不同厚度GaAs通孔技术研究

闫未霞，彭 挺，郭盼盼，强 欢，莫中友，孔 欣

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都610036)

1 引言

GaAs作为第二代半导体的主要材料，其器件主要应用在射频领域。随着5G时代的到来和智能化的发展，无论是军工领域还是民用领域，对微波单片集成 电 路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）的需求越来越大。军用领域电子装备的高技术需求推动着微波半导体技术的不断进步，军用系统的需求要求器件在性能上具备更高的频率、更低的噪声系数、更大的输出功率、更高的功率附加效率和更宽频带的动态范围[1]。在当前国产化需求的背景下，GaAs作为军用领域主要的应用器件之一，越来越受到各界的重视。同时随着半导体技术的发展，微波器件朝着集成小型化方向发展，因此对GaAs工艺的要求也越来越高。随着市场的多样化和应用的多元化，单一的GaAs厚度已经无法满足市场需求。

在GaAs器件的加工工艺中，背孔工艺是GaAs的关键工艺[2]，由于干法刻蚀优异的方向性，一般都选择干法刻蚀[3-4]研究背孔工艺。对于化合物半导体工艺而言，线条的变小是光刻的难点，而厚度的增加则是背孔工艺的难点，是不同厚度的GaAs加工工艺的瓶颈。如果能够克服不同厚度的GaAs背孔工艺的难点，则不同厚度的GaAs加工工艺将不再是瓶颈。本文重点研究了不同GaAs厚度的通孔工艺。

2 实验步骤

本文采用厚度为650 μm的152 mm GaAs晶圆，生产线是成都海威华芯公司的代工线，采用该公司成熟的集成无源器件（Integrated Passive Device，IPD）工艺。首先是正面工艺的加工，包括两层金属的蒸镀、电阻的溅射以及薄膜的沉积。在做完正面工艺之后进行晶圆的减薄和键合，得到所需要的指定晶圆厚度。根据工艺研究需要的不同厚度，减薄后的厚度分别为100 μm、150 μm、200 μm和250 μm。刻蚀工艺采用电感耦合等离子体（ICP）机台；实验结果分析主要采用Hitachi生产的SU8230型扫描电子显微镜（SEM）。

3 实验结果和讨论

背面通孔是GaAs MMIC制作的关键工艺之一。在常规的GaAs背孔工艺中，GaAs通孔的深度是100 μm。目前针对厚度为100 μm的GaAs通孔技术已经很成熟，不存在有些报道中的GaAs工艺过程中出现底部“长草”的现象[5]。在本研究中，100 μm厚度的GaAs刻蚀采用成熟的工艺条件，包括光刻条件和刻蚀条件，其中光刻采用的光刻胶是PR1，刻蚀采用的气体是氯气（Cl2）和三氯化硼（BCl3）。该工艺条件由于其良率比较高，稳定性好，已经成功用于GaAs 100 μm的代工生产。该工艺条件的刻蚀结果如图1、2所示，其中图1是厚度为100 μm的GaAs采用ICP刻蚀之后的形貌，从图上可以看出，孔的底部没有“长草”的现象，同时侧壁比较光滑。在距离顶部30 μm处的开口变大，成为“喇叭口”，这种结构有利于后续的电镀工艺。图2是进行电镀后孔的形貌，在图中可以看出喇叭口位置虽有些粗糙，但不影响电镀工艺。在100 μm的GaAs刻蚀工艺中，采用的气体是Cl2和BCl3，其中Cl2是刻蚀常用的气体[6-7]。Cl2在电感耦合高能高频电磁场中被电离成多种离子，有Cl、Cl2+、Cl-等；其中Cl-可以有效地发生刻蚀反应，其与GaAs反应生成GaCl3和AsCl3，GaCl3的熔点是201℃，AsCl3熔点是130℃[8]。而正离子Cl2+主要起轰击作用。BCl3在刻蚀过程中的作用主要是保护侧壁，防止侧刻[9]。

图1 背面通孔顶部侧向蚀刻的俯视图

图2 顶部侧向蚀刻对应的截面图

在研究GaAs深通孔背孔技术中，在100 μm厚度的刻蚀工艺基础之上，首先研究了厚度为150 μm的GaAs深孔刻蚀。采用的主要刻蚀气体是Cl2和BCl3的混合气体。在此基础之上，研究了两种光刻胶下的刻蚀形貌，分别为PR1和PR2。不同光刻胶的刻蚀结果如图3所示，图3（a）采用100 μm厚度的光刻胶PR1，刻蚀的形貌比较粗糙，侧刻比较严重；图3（b）采用的光刻胶为PR2，在刻蚀工艺相同的条件下，PR2光刻胶的刻蚀形貌比较垂直，同时侧壁不存在侧刻现象。其原因是PR1是属于非抗刻蚀的光刻胶，PR2是抗刻蚀的光刻胶，在相同刻蚀条件下，PR2的刻蚀速率相对低，因此GaAs与PR2的选择比高。刻蚀的形貌不仅受刻蚀影响，同时光刻胶的形貌和厚度同样影响刻蚀的形貌，由于PR2有选择比高特性，因此光刻胶的厚度与100 μm时的PR1的厚度相当，采用100 μm厚度的刻蚀条件的刻蚀结果如图3（a）所示，没有侧刻。同时通过对比图3（a）和图2，可以发现采用PR2的刻蚀形貌顶部没有喇叭口，更有利于后续工艺的加工。

