不同厚度GaAs通孔技術(shù)研究

閆未霞，彭 挺，郭盼盼，強(qiáng) 歡，莫中友，孔 欣

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都610036)

1 引言

GaAs作為第二代半導(dǎo)體的主要材料，其器件主要應(yīng)用在射頻領(lǐng)域。隨著5G時(shí)代的到來和智能化的發(fā)展，無論是軍工領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，對(duì)微波單片集成 電 路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）的需求越來越大。軍用領(lǐng)域電子裝備的高技術(shù)需求推動(dòng)著微波半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，軍用系統(tǒng)的需求要求器件在性能上具備更高的頻率、更低的噪聲系數(shù)、更大的輸出功率、更高的功率附加效率和更寬頻帶的動(dòng)態(tài)范圍[1]。在當(dāng)前國產(chǎn)化需求的背景下，GaAs作為軍用領(lǐng)域主要的應(yīng)用器件之一，越來越受到各界的重視。同時(shí)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，微波器件朝著集成小型化方向發(fā)展，因此對(duì)GaAs工藝的要求也越來越高。隨著市場的多樣化和應(yīng)用的多元化，單一的GaAs厚度已經(jīng)無法滿足市場需求。

在GaAs器件的加工工藝中，背孔工藝是GaAs的關(guān)鍵工藝[2]，由于干法刻蝕優(yōu)異的方向性，一般都選擇干法刻蝕[3-4]研究背孔工藝。對(duì)于化合物半導(dǎo)體工藝而言，線條的變小是光刻的難點(diǎn)，而厚度的增加則是背孔工藝的難點(diǎn)，是不同厚度的GaAs加工工藝的瓶頸。如果能夠克服不同厚度的GaAs背孔工藝的難點(diǎn)，則不同厚度的GaAs加工工藝將不再是瓶頸。本文重點(diǎn)研究了不同GaAs厚度的通孔工藝。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

本文采用厚度為650 μm的152 mm GaAs晶圓，生產(chǎn)線是成都海威華芯公司的代工線，采用該公司成熟的集成無源器件（Integrated Passive Device，IPD）工藝。首先是正面工藝的加工，包括兩層金屬的蒸鍍、電阻的濺射以及薄膜的沉積。在做完正面工藝之后進(jìn)行晶圓的減薄和鍵合，得到所需要的指定晶圓厚度。根據(jù)工藝研究需要的不同厚度，減薄后的厚度分別為100 μm、150 μm、200 μm和250 μm?？涛g工藝采用電感耦合等離子體（ICP）機(jī)臺(tái)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析主要采用Hitachi生產(chǎn)的SU8230型掃描電子顯微鏡（SEM）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

背面通孔是GaAs MMIC制作的關(guān)鍵工藝之一。在常規(guī)的GaAs背孔工藝中，GaAs通孔的深度是100 μm。目前針對(duì)厚度為100 μm的GaAs通孔技術(shù)已經(jīng)很成熟，不存在有些報(bào)道中的GaAs工藝過程中出現(xiàn)底部“長草”的現(xiàn)象[5]。在本研究中，100 μm厚度的GaAs刻蝕采用成熟的工藝條件，包括光刻條件和刻蝕條件，其中光刻采用的光刻膠是PR1，刻蝕采用的氣體是氯氣（Cl2）和三氯化硼（BCl3）。該工藝條件由于其良率比較高，穩(wěn)定性好，已經(jīng)成功用于GaAs 100 μm的代工生產(chǎn)。該工藝條件的刻蝕結(jié)果如圖1、2所示，其中圖1是厚度為100 μm的GaAs采用ICP刻蝕之后的形貌，從圖上可以看出，孔的底部沒有“長草”的現(xiàn)象，同時(shí)側(cè)壁比較光滑。在距離頂部30 μm處的開口變大，成為“喇叭口”，這種結(jié)構(gòu)有利于后續(xù)的電鍍工藝。圖2是進(jìn)行電鍍后孔的形貌，在圖中可以看出喇叭口位置雖有些粗糙，但不影響電鍍工藝。在100 μm的GaAs刻蝕工藝中，采用的氣體是Cl2和BCl3，其中Cl2是刻蝕常用的氣體[6-7]。Cl2在電感耦合高能高頻電磁場中被電離成多種離子，有Cl、Cl2+、Cl-等；其中Cl-可以有效地發(fā)生刻蝕反應(yīng)，其與GaAs反應(yīng)生成GaCl3和AsCl3，GaCl3的熔點(diǎn)是201℃，AsCl3熔點(diǎn)是130℃[8]。而正離子Cl2+主要起轟擊作用。BCl3在刻蝕過程中的作用主要是保護(hù)側(cè)壁，防止側(cè)刻[9]。

