SiC基芯片背面通孔刻蝕工藝研究的優(yōu)勢是什么

摘要:通過對感應(yīng)耦合等離子體(ICP)設(shè)備裝片夾具進(jìn)行改進(jìn)，提高了背氦的導(dǎo)熱效率，減小了下電極基底與晶圓表面之間的溫度差，提高了冷卻效果。對裝片夾具改進(jìn)前后進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，并分析了射頻功率、ICP功率、下電極基底溫度、腔室壓力等參數(shù)對SiC背面通孔的刻蝕速率、選擇比、傾斜角及側(cè)壁光滑度的影響。通過裝片夾具改進(jìn)及工藝條件優(yōu)化，開發(fā)出刻蝕速率為1μm/min、SiC與Ni的選擇比大于60∶1、傾斜角小于85°、側(cè)壁光滑的SiC通孔工藝條件，可用于SiC基GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)、SiC金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MESFET)等大功率微波器件及其微波單片集成電路(MMIC)研制與生產(chǎn)的背面通孔刻蝕，并可縮短工藝時(shí)間降低生產(chǎn)成本。

背面通孔刻蝕;感應(yīng)耦合等離子體(ICP);刻蝕速率;選擇比SiC與GaN為繼Si和GaAs材料之后的第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，用其制作的半導(dǎo)體微波功率器件及其微波單片集成電路(MMIC)具有工作溫度高、應(yīng)用頻率高、功率輸出大、增益高等優(yōu)點(diǎn)［1－2］。由于SiC材料具有較高的熱導(dǎo)率和穩(wěn)定性及與GaN材料的晶格匹配較好，在SiC襯底上外延GaN材料成為當(dāng)今GaN功率器件發(fā)展的主要方向，特別是在高性能GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)微波功率器件及其MMIC領(lǐng)域，目前基本是采用SiC襯底上外延GaN材料［3］。為了減小器件源端寄生電感，GaN和SiC的微波功率器件均需采用通孔接地的形式，以盡可能改善器件的頻率特性［4］。無論是SiC基GaNHEMT及其MMIC，還是SiC金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MESFET)及其MMIC，其背面通孔工藝主要刻蝕材料均為SiC材料，SiC基芯片背面通孔刻蝕工藝成為提高器件頻率特性和可靠性的關(guān)鍵工藝之一。而SiC材料具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、鍵能高等特點(diǎn)，目前尚無公開報(bào)道的成熟的濕法腐蝕技術(shù)，干法刻蝕方法主要有反應(yīng)離子刻蝕(reactiveionetching，ＲIE)、電子回旋共振(electroncyclontronresonance，ECＲ)刻蝕、感應(yīng)耦合等離子體(inductivelycoupledplasma，ICP)刻蝕等，由于ICP刻蝕具有更高的等離子密度、更高的等離子能量、更優(yōu)異的散熱結(jié)構(gòu)和等離子密度及能量可以獨(dú)立控制的優(yōu)點(diǎn)，采用ICP刻蝕SiC較其他方法具有刻蝕速率快、均勻性好、一致性好等優(yōu)點(diǎn)。以往刻蝕SiC面臨的主要問題有三點(diǎn):一是刻蝕速率低，不能滿足日益增長的產(chǎn)能需求;二是依靠增加射頻功率，雖能提高刻蝕速率但選擇比下0降嚴(yán)重，不能滿足生產(chǎn)需求;三是提高下電極基底溫度也能提高刻蝕速率但隨之刻蝕聚合物增多，聚合物增加到一定程度會(huì)在刻蝕底部形成一層微掩膜造成刻蝕速率下降。周瑞等人［5］通過優(yōu)化氣體組分、氣體壓力等使SiC通孔刻蝕速率達(dá)0.7μm/min，SiC與Ni的刻蝕選擇比為60∶1。A.Barker等人［6］報(bào)道了采用環(huán)形耦合射頻輸出和多級磁性增強(qiáng)等離子密度的方法實(shí)現(xiàn)了刻蝕速率為1.3μm/min，SiC與Ni的刻蝕選擇比為35∶1的結(jié)果。

通過各種方式增加等離子密度或能量進(jìn)而提高刻蝕速率是刻蝕工藝普遍采用的主要方法之一，而無論是增加等離子密度還是能量，均會(huì)造成刻蝕過程中晶圓表面溫度的升高，隨晶圓表面溫度升高上述提到的刻蝕聚合物問題就會(huì)凸顯，因此刻蝕過程中的冷卻一直是刻蝕工藝研究的熱點(diǎn)。國際及國內(nèi)對該冷卻的研究主要集中在通過使用新型冷卻液、新型冷卻方式(如液氮等)等降低下電極的極限溫度(甚至低達(dá)－100℃以下)，進(jìn)而降低晶圓表面的溫度，但晶圓表面溫度降低的效果并不理想［7］。本文所用ICP設(shè)備采用冷卻液冷卻，冷卻液下限溫度為0℃，下電極與晶圓之間通氦氣以提高冷卻效果，本研究通過對ICP裝片夾具進(jìn)行改進(jìn)，提高了冷卻效果。通過裝片夾具改進(jìn)及工藝條件優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了刻蝕速率與選擇比同時(shí)提升、側(cè)壁聚合物明顯減少、刻蝕傾斜角低于85°的較為理想的SiC通孔工藝條件。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1樣品制備

