多晶硅发射极精确制造工艺研究_杨小兵.pdf

40 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Process and Fabrication工艺与制造摘要：阐述针对多晶硅发射极制造工艺的研究，包括干法刻蚀工艺气体组分和流量、射频源功率、过刻时间对多晶硅刻蚀速率、Poly-Silicon/SiO2选择比、CD尺寸侧向钻蚀等刻蚀性能的影响，最终得出适合多晶硅发射极图形的优化多晶硅干法刻蚀条件，CD尺寸侧向钻蚀小于0.5m。关键词：多晶硅刻蚀，侧向钻蚀，多晶硅发射极刻蚀选择比，过刻蚀。中图分类号：TN405 文章编号：1674-2583(2023)01-0040-04DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.014文献引用格式：杨小兵，孙金池，盖兆宇.多晶硅发射极精确制造工艺研究J.集成电路应用,2023,40(01):40-43.对于高频器件，多晶硅发射极的尺寸影响着器件的频率特性及接触电阻，为精确控制多晶硅发射极的尺寸和形状，多晶硅刻蚀侧向钻蚀成为多晶硅刻蚀工艺关键参数。多晶硅的刻蚀一般采用反应离子刻蚀工艺，其原理是基于等离子体激发的活化分子、原子、游离基及各种离子，与衬底待刻蚀材料同时起化学反应和离子轰击作用，达到各向异性和选择性刻蚀的目的1,2。对于多晶硅刻蚀，根据选择性和各向不同要求，刻蚀气体可以采用氟基、氯基和溴基气体。反应离子刻蚀的各向异性主要与刻蚀气体的组合、刻蚀功率、刻蚀偏压有关，不同的气体组合，影响着刻蚀的速率及刻蚀的形貌3,4。本文将对多晶硅氟基气体干法刻蚀工艺进行研究，主要包括：刻蚀气体的组合和流量、刻蚀功率，过刻时间对侧向钻蚀、刻蚀速率、Poly-Silicon/SiO2刻蚀的选择比，找出最优的刻蚀条件，满足器件的要求。2 实验方案工艺实验设备是中科院微电子所制造的ICP-98A型高密度等离子刻蚀机，它采用双电极控制的等离子刻蚀系统，上电极产生等离子体，下电极是用于施加刻蚀偏压，以实现各向异性刻蚀。多晶硅刻蚀流程如图2所示。0 引言为提高器件的频率特性，高频高放大晶体管多采用多晶硅发射极来完成发射极的制造。多晶硅发射极的结构如图1所示。这种结构是发射区与金属之间增加一层多晶硅，多晶硅层进行n+掺杂，以形成较好的欧姆接触。掺杂的多晶硅作为发射区的掺杂源在高温下向发射区进行掺杂，从而形成较浅的发射结。1 研究背景由于多晶硅发射极降低了表面复合作用，因此多晶硅薄膜可以降低发射区中少数载流子浓度梯度，提高发射结效率，从而提高晶体管的电流增益，减小器件的上升和下降时间，改善其频率特性。多晶硅发射极精确制造工艺研究杨小兵，孙金池，盖兆宇(北京微电子技术研究，北京 100076）Abstract Polysilicon emitter producing technology is issued here.The effects to poly silicon etching rate,Polysilicon/SiO2 ratio,CD loss of etching gas composition and flow,RF power,over etching time are studied by experiments.The optimized poly silicon etching conditions for poly silicon emitter Structure is obtained,with CD loss less than 0.5 micrometer.Index Terms poly silicon etching,CD loss,poly silicon emitter,etching ratio,over etching.Design of Precise Manufacturing Technology of Polysilicon EmitterYANG Xiaobing,SUN Jinchi,GAI Zhaoyu(Beijing Microelectronics Technology Research,Beijing 100076,China.)