部产生光生载流子——电子空穴对，空穴405向GaAs半导体结构的阴极移动，电子向GaAs半导体结构的阳极移动，电子集中于被刻蚀表面，而空穴远离被刻蚀表面，深入待刻蚀区域，形成内部电场。
GaAs光化学刻蚀反应原理：
在电场的作用下，电子完全集中于预刻蚀的半导体结构较浅的腐蚀坑403表面，即深刻蚀前在基体上制作的诱导坑(腐蚀坑)的尖端，加快了GaAs半导体结构腐蚀坑403表面尖端的腐蚀，由此，产生各向异性的腐蚀。
可选地，步骤S2可采用以下方法：
在预刻蚀的半导体结构的待刻蚀表面继续进行化学刻蚀，以及，
使用预设波段的LED对预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域的背面照射，以使预刻蚀的半导体结构中待刻蚀区域产生电场。
其中，采用的光照为可见光LED。优选地，采用蓝光LED。
在实际应用中，可以通过调节光照强度以控制光电流的大小，从而控制刻蚀速率。
可通过调节光照强度使载流子完全集中于通道尖端从而产生各向异性的腐蚀，可大量减少由于过程中掩膜结合问题引起的过刻蚀，从而提高良率。
本实施例刻蚀方法改善了湿法化学刻蚀方向性，实验结果证明可获得200:1的深宽的形貌。同时，本实施例方法简单可实现大规模量产，一定程度取代了干法刻蚀，节约成本。
在一种可选的方案中，对待刻蚀区域进行深刻蚀，包括：调整预刻蚀的半导体结构的位置，以使待刻蚀表面均匀刻蚀。
在预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域的背面增加光照的同时，通过刻蚀装置控制半导体器件在药液中循环移动，以便刻蚀更加均匀。
装置实施例
一种用于半导体器件光化学刻蚀的刻蚀装置如图6所示，包括：载体501、药液盛放装置502和光源503；
载体501，用于支撑待刻蚀的半导体结构的；
药液盛放装置502，用于存放化学刻蚀的药液508；
载体501与半导体结构置于药液盛放装置内，半导体结构的表面浸泡于所述药液中进行化学刻蚀；
半导体结构的背面设有对半导体结构的待刻蚀区域进行光照的光源503。
本实施例中，载体501为滚轮，通过滚轮滚动带动半导体结构在所述药液盛放装置内移动。
在实际应用中，可以是滚轮连接驱动装置，驱动装置驱动滚轮滚动，以使半导体结构移动。
可选地，药液盛放装置包括上料端和出料端；所述滚轮在驱动装置的驱动下将所述半导体结构从上料端送入所述药液盛放装置，从出料端送出所述药液盛放装置。
可选地，刻蚀装置还包括药液循环装置。
所述药液循环装置位于药液盛放装置的外侧，用于收集从药液盛放装置溢流的药液并送入药液盛放装置循环使用。
药液循环装置包括水槽504、储液罐505和水泵506；
所述水槽504位于药液盛放装置的上料端和出料端外侧，用于收集从上料端和出料端的溢流的药液；
水槽504设有水槽管道507，水槽收集的溢流的药液通过水槽管道进入储液罐505；
水泵507将储液罐的药液泵取到药液盛放装置502。
在实际使用中，使用刻蚀装置采用本发明所述方法对半导体结构进行光化学刻蚀如图7所示：
601、待刻蚀的半导体结构由滚轮送入刻蚀装置。
待刻蚀的半导体结构由滚轮送入刻蚀装置进行光化学刻蚀。
602、对待刻蚀的半导体结构进行化学刻蚀。
首先进行无光源的化学刻蚀，在待刻蚀的半导体结构表面形成腐蚀坑。
603、打开光源，对预刻蚀后的半导体结构进行化学刻蚀的同时进行光照。
打开刻蚀装置中的光源，对形成腐蚀坑后的预刻蚀后的半导体结构的背面进行光照，进行光化学刻蚀。
在步骤602、步骤603刻蚀的过程中，待刻蚀的半导体结构浸泡于药液中，由滚轮传送移动以使所述待刻蚀表面均匀刻蚀。
604、获得预设深宽比的半导体器件，由滚轮送出刻蚀装置。
本实施例装置设备构造简单，且突破了化学刻蚀各向同性的瓶颈，某些条件下可取代干法刻蚀，节约成本。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种半导体器件光化学刻蚀方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、在具有掩膜层的半导体结构的待刻蚀表面进行化学刻蚀第一预设时间段，得到预刻蚀的半导体结构；
S2、使用光照使所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域产生电场，以对所述待刻蚀区域进行深刻蚀，得到预设深宽比的半导体器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤S2包括：
在所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀表面继续进行化学刻蚀，以及，
在所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域的背面增加光照，以使所述预刻蚀的半导体结构中待刻蚀区域产生电场。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述步骤S1中，所述化学刻蚀的药液为：H2O2：NH4OH：H2O＝1:4:20。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述第一预设时间段为10s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
在所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀表面继续进行化学刻蚀，以及，
使用预设波段的LED对所述预刻蚀的半导体结构的待刻蚀区域的背面照射，以使所述预刻蚀的半导体结构中待刻蚀区域产生电场。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
通过调节所述LED的光照强度以控制刻蚀速率。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中对所述待刻蚀区域进行深刻蚀，包括：
调整所述预刻蚀的半导体结构的位置，以使所述待刻蚀表面均匀刻蚀。
8.一种用于半导体器件光化学刻蚀的刻蚀装置，包括：
载体，用以支撑待刻蚀的半导体结构；和
药液盛放装置，用以存放化学刻蚀的药液；其中，
所述载体与所述半导体结构置于所述药液盛放装置内，所述半导体结构的表面浸泡于所述药液中进行化学刻蚀；
所述半导体结构的背面设有对所述半导体结构的待刻蚀区域进行光照的光源。
9.根据权利要求8所述的刻蚀装置，其特征在于，
所述载体为滚轮，通过所述滚轮滚动带动所述半导体结构在所述药液盛放装置内移动。
10.根据权利要求8所述的刻蚀装置，其特征在于，还包括药液循环装置；
所述药液循环装置位于所述药液盛放装置的外侧，用于收集从所述药液盛放装置溢流的药液并送入所述药液盛放装置中循环使用。
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