利用複合掩模版製備微波功率器件的方法

2023-10-04 15:41:09

專利名稱：利用複合掩模版製備微波功率器件的方法
技術領域：
本發明涉及一種功率器件的製備方法，尤其涉及一種利用複合掩模版製備微波功
率器件的方法。
背景技術：
近年來，矽微波功率器件工作頻率已經達到S波段，輸出功率達到了上百瓦，已經 接近矽基微波功率器件的頻率極限，在這樣的器件晶片設計時需要幾百條高密度、高分辨 率和高長寬比的亞微米尺度的圖形加工來實現器件的工作頻率和高的輸出功率，這就對傳 統的矽微波功率器件的工藝加工提出了挑戰。首先，傳統的矽平面加工工藝技術會造成芯 片場區和有源區不在同一個平面上，晶片場區就會比基區高O. 6iim 1.0iim的Si02臺階， 並且隨著工藝的加工，後續工藝中這個臺階會繼續加大，這不利於亞微米圖形的光刻工藝， 難以實現1. 0 i！ m以下的圖形光刻。另外，傳統的雙極平面電晶體工藝的發射區和基極歐姆 接觸區是兩次光刻形成的，這必然會造成這兩次光刻套準偏差，使得發射區和基極歐姆接 觸區的間距不相等，從而造成微波器件阻值的變化，使得微波功率器件的微波性能惡化。以 高精度的投影曝光機來說，在理想的平面基片上兩次曝光的套準偏差也在0. 1 i！ m以上，況 且器件晶片在加工時隨著工序的進行，基片也會有不同程度的形變，因此，就是採用高精度 投影曝光機也不會使傳統的雙極平面電晶體的發射極和基極達到零套準偏差，影響晶片基 區電阻的一致性。

發明內容
本發明要解決的技術問題是在傳統工藝中製備發射區和基極歐姆接觸區時由於 兩次光刻造成的套準偏差，使得發射區和基極歐姆接觸區的間距不等距，從而使微波功率 器件的微波性能惡化的問題。 為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是一種利用複合掩模版製備微 波功率器件的方法，包括在矽片上澱積氧化矽保護層和氮化矽，經光刻、刻蝕、離子注入加 工分別形成發射區和基極歐姆接觸區，再經沉積金屬層製備金屬引出電極形成發射極與基 極；本方法中利用複合掩模版一次完成光刻、並刻蝕形成發射區窗口和基極歐姆接觸區窗 口 ；選擇性藉助塗覆光刻膠覆蓋基極歐姆接觸區窗口或發射區窗口 ，在未塗覆光刻膠窗口 繼光刻之後繼續刻蝕、離子注入形成發射區或基極歐姆接觸區；再次藉助塗覆的光刻膠覆 蓋上述離子注入後形成的發射區或基極歐姆接觸區，在上述光刻膠覆蓋的窗口處繼光刻之 後刻蝕、離子注入形成基極歐姆接觸區或發射區。 採用上述技術方案所產生的有益效果在於本發明採用同一塊複合掩模版進行光 刻、刻蝕，形成發射區和基極歐姆接觸區的摻雜窗口 ，使得發射區和基極歐姆接觸區的間距 相等，消除了傳統工藝中兩次光刻造成的間距不等問題，從而達到提高微波功率器件的微 波性能目的。此外，本發明中採用選擇性氧化技術和表面平坦化技術實現晶片場區和有源 區處於同一焦平面，從而使得亞微米、深亞微米圖形光刻工藝得以實現。


圖1 圖15是本發明的工藝步驟流程圖；
圖1 :沉積氧化矽、氮化矽；
圖2 :光刻、刻蝕場區； 圖3 :場區氧化，產生不平坦表面結構的示意圖；
圖4:塗覆光刻膠； 圖5 :場區、有源區表面平坦化，消除不平坦結構；