作者简介：杨小兵，北京微电子技术研究，高级工程师，硕士；研究方向：半导体分立器件工艺技术。收稿日期：2022-03-03；修回日期：2022-12-23。图1 多晶硅发射极结构集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 41Process and Fabrication 工艺与制造图2 多晶硅刻蚀流程 2.1 不同氟基工艺气体对刻蚀多晶硅的刻蚀实验刻蚀多晶硅常用的氟基工艺气体主要有六氟化硫（SF6）、四氟化碳（CF4）、三氟甲烷（CHF3）。本实验中，固定上下电极刻蚀功率（200W/30W）、工艺时间等工艺参数，分别通入六氟化硫（SF6）、四氟化碳（CF4）、三氟甲烷（CHF3）等三种气体，气体流量分别为50sccm、100sccm、200sccm、300sccm，对生长有5 000多晶硅的圆片，以及生长有3 000氧化硅圆片进行刻蚀实验，然后计算多晶硅刻蚀速率和SiO2刻蚀速率，最后得出Poly-Silicon/SiO2刻蚀选择比。2.2 不同射频功率对刻蚀多晶硅的影响固定气体流量为100sccm，下电极功率为30W，工艺时间等参数，改变上电极功率为100W、200W、300W、400W、500W，刻蚀气体分别为六氟化硫（SF6）、四氟化碳（CF4）、三氟甲烷（CHF3），对生长有3 000氧化硅+5 000多晶硅的圆片进行刻蚀实验，然后计算多晶硅刻蚀速率和SiO2刻蚀速率，最后得出Poly-Silicon/SiO2刻蚀选择比。固定气体流量为200sccm，上电极功率为200W，工艺时间等参数，改变下电极功率为10W、20W、30W、40W、50W，刻蚀气体分别为六氟化硫（SF6）、四氟化碳（CF4）、三氟甲烷（CHF3），对生长有3 000氧化硅+5 000多晶硅的圆片进行刻蚀实验，然后计算多晶硅刻蚀速率和SiO2刻蚀速率，最后得出Poly-Silicon/SiO2刻蚀选择比。2.3 过刻时间对刻蚀多晶硅的影响固定上下电极功率为200W/30W,气体流量为100sccm，根据不同刻蚀气体的刻蚀多晶硅速率，过刻时间分别10s、20s、30s、60s、120s；对生长有3 000氧化硅+5 000多晶硅的光刻发射极图形圆片进行刻蚀实验，然后测量剩余SiO2厚度和多晶硅的侧向钻蚀。3 实验结果与讨论 3.1 不同气体的多晶硅刻蚀速率和Poly-Silicon/SiO2刻蚀选择比。在上下电极射频功率为200W/30W,刻蚀时间为1m，六氟化硫（SF6）、四氟化碳（CF4）、三氟甲烷（CHF3）不同流量下的多晶硅刻蚀速率和Poly-Silicon/SiO2刻蚀选择例如表1所示。从表1中可以看出，SF6的多晶硅刻蚀速率最快，Poly-Silicon/SiO2刻蚀比最大，CF4的多晶硅刻蚀速率是SiO2刻蚀速率的5倍左右，均在1 600/m左右；三氟甲烷（CHF3）刻蚀SiO2速率是多晶硅刻蚀速率1.21.3倍，因此CHF3不适合多晶硅刻蚀。从气体流量来看，随气体流量的增加，多晶硅刻蚀速率有一定的增加，但超过200sccm，刻蚀速率反而有一定下降，Poly-Silicon/SiO2刻蚀比随着气体流量几乎保持不变。这是因为气体流量增加，等离子体密度也增加，一定程度上会提高刻蚀速率，但气体流量进一步增加后，刻蚀压力也会增加，导致刻蚀反应物不容易排出，反而使得刻蚀速率有所下降。因此气体流量一般为200SCCM左右为合适。这种刻蚀速率的变化对刻蚀多晶硅和氧化硅均是一致的，所以Poly-Silicon/SiO2刻蚀比随着气体流量的变化，几乎保持不变。