在4H-SiC高純半絕緣襯底材料上通過濺射基層金屬、光刻圖形、電鍍加厚金屬掩膜(掩膜Ni厚度為3μm)的流程制作出刻蝕圖形為25μm×50μm的矩形待刻蝕樣品，將該樣品通過砂輪劃片機(jī)劃成1cm×1cm的矩形樣品待用，每次刻蝕前將其粘在厚度為3mm直徑為3英寸(1英寸=2.54cm)藍(lán)寶石基片上，為減小藍(lán)寶石基底對刻蝕結(jié)果的影響并使實(shí)驗(yàn)過程盡可能與實(shí)際工藝接近，藍(lán)寶石襯底上均通過上述工藝流程電鍍厚度為3μm的Ni掩膜。

1.2實(shí)驗(yàn)過程

刻蝕SiC實(shí)驗(yàn)主要采用SF6氣體，為了研究裝片夾具改進(jìn)前后對刻蝕結(jié)果的影響，使用兩種夾具進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，分析了不同下電極基底溫度、不同腔室壓力、不同ＲF功率、不同ICP功率等工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響(溫度變化范圍設(shè)定值±0.5℃，腔室壓力、ＲF功率、ICP功率變化范圍設(shè)定值±1%，ＲF反射功率、ICP反射功率變化范圍為正向功率設(shè)定值的±2%以內(nèi))，工藝過程中晶圓表面溫度由變溫試紙直接測試，下電極基底溫度由溫控設(shè)備控制(溫度變化范圍設(shè)定值±0.5℃)。本實(shí)驗(yàn)在基準(zhǔn)工藝條件(溫度10℃，腔室壓力1.33Pa，ＲF功率150W，ICP功率1500W)基礎(chǔ)上，分別固定其他工藝參數(shù)，變化單一工藝參數(shù)得出其對刻蝕速率(刻蝕深度與刻蝕總時(shí)間的比值)、選擇比(SiC刻蝕速率與掩膜Ni刻蝕速率比值)、傾斜角和側(cè)壁光滑度的影響。1.3結(jié)果表征通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀測樣品刻蝕后表面聚合物殘留情況、刻蝕后的傾斜角和側(cè)壁光滑度;使用臺(tái)階儀測試樣品刻蝕后的刻蝕深度。

2結(jié)果及討論

圖1為裝片夾具結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對比圖，改進(jìn)后的裝片夾具最大不同在于在金屬壓塊與晶圓之間增加了一密封圈。

圖2，圖3和圖4分別為改進(jìn)夾具前后ＲF功率(PＲF)、ICP功率(PICP)、下電極基底溫度(tsub)(金屬壓塊下的溫度)對刻蝕速率(v)和選擇比(Ｒsel)的影響曲線。從圖中可以看出，在改進(jìn)夾具之前，刻蝕速率并沒有隨ＲF和ICP功率增加而一直增加，而是ＲF和ICP功率增加到一定程度后，隨功率增加刻蝕速率反而下降，并且刻蝕速率隨下電極基底溫度變化也呈現(xiàn)相同的變化趨勢。使用改進(jìn)后的夾具，刻蝕速率隨ＲF功率、ICP功率的增加而增加，刻蝕速率隨下電極基底溫度依然呈現(xiàn)先升高再下降的規(guī)律，但拐點(diǎn)溫度(刻蝕速率開始下降的溫度點(diǎn)定義為拐點(diǎn)溫度)由改進(jìn)前的約15℃增加到改進(jìn)后的25℃左右。這是因?yàn)楦倪M(jìn)后的夾具在壓塊邊緣制作了一溝槽，在壓塊與晶圓之間增加了一密封圈，這可以有效減弱高壓背氦泄漏到真空腔室內(nèi)，壓塊與晶圓之間的導(dǎo)熱氦氣增多，使壓塊與晶圓之間的有效導(dǎo)熱效率提升，從而有效提高了冷卻效果，降低了工藝過程中晶圓表面溫度，溫度過高是改進(jìn)夾具前ＲF功率、ICP功率、襯底溫度增加到一定程度后刻蝕速率反而下降的原因。圖5和圖6顯示了改進(jìn)夾具前后不同ＲF功率、不同下電極基底溫度下工藝過程中晶圓表面的實(shí)際溫度，該溫度是用變溫試紙直接測量的，從圖中可以看出，改進(jìn)夾具后晶圓表面溫度都大幅下降，溫度過高刻蝕速率下降是因?yàn)榭涛g聚合物的增多阻止了進(jìn)一步的刻蝕［8－9］，圖7的SEM照片也證實(shí)了這一點(diǎn)。

