干法腐蚀在硅微波功率晶体管研制中的应用

摘要：干法腐蚀与传统的湿法腐蚀相比，具有明显的各向异性，并且具有较好的可重复性、可控性及在硅片加工中易实现连续生产等优点，已成为目前硅微波功率晶体管研制和生产的关键技术。本文对目前干法腐蚀在硅微波大功率晶体管中的应用进行了分析，指出随着硅微波功率晶体管工作频率的不断提高，对高性能各向异性的干法腐蚀技术要求也更加迫切。
关键词：干法腐蚀；各向异性；微波功率晶体管；硅

1 引言
干法腐蚀已广泛应用于半导体工艺和其他腐蚀环境中，腐蚀工艺是硅微波功率晶体管研制、生产的关键工艺。随着器件特征尺寸的不断缩小，干法腐蚀技术的独到优点就越发明显，首先其具有较好的各向异性，可以得到垂直的图形侧壁，利于细线条的加工；其次具有较好的工艺重复性和可控性，在一定程度上可降低工艺控制难度。而传统的湿法腐蚀是将显影坚膜后的晶片浸泡在腐蚀液中进行化学腐蚀，其腐蚀是各项同性的，由于横向腐蚀的存在，难以形成细线条腐蚀和陡峭的侧壁，这对进一步提高晶体管的频率性能和提高工艺成品率不利。

2 基本原理
干法腐蚀是一种使腐蚀剂处于“活性气态”情况下进行腐蚀的方法，其主要是利用辉光放电过程形成化学活性基，在一定能量离子的轰击下，与被腐蚀膜层发生选择性腐蚀，反应生成物能被气流带走的气体。考虑双原子A2与电子e的碰撞，则对应于一定能量的电子，会发生如下反应
A2+ e ──→A*2+ e
A2+ e ──→ A*2+ 2e
A2+ e ──→ A*+A+ +2e

激发状态的原子A*和分子A*2具有很强的化学活泼性，极易与晶片表面的原子发生化学反应，生成挥发性的气态物质，形成对晶片表面的不断腐蚀。可以看出，要想实现干法腐蚀，必须具有活性基的等离子体。工艺上一般是采用具有一定能量的高频电场（标准工业频率13.56MHz）使腐蚀气体分子产生辉光放电，在放电过程中，电子与气体分子或原子产生非弹性碰撞，该碰撞可以产生化学性质很活泼的分子激励和活性基，但其寿命较短，很快就被缔合。当激发与缔合速率相等时，则维持等离子体状态；当保持一定条件时，即可产生干法腐蚀。例如，对于干法腐蚀常用的腐蚀剂CF4气体，其对硅与二氧化硅的腐蚀反应为
CF4 + e ──→ CF+3 + F*+2e
Si + 4F* ──→ SiF4
SiO2 + 4F* ──→ SiF4↑+O2↑
可见其是利用CF4气体分子与被高频电场加速的杂散电子进行随机碰撞，当电子能量大到一定程度时，随机碰撞变为非弹性碰撞，产生二次电子发射，进一步使CF4气体电离，形成等离子体，等离子体中含的具有很强化学腐蚀活性基F*，使被腐蚀物质（硅或二氧化硅等介质）气化，从而达到腐蚀的目的。

3 应用
干法腐蚀的腐蚀特性不但与被腐蚀材料有关，而且与腐蚀气体成分、反应器结构和反应条件密不可分。工艺上主要关注的是腐蚀均匀性和腐蚀速率及选择比。为保证大功率晶体管掺杂均匀，一般均采用注入掺杂，用二氧化硅做注入屏蔽，为保证工艺质量，常要求腐蚀图形陡直，如图1所示。只有各向异性的腐蚀方法，才能实现这样的陡峭图形。工艺上如何在较快的腐蚀速率下得到较均匀的腐蚀，是必须考虑的问题。我们在此方面采用RIE腐蚀方法进行了对比试验。试验结果可以看出，在采用的腐蚀气体流量和组分一定时，腐蚀速率与反应室的压力有明显的关系，而腐蚀均匀性存在一个优值。所以在工艺上要综合考虑工艺条件，既要保证较快的加工速度，又要保证腐蚀的均匀性，同时还要保证腐蚀的选择比。在上述的腐蚀条件下，二氧化硅与硅的腐蚀选择比可达10∶1以上，二氧化硅与光刻胶的腐蚀选择比达3∶1以上。

采用RIE腐蚀，反应室工作压力比较低，而且被激励的等离子体与被腐蚀晶片表面形成具有较高数值的自偏压，这些均有利于提高腐蚀活性基的最大自由程，实现更好的各向异性的腐蚀。从图2可以明显看出，随着工作压力的降低，腐蚀速率有明显提高，但腐蚀均匀性与工作压力有一个较佳的工作点。同时由于过低的工作压力对设备要求的复杂程度也会提高，故对反应室工作压力要综合考虑。

由CF4腐蚀二氧化硅和硅的反应式看出，如果直接采用CF4气体进行干法腐蚀，会出现二氧化硅与硅的腐蚀选择比较差的现象，所以上述试验是采用CHF3和CF4混合气体作为腐蚀剂进行的，我们也曾直接采用CHF3气作腐蚀剂，虽然腐蚀图形剖面较好，但腐蚀速率过慢且腐蚀均匀性难令人满意，采用新的腐蚀方法后，腐蚀均匀性明显改善，腐蚀速率也明显提高，且二氧化硅与硅的腐蚀选择比也比较高。众所周知，在射频功率下，含氟的化合物气体可分解为CF*3，CF*2，CF*，F*等活性基，为提高二氧化硅与硅的腐蚀选择比，常常要在二氧化硅腐蚀干净前，尽量减少硅的腐蚀活性基F*，而尽可能提高二氧化硅的腐蚀活性基CF*x（x≤3）的比例，加氢在一定程度上能有效吸收F*，保证腐蚀二氧化硅时与硅有较高的腐蚀选择比。

对介质层的腐蚀采用RIE虽然可以获得较好的腐蚀剖面，实现较高的各向异性腐蚀，但其腐蚀速率