圖6:離子注入製備基區； 圖7、圖8 :利用複合掩模版一次光刻、刻蝕形成發射區窗口和基極歐姆接觸區窗 □; 圖9:光刻、刻蝕發射區； 圖10 :離子注入製備出發射區； 圖11 :光刻、刻蝕基極歐姆接觸區； 圖12 :離子注入製備出基極歐姆接觸區； 圖13:澱積氧化矽； 圖14 :刻蝕氧化矽形成側牆保護； 圖15 :濺射金屬製備發射極和基極； 圖中l-矽片，2-氧化矽，3-氮化矽，4、5、7、ll-光刻膠，6-複合掩模版，8-光刻 掩模版1，9-基區，10-發射區，12-光刻掩模版II， 13-基極歐姆接觸區，14-發射極，15-基極。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。 本發明提供的一種利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，包括在矽片1上 澱積氧化矽2保護層和氮化矽3，經光刻、刻蝕、離子注入加工分別形成發射區10和基極歐 姆接觸區13，再經沉積金屬層製備金屬引出電極形成發射極14與基極15 ;本方法中利用復 合掩模版6—次完成光刻、並刻蝕形成發射區窗口和基極歐姆接觸區窗口 ；選擇性藉助塗 覆光刻膠7覆蓋基極歐姆接觸區窗口或發射區窗口 ，在未塗覆光刻膠窗口繼光刻之後繼續 刻蝕、離子注入形成發射區10或基極歐姆接觸區13 ;再次藉助塗覆的光刻膠11覆蓋上述 離子注入後形成的發射區10或基極歐姆接觸區13，在上述光刻膠7覆蓋的窗口處繼光刻之 後刻蝕、離子注入形成基極歐姆接觸區13或發射區10。 上述利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，在進行上述選擇性藉助塗覆光刻 膠7覆蓋基極歐姆接觸區窗口或發射區窗口操作時，首先覆蓋基極歐姆接觸區窗口 ，具體 步驟包括 ①在基極歐姆接觸區窗口與發射區窗口處刻蝕氮化矽3，保留氧化矽2 ;
②塗覆光刻膠7，通過光刻掩模版I 8製備出發射區窗口圖形或用基極歐姆接觸 區窗口圖形，基極歐姆接觸區13或發射區10用光刻膠7覆蓋，以氮化矽3為掩模版腐蝕發 射區10氧化矽2 ;
③發射區10離子注入，並去除光刻膠7 ; 上述利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，光刻掩模版I 8上的發射區圖形的寬度大於矽片1上發射區10寬度。 上述利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，再次藉助塗覆的光刻膠11覆蓋上述離子注入後形成的發射區IO或基極歐姆接觸區13時，選擇覆蓋發射區IO，具體步驟包括 ①刻蝕基極歐姆接觸區13 :塗覆光刻膠ll，通過光刻掩模版II 12製備出基極歐姆接觸區窗口圖形，用光刻膠11覆蓋發射區10，以氮化矽3為掩模版腐蝕基極歐姆接觸區13氧化矽2 ; ②基極歐姆接觸區13離子注入，並去除光刻膠11。 上述利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，其特徵在於光刻掩模版1112上的基極歐姆接觸區圖形的寬度大於矽片上基極歐姆接觸區13寬度。 上述利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，所述在澱積氧化矽2保護層和氮化矽3後採用選擇性氧化技術和表面平坦化技術使場區和有源區處於同一平面，實現等平面結構，其具體步驟包括 ①塗敷光刻膠，採用場區光刻掩模版進行曝光，去除場區光刻膠；
②刻蝕場區的氮化矽3、氧化矽2及矽片1，並去除光刻膠； ③採用RCA技術對矽片進行清洗後，採用高壓水汽氧化法對場區進行選擇性氧化； ④旋轉塗覆光刻膠，使有源區邊界平坦化； ⑤刻蝕光刻膠和氧化矽2 :採用等離子體刻蝕方法，通過調整刻蝕液配比使光刻膠和氧化矽2的刻蝕速率比為1 : 1，對光刻膠和氧化矽2進行刻蝕，刻蝕至光刻膠基本消除，最終形成平坦化表面。 上述利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，所述在完成離子注入後澱積氧化矽，利用各向異性刻蝕形成發射區10和基極歐姆接觸區13側牆。 下面以工作頻率在S波段，輸出功率在45W以上的矽微波功率器件晶片加工過程為例，來說明本發明的具體實施方式