图3 不同光刻胶的刻蚀结果

其次是研究厚度为200 μm的GaAs深孔刻蚀，采用的光刻胶为PR2，同样采用150 μm的刻蚀条件进行200 μm深度的刻蚀，其刻蚀结果如图4所示，在图中可以看出刻蚀后的形貌不规则，并且深度无法满足要求。

图4 200 μm的GaAs厚度采用150μm刻蚀条件的刻蚀结果

为了实现200 μm GaAs的深度刻蚀，光刻胶依然采用PR1，在保持刻蚀气体不变的情况下，对刻蚀的其他条件进行了分析。首先分析了不同压强下的刻蚀情况，刻蚀形貌如图5所示，其偏置功率都是350 W。从结果中得知，在保持其他条件不变的情况下，随着压强的增加，侧壁的刻蚀越来越严重，特别是压强增加到2.93 Pa，侧壁的保护被破坏，反应气体主要用来侧刻，直接导致侧刻加剧，无法继续进一步地纵向刻蚀。其产生的原因可能是随着压强的增加，分子密度增高，分子之间的碰撞几率增加，造成侧壁刻蚀严重[9]。

图5 不同压强下的刻蚀形貌

为了增加等离子体的方向性，减少侧刻，在降低压强的同时分析了不同偏置功率的刻蚀情况，压强都是1.5 Pa，刻蚀结果如图6所示。当偏置功率较低时，由于等离子体的方向性差，造成背孔的侧刻较严重，刻蚀结果如图6（a）所示；随着偏置功率的增加，等离子体的方向性增强，动能增加，伴随着刻蚀深度的加深，底部的反应刻蚀气态量增加，因此虽然有侧刻存在，但是依然能刻蚀到底部，刻蚀结果见图6（b）、（c）。但是从图中可以看出，随着偏置功率的增加，深孔的侧壁刻蚀依然存在，不能完全消除。这可能是因为底部反应气体和反应产物达到平衡，随着刻蚀深度的加深，特别是刻蚀将近底部时，生成物和反应物之间的碰撞几率增加，容易造成侧壁的刻蚀。

图6 不同偏置功率的刻蚀结果

为了解决这个问题，本文采用二段刻蚀的方法，第一段刻蚀采用偏置功率低和射频功率高的刻蚀条件，刻蚀深度在150 μm左右，第二段采用高偏置功率和低射频功率的方式进行刻蚀，第二段刻蚀主要是为了防止侧刻。射频功率低，等离子体的密度低，离子之间碰撞的几率降低，同时高偏置功率可以提高等离子体的方向性、增加等离子体的动能，从而减少侧刻的发生，增加底部反应的等离子体浓度，图7是采用二段刻蚀方式的结果。

图7 二段刻蚀的结果

对于分段刻蚀的两段深度的选择有两个考虑因素：第一个因素是保证第一段刻蚀没有侧刻，这是进行第二段刻蚀的基础；第二个因素是工艺效率，尤其对于代工生产而言工艺效率是重要的考虑因素，在保证工艺窗口足够大的情况下效率最高。在本研究选择的二段刻蚀中，第一段采用深度为150 μm的原因是在该深度下不发生侧面刻蚀的窗口比较大，满足工艺的稳定性要求。

最后研究了GaAs厚度为250 μm的刻蚀方法，通过对200 μm刻蚀的研究，对GaAs的深孔刻蚀积累了一定的经验。根据200 μm的刻蚀经验，250 μm的深度刻蚀采用了三段刻蚀方法，三段刻蚀的结果如图8所示。采用三段刻蚀的目的是为了保证刻蚀中没有侧刻，从而实现背孔的深度刻蚀工艺。所以三段刻蚀最重要的考虑因素是没有侧刻。从前面的经验中可以得知随着刻蚀深度的加深，越容易出现侧刻。第一段深度的选择是根据前面的经验，深度在150 μm时不发生侧刻的工艺窗口比较大，所以在三段刻蚀中第一段厚度的选择依然是150 μm；而第二段的厚度是根据刻蚀200 μm深度时摸索的工艺窗口，选择的深度在220 μm左右；最后一段刻蚀的关键要求是减少底部气体的碰撞和加强底部气体的交换，因此最后一段的刻蚀速率比较低，第三段的厚度选择在30 μm左右。

图8 三段刻蚀的结果

4 结论

本文研究了不同深度的GaAs刻蚀，重点研究了厚度大于150 μm的GaAs深孔刻蚀。GaAs厚度在100 μm时，用已有的工艺条件实现背孔刻蚀没有侧刻，同时刻蚀良率比较高，该工艺条件已经用于GaAs的产品生产；GaAs厚度在150 μm时，研究该厚度的深孔刻蚀，采用耐刻蚀的光刻胶，从而实现减薄光刻胶的目的。其最终光刻胶的厚度与100 μm通孔刻蚀的光刻胶厚度相当，因此采用相同的刻蚀工艺条件，从而实现150 μm的深孔刻蚀没有侧刻的目的；然后研究了厚度为200 μm的刻蚀，研究发现当GaAs的厚度在200 μm时，其已有的刻蚀工艺条件不能满足刻蚀工艺需求，因此重点研究了不同压强和不同偏置功率下的刻蚀，通过对上述两种条件的研究，找到了满足厚度为200 μm的GaAs深孔刻蚀方法，即二段刻蚀法；利用相同的原理，实现了厚度为250 μm的GaAs深孔刻蚀的开发，即三段刻蚀方法。