單片微波集成電路中砷化鎵的干蝕刻

引言

目前高功率砷化鎵基單片微波集成電路(MMICs)已廣泛應用于軍事、無線和空間通信系統(tǒng)。使用連接晶片正面和背面的襯底通孔，這些MMICs的性能顯著提高。

在蝕刻通孔之前，在晶片的正面制造器件，然后根據(jù)需要將晶片從背面減薄到100-200μm的厚度。從晶片的背面執(zhí)行通孔蝕刻，以接觸正面上的接地金屬焊盤。干法蝕刻優(yōu)于濕法蝕刻，因為它具有優(yōu)異的均勻性和尺寸控制。

由于通孔蝕刻在所有其他器件制造工藝之后進行，因此工藝的可靠性和再現(xiàn)性非常重要。為了蝕刻非常高縱橫比的孔，干法蝕刻工藝必須提供高蝕刻速率、良好的蝕刻各向異性、平滑的側(cè)壁以及對掩模材料和正面金屬焊盤的高選擇性。目前滿足上述要求的最常見技術是反應離子蝕刻(RIE)。

實驗與討論

我們將晶片放置在施加了13.56 MHz射頻功率的下電極上。使用冷卻器將該電極的溫度保持在30℃。在將工藝氣體(CCl2F2和CCl4)引入腔室之前，通過由機械泵支持的渦輪分子泵將腔室抽空至約8E-6托的基礎壓力。由于四氯化碳在室溫下是液體，所以使用鼓泡器中的N2氣體將其蒸汽輸送到室內(nèi)。我們在砷化鎵中蝕刻孔之后，分別通過在丙酮中清洗和在FeCl3 /H2O溶液中濕法蝕刻來去除光致抗蝕劑和Ni掩模。

圖1顯示了在功率=150W、壓力=100mTorr、CCl4 =7sccm、CCl2F2=35sccm的相同條件下，對于60μm直徑的開口，分別使用光致抗蝕劑和Ni掩模獲得蝕刻輪廓。這些蝕刻曲線表明，在更高的壓力下(100毫托)，使用光刻膠掩模時蝕刻本質(zhì)上是各向異性的，而使用Ni掩模時是結(jié)晶的。

圖1：橫截面掃描電鏡圖

為了獲得大于116μm的蝕刻深度和期望的輪廓，因此英思特在大約40-50毫托的較低壓力下研究了Ni掩模。在較低壓力下，平均自由程增加，這增強了物理蝕刻分量，因此增強了各向異性。實驗表明，在沒有任何掩模的情況下，砷化鎵平均蝕刻速率約為3-4 m/min。

然而，在Ni掩模的情況下，蝕刻速率有非常小的降低，從60分鐘的2.1米/分鐘降低到120分鐘的1.9毫米/分鐘。在這兩種情況下，蝕刻速率隨著深度的增加而降低，這是因為提供活性物質(zhì)和去除蝕刻副產(chǎn)物的效率降低。與Ni掩模相比，用光致抗蝕劑掩模觀察到較少的底切。

如圖2所示，在100毫托工藝壓力下蝕刻時間為120分鐘。該蝕刻輪廓清楚地表明，使用光致抗蝕劑掩模的RIE工藝僅適用于蝕刻100μm深的通孔。

圖2：經(jīng)過120 min的蝕刻后，用光刻膠掩模獲得的掃描電鏡輪廓

從上面的討論可以清楚地看出，Ni掩模適用于使用RIE工藝的200μm深的通孔蝕刻，這導致非常好的選擇性、再現(xiàn)性和可重復性。

結(jié)論

英思特研究了各種工藝參數(shù)對采用四氯化碳氣體的RIE深度各向異性刻蝕砷化鎵的影響。發(fā)現(xiàn)鎳金屬掩模適合于實現(xiàn)200μm的蝕刻深度，平均蝕刻速率約為1.3 m/min，并且具有期望的各向異性輪廓。

英思特研究表明在40毫托壓力、950瓦線圈功率、90瓦壓板功率、約4毫米/分鐘的蝕刻速率和通孔蝕刻產(chǎn)率下整個晶圓的90%以上，具有非常好的均勻性和再現(xiàn)性。與RIE工藝相比，ICP工藝產(chǎn)生了具有可接受的蝕刻側(cè)壁形態(tài)的高蝕刻速率。這種高密度等離子體蝕刻工藝已經(jīng)集成到生產(chǎn)線中，用于以高產(chǎn)量制造MMIC，而不影響使用現(xiàn)有設計和掩模組的生產(chǎn)。

審核編輯：湯梓紅