表1 不同气体的多晶硅刻蚀速率和Poly-Silicon/SiO2刻蚀选择比42 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Process and Fabrication工艺与制造 3.2 电极功率对多晶硅刻蚀速率的影响不同上电极功率和不同下电极功率对多晶硅刻蚀速率的影响分别于图3和图4所示。从图3中可以看出，随着上电极功率的增加，多晶硅刻蚀速率也逐步增加，相比而言，SF6气体的多晶硅刻蚀速率随着上电极功率上升增加得更加明显，最大已经到5 000/min，上升了25%左右。当上电极功率增加时，等离子体密度会增加，从而参与反应的刻蚀F-离子数增加，因而多晶硅的刻蚀速率增加。相比较而言，由于SF6的F-离子比重更大，所以SF6气体的多晶硅刻蚀速率上升得更加明显。从图4中可以看出，下电极功率对多晶硅刻蚀速率增加不是很明显，这主要是多晶硅刻蚀主要还是反应离子刻蚀，下电极功率只是使得刻蚀离子偏下运动，功率越大，反应生产物被向下的离子轰击越多。相比较而言，CF4气体及CHF3气体比SF6气体在反应时产生的淀积生产物要多。因此，随着下电极功率增大，CF4气体及CHF3气体的刻蚀速率上升得更加明显。但下电极功率超过30W时，刻蚀速率增加趋势变慢，因而，下电极功率为30W比较合适。3.3 电极功率对Poly-Silicon/SiO2刻蚀比的影响不同上电极功率和不同下电极功率对Poly-Silicon/SiO2刻蚀比的影响分别于图5和图6所示。从图5可以看出，随着上电极功率的增加，由于SF6气体的多晶硅刻蚀的上升，Poly-Silicon/SiO2刻蚀比上升的比较明显；由于CF4气体和CHF3气体的多晶刻蚀速率和SiO2刻蚀速率随上电极功率上升的趋势基本相同。因此，CF4气体和CHF3气体Poly-Silicon/SiO2刻蚀比，基本不随下电极功率发生变化。3.4 过刻时间对多晶硅刻蚀的影响在上电极功率为200W，下电极为30W，气体流量为200sccm，多晶硅刻蚀速率分别为：SF6气体的VSF6=4 200/min，CF4气体的VCF4=1 600/min,CHF3气体的VCHF3=420/min,刻蚀5 000多晶硅时间分别是SF6气体：1m11s；CF4气体：3m20s；CHF3气体：11m54s；由于多晶硅刻蚀片内均匀性一般在10%（中间刻蚀慢，边缘刻蚀快），为保证多晶硅全部刻蚀尽，刻蚀过程中需要过刻。不同气体的过刻蚀时间长短对最终的多晶硅刻蚀CD尺寸和剩余SiO2厚度影响如表2所示。从表2中可以看出，随着过刻时间的增加，SF6气体刻蚀多晶硅的CD尺寸的侧向钻蚀急剧地增加，当过刻时间为2min时，每边侧向钻蚀达到2m，如图7（a）所示，这是因为SF6气体的Poly-Silicon/SiO2刻蚀比很大，在底部多晶硅刻蚀尽后，刻蚀气体大部分都向多晶侧壁反应，从图3 上电极功率对多晶硅刻蚀速率影响图4 下电极功率对多晶硅刻蚀速率影响图5 上电极功率对Poly-Silicon/SiO2刻蚀比的影响图6 下电极功率对Poly-Silicon/SiO2刻蚀比的影响集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 43Process and Fabrication 工艺与制造而造成多晶硅CD尺寸的侧向钻蚀很大，而氧化硅过刻厚度很少。因此，采用SF6气体刻蚀多晶硅时，过刻时间为1520s较为合适。而对于CF4气体和CHF3气体，由于Poly-Silicon/SiO2刻蚀比小得多，在过刻蚀过程中，在射频偏压作用下，大部分气体仍在刻蚀下面的介质，多晶侧向刻蚀较少。因此，在很长的过刻蚀时间中，多晶硅CD尺寸的侧向钻蚀都很小，最大不超过0.1m/边。由于CHF3气体的Poly-Silicon/SiO2刻蚀比都小于1，即CHF3气体刻蚀SiO2速率比多晶硅速率要快，所以在长时间过刻蚀过程中，下面SiO2过量刻蚀的厚度也很大，这也加大了对底部SiO2的损伤。同时，因刻蚀时间过长，造成刻蚀热量积累而糊胶，因此，采用CF4气体和CHF3气体刻蚀多晶硅时，过刻时间为2060s较为合适。4 结语SF6气体的多晶硅刻蚀速率