圖1 背面通孔頂部側(cè)向蝕刻的俯視圖

圖2 頂部側(cè)向蝕刻對(duì)應(yīng)的截面圖

在研究GaAs深通孔背孔技術(shù)中，在100 μm厚度的刻蝕工藝基礎(chǔ)之上，首先研究了厚度為150 μm的GaAs深孔刻蝕。采用的主要刻蝕氣體是Cl2和BCl3的混合氣體。在此基礎(chǔ)之上，研究了兩種光刻膠下的刻蝕形貌，分別為PR1和PR2。不同光刻膠的刻蝕結(jié)果如圖3所示，圖3（a）采用100 μm厚度的光刻膠PR1，刻蝕的形貌比較粗糙，側(cè)刻比較嚴(yán)重；圖3（b）采用的光刻膠為PR2，在刻蝕工藝相同的條件下，PR2光刻膠的刻蝕形貌比較垂直，同時(shí)側(cè)壁不存在側(cè)刻現(xiàn)象。其原因是PR1是屬于非抗刻蝕的光刻膠，PR2是抗刻蝕的光刻膠，在相同刻蝕條件下，PR2的刻蝕速率相對(duì)低，因此GaAs與PR2的選擇比高?？涛g的形貌不僅受刻蝕影響，同時(shí)光刻膠的形貌和厚度同樣影響刻蝕的形貌，由于PR2有選擇比高特性，因此光刻膠的厚度與100 μm時(shí)的PR1的厚度相當(dāng)，采用100 μm厚度的刻蝕條件的刻蝕結(jié)果如圖3（a）所示，沒有側(cè)刻。同時(shí)通過對(duì)比圖3（a）和圖2，可以發(fā)現(xiàn)采用PR2的刻蝕形貌頂部沒有喇叭口，更有利于后續(xù)工藝的加工。

圖3 不同光刻膠的刻蝕結(jié)果

其次是研究厚度為200 μm的GaAs深孔刻蝕，采用的光刻膠為PR2，同樣采用150 μm的刻蝕條件進(jìn)行200 μm深度的刻蝕，其刻蝕結(jié)果如圖4所示，在圖中可以看出刻蝕后的形貌不規(guī)則，并且深度無法滿足要求。

圖4 200 μm的GaAs厚度采用150μm刻蝕條件的刻蝕結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)200 μm GaAs的深度刻蝕，光刻膠依然采用PR1，在保持刻蝕氣體不變的情況下，對(duì)刻蝕的其他條件進(jìn)行了分析。首先分析了不同壓強(qiáng)下的刻蝕情況，刻蝕形貌如圖5所示，其偏置功率都是350 W。從結(jié)果中得知，在保持其他條件不變的情況下，隨著壓強(qiáng)的增加，側(cè)壁的刻蝕越來越嚴(yán)重，特別是壓強(qiáng)增加到2.93 Pa，側(cè)壁的保護(hù)被破壞，反應(yīng)氣體主要用來側(cè)刻，直接導(dǎo)致側(cè)刻加劇，無法繼續(xù)進(jìn)一步地縱向刻蝕。其產(chǎn)生的原因可能是隨著壓強(qiáng)的增加，分子密度增高，分子之間的碰撞幾率增加，造成側(cè)壁刻蝕嚴(yán)重[9]。

圖5 不同壓強(qiáng)下的刻蝕形貌

為了增加等離子體的方向性，減少側(cè)刻，在降低壓強(qiáng)的同時(shí)分析了不同偏置功率的刻蝕情況，壓強(qiáng)都是1.5 Pa，刻蝕結(jié)果如圖6所示。當(dāng)偏置功率較低時(shí)，由于等離子體的方向性差，造成背孔的側(cè)刻較嚴(yán)重，刻蝕結(jié)果如圖6（a）所示；隨著偏置功率的增加，等離子體的方向性增強(qiáng)，動(dòng)能增加，伴隨著刻蝕深度的加深，底部的反應(yīng)刻蝕氣態(tài)量增加，因此雖然有側(cè)刻存在，但是依然能刻蝕到底部，刻蝕結(jié)果見圖6（b）、（c）。但是從圖中可以看出，隨著偏置功率的增加，深孔的側(cè)壁刻蝕依然存在，不能完全消除。這可能是因?yàn)榈撞糠磻?yīng)氣體和反應(yīng)產(chǎn)物達(dá)到平衡，隨著刻蝕深度的加深，特別是刻蝕將近底部時(shí)，生成物和反應(yīng)物之間的碰撞幾率增加，容易造成側(cè)壁的刻蝕。