。本器件晶片設計為梳狀發射極結構，圖形寬度的尺寸為0. 6 ii m，圖形陣列周期為3 ii m。考慮到光刻及刻蝕工藝加工容差，因此，在設計發射區和基極歐姆接觸區複合掩模版6時設計圖形尺寸為0. 5 ii m ;發射區光刻掩模版I 8圖形尺寸設計為1. 6 ii m ;基極歐姆接觸區光刻掩模版II 12圖形尺寸也設計為1. 6 ii m。
(1)矽片l準備採用矽外延片作為襯底材料，N型，〈111〉晶向，電阻率0.003 0. 005 Q cm ;外延層厚度5 ii m 7 ii m，摻雜As+，摻雜濃度5 X 1015 7 X 1015cm—3 ;拋光後採用RCA方法清洗矽片。 (2)80(TC下幹氧氧化50nm士5nm厚的氧化矽2。 (3)用低壓化學氣相沉積法(LPCVD)在氧化矽上沉積100± 10nm厚的氮化矽3。參見圖1。 (4)場區光刻及刻蝕在矽片1上方的氮化矽3上塗敷約1. 0 ii m光刻膠，用晶片場區光刻掩模版曝光，保留有源區光刻膠，然後採用反應離子腐蝕RIE刻蝕氮化矽和氧化矽，刻蝕乾淨氧化矽後繼續採用RIE刻蝕矽片，直至矽片刻蝕深度為1. lym時停止，然後去除光刻膠。參見圖2。 (5)場區氧化採用RCA技術對矽片1進行清洗，然後在溫度95(TC、壓力150psi下，採用高壓水汽氧化方法進行氧化，氧化矽2厚度約為2. Oym。氧化後由於"鳥頭"效應影響，使結構兩端出現凸起。參見圖3。 (6)表面平坦化塗敷約1. 2 ii m的AZ6100系列光刻膠4，然後採用HDP刻蝕設
備，採用等離子體刻蝕方法，通過調整刻蝕液配比使光刻膠4和氧化矽2的刻蝕速率比為
1 : 1，對光刻膠4和氧化矽2進行刻蝕，刻蝕至光刻膠4基本消除，消除"鳥頭"狀凸起，最
終形成平坦化表面。參見圖4和圖5。可參考的HDP刻蝕配方如下 工作壓力10mTorr 溫度30。C 氦氣壓力50Torr (V流量2sccm CHF3流量50sccm Ar流量20sccm 射頻功率200Watts 超高頻功率1000Watts (7)基區9製備光刻、刻蝕形成基區注入窗口，然後離子注入B+，去除光刻膠後退火形成基區9。參見圖6。 (8)發射區10和基極歐姆接觸區13光刻在氮化矽3上塗敷約1. 0 ii m厚的光刻膠5，用配套的晶片發射區和基極歐姆接觸區複合掩模版6曝光，在光刻膠5上得到發射區窗口圖形和基極歐姆接觸區窗口圖形，並去除發射區窗口和基極歐姆接觸區窗口處的光刻膠5。參見圖7。 (9)採用RIE刻蝕掉發射區窗口和基極歐姆接觸區窗口處的氮化矽3，保留氧化矽2，並去除光刻膠5。參見圖8。 (10)發射區10刻蝕在矽片1上塗敷約1. 0iim厚的光刻膠7，用發射區光刻掩模版I 8曝光，用緩衝氫氟酸(BOE)腐蝕液腐蝕掉發射區窗口剩餘的氧化矽1。參見圖9。
(11)發射區10離子注入離子注入As+形成發射區10。參見與10。
(12)基極歐姆接觸區13刻蝕在矽片1上塗敷約l.Oym光刻膠ll，用基極歐姆接觸區光刻掩模版II 12曝光，用BOE腐蝕液腐蝕掉基區歐姆接觸區窗口剩餘的氧化矽2。參見圖11。 (13)基極歐姆接觸區13離子注入離子注入B+，去除光刻膠後進行退火處理(96(TC，N2氣氛，7 15min)，激活發射區10注入的As+和基極歐姆接觸區13注入的B+，形成發射區10和基極歐姆接觸區13。參見圖12。 (14)採用RCA技術對矽片進行清洗，採用低壓花化學氣相沉積法澱積約300nm厚的氧化矽2，然後採用RIE各項異性刻蝕，進行氧化矽2大面積刻蝕，刻蝕至基極歐姆接觸區13、發射區10摻雜界面，這樣就在陡直的基區歐姆接觸區13、發射區10介質側壁形成了氧化矽側牆，實現了基極接觸區和發射極接觸區的側牆保護。參見圖13和圖14。
