SiGe HBT 发射极台面湿法腐蚀技术研究

关键词：湿法腐蚀；SiGe；异质结双极晶体管；超高真空低压化学汽相淀积

中图分类号：TN32 文献标识码：A文章编号：1671-4776（2003）10-0015-02

随着无线移动微波通信的迅速发展，迫切需要低成本、高性能和高集成度的微波集成电路。由于SiGe HBT具有与Si工艺完全兼容，微波性能好的特点，能够实现微波通信电路的系统集成，正成为一种非常具有应用前景的微波器件。

SiGe HBT按几何形状分为台面结构和平面结构。由于台面结构的集电极直接从衬底引出，工艺相对简单，所以目前SiGe HBT单管研制多采用台面结构。利用分子束外延（MBE）或超高真空低压化学汽相淀积（UHV／CVD）［1］，连续地生长HBT的Si集电区、SiGe基区和Si发射区，然后采用两步刻蚀制作出双台面结构——发射区台面和基区台面。我们采取两次反应离子刻蚀（RIE）的工艺流程，已经研制出β＝100，fT＝12.5 GHz[2]的高频低噪声ＨＢＴ。但由于干法刻蚀工艺固有地存在对被刻蚀表面的损伤，从而在干法刻蚀发射极台面时对外基区表面造成了损伤，形成了许多复合中心，造成SiGe HBT小电流下较大漏电问题。为了克服这个问题我们对发射极台面的湿法腐蚀技术进行了研究，从中获得了较为理想的腐蚀条件。

我们设计的SiGe HBT的发射极条宽为16μm，相邻发射极间距为32μm，整个硅片的尺寸为5英寸。在这种情况下，我们不仅要考虑腐蚀液的选取、超声功率及温度对腐蚀速度的影响，更要考虑到在不同的腐蚀温度和超声功率下单个发射极台面的掩蔽膜是否仍具掩蔽能力以及整个硅片的腐蚀均匀性。在选取腐蚀液的时候要考虑以下因素：

（ａ）对Si的腐蚀须具有良好的各向异性；

（ｂ）对需保留的部分——掩蔽膜（本实验采用的是PECVD SiO2）和Si下的Si1－ｘGex必须不腐蚀或具有极慢的腐蚀速率。综合考虑，我们选取的腐蚀溶液为：100g KOH，4 ｇ 重铬酸钾（K2Cr207）和100 ｍＬ丙醇以及400 ｍＬ水[3]。

在选取了合适的腐蚀液后，主要从温度对Si和SiGe腐蚀速率的影响、超声功率对腐蚀均匀性的影响两个方面对湿法腐蚀技术进行了研究。

3.1发射极台面腐蚀速率与超声功率的关系

由于各发射极间距较小，在不加超声功率情况下，整个Si片可能腐蚀不均匀。因此我们研究了超声功率对速率的影响。 将一实验片放在25 ℃的腐蚀液中，不加超声腐蚀10ｍｉｎ，结果发现整个Si片的腐蚀速率极不均匀。然后在腐蚀过程中施加功率为50 Ｗ的超声，结果发现腐蚀仍不均匀。而当功率为100 Ｗ时则获得了均匀的腐蚀速率。在获得均匀的腐蚀速率后，进一步研究了超声功率对整个腐蚀速率的影响情况，得到了所示的曲线。从曲线可以看出，腐蚀速率随着超声功率增大而加快。

3.2发射极台面腐蚀速率与温度的关系

将超声功率固定在100Ｗ，通过一系列实验，获得了20～40℃温度下发射极台面的腐蚀速率曲线图（）。为30℃时，将样品腐蚀10 ｍｉｎ得到的Ｓｉ台面的扫描电子显微镜（SEM）照片，可以看出腐蚀面光亮、平整。这对SiGe HBT的小电流下漏电会有较大改善。

当把温度继续升高到50 ℃，腐蚀10ｍｉｎ后在显微镜下观察发现，由于线条太细，位于各发射极上的部分SiO2掩蔽膜已经抗不住腐蚀而被漂掉。非发射极台面上的大面积的SiO2虽然未漂掉，但已经出现了明显的凸角腐蚀现象。因此较高温度下SiO2已经不适合作为细线条的掩蔽膜。

3.3 SiｘGe1－x的腐蚀速率

采用实验片为ｎ型(100)硅片，通过UHV／CVD外延了一层厚度为30ｎｍ的SiｘGe1－x（对于本实验组分ｘ＝0.2）。然后利用等离子体增强化学气相淀积（PECVD）工艺淀积一层SiO2作为掩蔽膜，通过光刻、刻蚀得到所需的发射极图形。

然后，将超声功率固定为150 Ｗ，在不同的腐蚀液温度下进行实验，获得了SiO 8GeO2腐蚀速率随温度变化的曲线图（）。为３０ ℃条件下腐蚀６０ ｍｉｎ得到的SiO8GeO2台面的ＳＥＭ照片，通过与Si腐蚀速率的比较，可以发现同样条件下SiO8GeO2在该腐蚀液中的腐蚀速率极慢。

选取具有良好各向异性的腐蚀溶液，通过改变超声功率研究了超声功率对腐蚀均匀性和腐蚀速率的影响。通过改变腐蚀液温度实验，获得了Si和SiO8GeO 2的腐蚀速率随温度变化的曲线图。通过SEm观察，被腐蚀表面光亮、平整，这将对改善SiGe HBT小电流下的漏电特性大为有利。

由于硅的各向异性腐蚀机理[4]，决定了腐蚀所得Si台面与干法刻蚀所得台面相比不可避免地存在着一个倾斜度，这意味着同样的发射极条宽下，采用湿法腐蚀将使晶体管的ＢＥ结面积增大，影响晶体管的频率特性。所以要在小电流下的漏电特性和频率特性之间进行折衷。当然也可采用先干法后湿法的工艺流程来解决这个问题，或者在工艺允许的情况下，适当减小发射极条宽。

值得注意的是，由于暴露在空气中的硅表面必然存在一薄层自然氧化层，虽然通常它只有几个纳米，但已足以阻碍溶液对Si的腐蚀，因此一定要在腐蚀前去掉这层自然氧化层。然而该溶液必须具备适中的腐蚀速率，过快会使得SiO2掩蔽图形受到损伤。我们采用的是1∶100的ＨＦ，结果表明既能将自然氧化层充分去除又保持了掩蔽膜的完好形状。