圖6 不同偏置功率的刻蝕結(jié)果

為了解決這個(gè)問題，本文采用二段刻蝕的方法，第一段刻蝕采用偏置功率低和射頻功率高的刻蝕條件，刻蝕深度在150 μm左右，第二段采用高偏置功率和低射頻功率的方式進(jìn)行刻蝕，第二段刻蝕主要是為了防止側(cè)刻。射頻功率低，等離子體的密度低，離子之間碰撞的幾率降低，同時(shí)高偏置功率可以提高等離子體的方向性、增加等離子體的動(dòng)能，從而減少側(cè)刻的發(fā)生，增加底部反應(yīng)的等離子體濃度，圖7是采用二段刻蝕方式的結(jié)果。

圖7 二段刻蝕的結(jié)果

對(duì)于分段刻蝕的兩段深度的選擇有兩個(gè)考慮因素：第一個(gè)因素是保證第一段刻蝕沒有側(cè)刻，這是進(jìn)行第二段刻蝕的基礎(chǔ)；第二個(gè)因素是工藝效率，尤其對(duì)于代工生產(chǎn)而言工藝效率是重要的考慮因素，在保證工藝窗口足夠大的情況下效率最高。在本研究選擇的二段刻蝕中，第一段采用深度為150 μm的原因是在該深度下不發(fā)生側(cè)面刻蝕的窗口比較大，滿足工藝的穩(wěn)定性要求。

最后研究了GaAs厚度為250 μm的刻蝕方法，通過對(duì)200 μm刻蝕的研究，對(duì)GaAs的深孔刻蝕積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)200 μm的刻蝕經(jīng)驗(yàn)，250 μm的深度刻蝕采用了三段刻蝕方法，三段刻蝕的結(jié)果如圖8所示。采用三段刻蝕的目的是為了保證刻蝕中沒有側(cè)刻，從而實(shí)現(xiàn)背孔的深度刻蝕工藝。所以三段刻蝕最重要的考慮因素是沒有側(cè)刻。從前面的經(jīng)驗(yàn)中可以得知隨著刻蝕深度的加深，越容易出現(xiàn)側(cè)刻。第一段深度的選擇是根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn)，深度在150 μm時(shí)不發(fā)生側(cè)刻的工藝窗口比較大，所以在三段刻蝕中第一段厚度的選擇依然是150 μm；而第二段的厚度是根據(jù)刻蝕200 μm深度時(shí)摸索的工藝窗口，選擇的深度在220 μm左右；最后一段刻蝕的關(guān)鍵要求是減少底部氣體的碰撞和加強(qiáng)底部氣體的交換，因此最后一段的刻蝕速率比較低，第三段的厚度選擇在30 μm左右。

圖8 三段刻蝕的結(jié)果

4 結(jié)論

本文研究了不同深度的GaAs刻蝕，重點(diǎn)研究了厚度大于150 μm的GaAs深孔刻蝕。GaAs厚度在100 μm時(shí)，用已有的工藝條件實(shí)現(xiàn)背孔刻蝕沒有側(cè)刻，同時(shí)刻蝕良率比較高，該工藝條件已經(jīng)用于GaAs的產(chǎn)品生產(chǎn)；GaAs厚度在150 μm時(shí)，研究該厚度的深孔刻蝕，采用耐刻蝕的光刻膠，從而實(shí)現(xiàn)減薄光刻膠的目的。其最終光刻膠的厚度與100 μm通孔刻蝕的光刻膠厚度相當(dāng)，因此采用相同的刻蝕工藝條件，從而實(shí)現(xiàn)150 μm的深孔刻蝕沒有側(cè)刻的目的；然后研究了厚度為200 μm的刻蝕，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)GaAs的厚度在200 μm時(shí)，其已有的刻蝕工藝條件不能滿足刻蝕工藝需求，因此重點(diǎn)研究了不同壓強(qiáng)和不同偏置功率下的刻蝕，通過對(duì)上述兩種條件的研究，找到了滿足厚度為200 μm的GaAs深孔刻蝕方法，即二段刻蝕法；利用相同的原理，實(shí)現(xiàn)了厚度為250 μm的GaAs深孔刻蝕的開發(fā)，即三段刻蝕方法。