為得到較為理想的SiC通孔刻蝕條件，基于改進(jìn)后的夾具，系統(tǒng)進(jìn)行了ＲF功率、ICP功率、下電極基底溫度、腔室壓力、氣體流量等參數(shù)對刻蝕速率、選擇比、側(cè)壁傾斜角、側(cè)壁光滑度的影響實(shí)驗(yàn)。

驗(yàn)結(jié)果表明，提高ＲF功率可以大幅提高刻蝕速率，降低側(cè)壁傾斜角，但選擇比下降，側(cè)壁聚合物隨之增多，這是由于ＲF功率的增加導(dǎo)致腔室內(nèi)等離子動(dòng)能增加，物理轟擊效果加強(qiáng)，刻蝕SiC和掩膜Ni的速率顯著增加，但掩膜Ni的刻蝕速率增加更快，導(dǎo)致選擇比降低，傾斜角下降，同時(shí)側(cè)壁聚合物增多;提高ICP功率可以大幅提高刻蝕速率和選擇比，但側(cè)壁傾斜角變陡，側(cè)壁聚合物增多，這是由于ICP功率的增加導(dǎo)致腔室內(nèi)等離子密度增加，化學(xué)作用加強(qiáng)，刻蝕SiC速率顯著增加，但對刻蝕掩膜Ni的速率影響不大，導(dǎo)致選擇比升高，傾斜角增加，聚合物增加;下電極基底溫度的影響前文已做詳細(xì)論述，此處不再贅述;提升腔室壓力，可以減少側(cè)壁聚合物，但刻蝕速率及選擇比均有所下降，其對側(cè)壁傾斜角影響不大，這是由于隨腔室壓力的升高，等離子間的碰撞加劇，離子平均自由程減小，離子動(dòng)能減少，刻蝕SiC和掩膜Ni速率均下降，但SiC刻蝕速率下降更快，導(dǎo)致選擇比下降，側(cè)壁聚合物減少，而側(cè)壁傾斜角變化不明顯;隨SF6流量增加，側(cè)壁聚合物明顯減少，但刻蝕速率是先提高后降低，選擇比亦呈現(xiàn)相似的變化，其對側(cè)壁傾斜角影響不大，這是因?yàn)殡S氣體流量增加，初期可以有效增加等離子密度，但隨著氣體流量的增加離化率變差，再增加的氣體成為稀釋氣體，不能對SiC實(shí)現(xiàn)有效刻蝕，導(dǎo)致刻蝕速率和選擇比先提高后降低，但增加的氣體可以有效保護(hù)側(cè)壁，減少側(cè)壁聚合物，而側(cè)壁傾斜角變化不明顯。采用新夾具通過優(yōu)化各個(gè)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了刻蝕速率與選擇比同時(shí)提升、側(cè)壁聚合物明顯減少、刻蝕傾斜角降低的目的。圖7(a)和(b)分別為使用改進(jìn)前和改進(jìn)后夾具的通孔刻蝕SEM圖片，通過該對比圖片可以看出，采用新夾具、優(yōu)化各工藝條件后的刻蝕聚合物明顯減少。最終得出刻蝕速率大于1μm/min、刻蝕選擇比大于60∶1、傾斜角小于85°、側(cè)壁光滑的工藝條件，該工藝條件具體應(yīng)用在某產(chǎn)品的通孔剖面圖見圖8，從圖中也可以看出通孔側(cè)壁實(shí)現(xiàn)了良好的金屬覆蓋。

工藝溫度是影響SiC通孔刻蝕結(jié)果的一個(gè)重要因素，通過對ICP裝片夾具進(jìn)行改進(jìn)，提高冷卻效果，刻蝕過程中晶圓表面溫度降低。再經(jīng)過對設(shè)備的ＲF功率、ICP功率、下電極基底溫度、腔室壓力等工藝條件優(yōu)化，開發(fā)出刻蝕速率大于1μm/min、SiC與Ni的選擇比大于60∶1、傾斜角小于85°、側(cè)壁光滑的SiC通孔工藝條件，這一技術(shù)適用于SiC基GaNHEMT和SiCMESFET等大功率微波器件及其MMIC研制與生產(chǎn)的背面通孔刻蝕，并可縮短工藝時(shí)間降低生產(chǎn)成本。

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