基于GaAs 背孔工藝監(jiān)控研究

黃光偉，馬躍輝，陳智廣，李立中，林偉銘

（福聯(lián)集成電路有限公司，福建莆田 351111）

1 引言

在GaAs 垂直電感中，關鍵制程為背孔工藝，在背孔垂直度且通孔完全的要求下[1]，由于濕蝕刻具有各相同性，一般采用干蝕刻[2-3]研究背孔工藝，采用感應耦合等離子體蝕刻（Inductively Couple Plasma Etch，ICP）。周佳輝等人[4]采用Ni 作為掩模，Cl2/BCl3為蝕刻氣體，優(yōu)化蝕刻條件得到近90°且側壁光滑的孔洞形貌。李丹丹等人[5]發(fā)現(xiàn)分別以金屬和光阻為掩模的條件下，單一金屬為掩模會導致底部出現(xiàn)長草現(xiàn)象。作者之前的研究采用Au 為掩模，光阻涂布30 μm，優(yōu)化金屬厚度和濕蝕刻時間，得到無崩邊且孔洞垂直的形貌[6]。

然而在現(xiàn)有的背孔工藝條件下[7]缺乏有效的監(jiān)控方法，現(xiàn)有設備或因探針尺寸比孔洞大，或因量測深度有限無法量測200 μm 深度，導致研發(fā)階段成本上升，具體為在背孔工藝前，需將晶圓正面覆在藍寶石上研磨至目標厚度，在完成ICP 蝕刻后，采用光學顯微鏡（Optical Microscope, OM）觀察[8]，為進一步確認蝕刻形貌需拆去藍寶石進行裂片，再用聚焦離子束(Focused Ion beam，F(xiàn)IB）分析[9]，使晶圓無法完成后續(xù)工藝，該過程耗去大量成本且信息反饋不及時，不利于對工藝的及時改進。

基于以上情況，為降低成本、滿足客戶對產(chǎn)品的可靠性要求，本文主要研究在GaAs 研磨至200 μm 厚度下的蝕刻背孔監(jiān)控方法。

2 試驗說明

試驗主要分為從背面監(jiān)控通孔情況和從正面監(jiān)控通孔情況。

背面監(jiān)控主要按主制程工藝在完成正面金屬后，背孔對準正面金屬圖案進行開圖蝕刻，借助OM 光學方法來觀察正面金屬。

正面監(jiān)控方法在無金屬布線的情況下，沉積氮化物和聚酰亞胺，利用通孔后的側蝕以及在OM 光學成像下進行通孔監(jiān)控。

3 工藝方法

3.1 背面監(jiān)控方法

工藝流程為布置正面金屬導線，覆上藍寶石，研磨至200 μm，涂布光阻，對準顯影，ICP 蝕刻4500 s，如圖1 所示。

圖1 ICP 蝕刻后示意圖

光學顯微鏡是利用可見光在晶圓表面的局部散射或折射產(chǎn)生差異對比，背孔蝕刻情況在光學顯微鏡下觀察主要有3 種視圖，分別如圖2(a)、圖3(a)、圖4(a)所示。聚焦離子束是鎵離子束在電透鏡聚焦，再經(jīng)二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞達到切割的作用；通過3 種OM 視圖進行FIB 確認ICP 蝕刻孔洞形貌，分別如圖2(b)、圖3(b)、圖4(b)所示。圖2(a)所示未蝕刻至正面金屬，底部呈碗狀，且GaAs 反射率較差，故形成小的亮斑；圖3(a)所示為通孔完全，光源射到正面金屬后反射，形成大的亮斑；圖4(a)所示為過蝕，正面金屬被ICP 蝕刻出凹凸形貌，光源在凹凸處向四周折射，形成中心黑周邊亮的光斑。

以上信息可以大致判斷OM 視圖下孔洞的通孔情況，但背面孔洞數(shù)量甚多，依靠目檢會有遺漏，且有部分孔洞在OM 下視圖介于圖2(a)和圖3(a)之間，給判斷帶來難度。為更直觀地監(jiān)控通孔情況，下文介紹從正面監(jiān)控的方式。

圖2 ICP 蝕刻未通孔OM 視圖和FIB 形貌

圖3 ICP 蝕刻通孔OM 視圖和FIB 形貌

圖4 ICP 蝕刻過蝕OM 視圖和FIB 形貌

3.2 正面監(jiān)控方法

為更接近產(chǎn)品工藝結構，試驗仿照正常工藝流程在晶圓正面沉積3 層，依次為Si3N4，厚度600 nm，聚酰亞胺(Polyimide，PI)，厚度1.6 μm，Si3N4，厚度800 nm；掩模厚度至200 μm，采用金屬和光阻為掩模，ICP 蝕刻4500 s。

背孔工藝完成后，從正面采用OM 觀察，20 倍視野下可以從正面看到蝕刻孔印記，如圖5 所示，尺寸約為61 μm×85 μm；掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM) 觀察如圖6 所示，從圖6 中可見Si3N4厚度在600 nm 上下，說明在ICP 蝕刻條件不變的情況下，蝕刻至正面時，Si3N4基本不會被ICP 蝕刻；且蝕刻孔原長寬尺寸應為40 μm×65 μm，圖5 所示尺寸偏大，這是由于在蝕刻孔底部發(fā)生了側蝕，如圖7 所示，對比圖4 可得在試驗條件相同的情況下Si3N4較金屬更耐ICP 蝕刻，導致背孔在對準正面為金屬時形貌垂直，而為Si3N4時發(fā)生側蝕。

基于以上研究得出如下結論：在背孔工藝完成后，OM 觀察正面圖像，在正面形成蝕刻孔印記且單邊尺寸較原始尺寸大10 μm，判斷蝕刻通孔完全。

以正面監(jiān)控方法直觀判斷通孔情況，省去裂片分析步驟，縮短反饋時間，使得晶圓繼續(xù)完成后續(xù)工藝，大大節(jié)省了工藝成本。

圖5 正面視圖

圖6 通孔至正面Si3N4 局部放大圖

圖7 背孔側蝕局部放大圖

4 總結

本文闡述了GaAs 背孔工藝對產(chǎn)品可靠性的影響以及背孔良率在工藝上監(jiān)控的難度，進而提出正面監(jiān)控的方法，較背面監(jiān)控更客觀、更直觀，且受蝕刻深度影響小，為今后制作更深背孔節(jié)約研發(fā)成本，并為背孔工藝的監(jiān)控提供研究方向。