(15)濺射金屬層，製備金屬引出電極，形成發射極14與基極15。參見圖15。
權利要求
一種利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，包括在矽片(1)上澱積氧化矽(2)保護層和氮化矽(3)，經光刻、刻蝕、離子注入加工分別形成發射區(10)和基極歐姆接觸區(13)，再經沉積金屬層製備金屬引出電極形成發射極(14)與基極(15)；其特徵在於本方法中利用複合掩模版(6)一次完成光刻、並刻蝕形成發射區窗口和基極歐姆接觸區窗口；選擇性藉助塗覆光刻膠(7)覆蓋基極歐姆接觸區窗口或發射區窗口，在未塗覆光刻膠窗口繼光刻之後繼續刻蝕、離子注入形成發射區(10)或基極歐姆接觸區(13)；再次藉助塗覆的光刻膠(11)覆蓋上述離子注入後形成的發射區(10)或基極歐姆接觸區(13)，在上述光刻膠(7)覆蓋的窗口處繼光刻之後刻蝕、離子注入形成基極歐姆接觸區(13)或發射區(10)。
2. 根據權利要求1所述的利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，其特徵在於在進 行上述選擇性藉助塗覆光刻膠(7)覆蓋基極歐姆接觸區窗口或發射區窗口操作時，首先覆蓋基極歐姆接觸區窗口，具體步驟包括① 在基極歐姆接觸區窗口與發射區窗口處刻蝕氮化矽(3)，保留氧化矽(2);② 塗覆光刻膠(7)，通過光刻掩模版I(8)製備出發射區窗口圖形或用基極歐姆接觸區 窗口圖形，基極歐姆接觸區(13)或發射區(10)用光刻膠(7)覆蓋，以氮化矽(3)為掩模版 腐蝕發射區(10)氧化矽(2);③ 發射區(10)離子注入，並去除光刻膠(7)。
3. 根據權利要求2所述的利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，其特徵在於光刻 掩模版I(8)上的發射區圖形的寬度大於矽片(1)上發射區(10)寬度。
4. 根據權利要求1所述的利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，其特徵在於再次 藉助塗覆的光刻膠(11)覆蓋上述離子注入後形成的發射區(10)或基極歐姆接觸區(13) 時，選擇覆蓋發射區(IO)，具體步驟包括① 刻蝕基極歐姆接觸區(13):塗覆光刻膠(11)，通過光刻掩模版I1(12)製備出基極歐 姆接觸區窗口圖形，用光刻膠(11)覆蓋發射區(IO)，以氮化矽(3)為掩模版腐蝕基極歐姆 接觸區(13)氧化矽(2);② 基極歐姆接觸區(13)離子注入，並去除光刻膠(11)。
5. 根據權利要求4所述的利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，其特徵在於光刻 掩模版I1(12)上的基極歐姆接觸區圖形的寬度大於矽片上基極歐姆接觸區(13)寬度。
6. 根據權利要求1所述的利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，其特徵在於在澱 積氧化矽(2)保護層和氮化矽(3)後採用選擇性氧化技術和表面平坦化技術使場區和有源 區處於同一平面，實現等平面結構，其具體步驟包括① 塗敷光刻膠，採用場區光刻掩模版進行曝光，去除場區光刻膠；② 刻蝕場區的氮化矽(3)、氧化矽(2)及矽片(l)，並去除光刻膠；③ 採用RCA技術對矽片進行清洗後，採用高壓水汽氧化法對場區進行選擇性氧化；④ 旋轉塗覆光刻膠，使有源區邊界平坦化；⑤ 刻蝕光刻膠和氧化矽(2):採用等離子體刻蝕方法，通過調整刻蝕液配比使光刻膠 和氧化矽(2)的刻蝕速率比為1 : l，對光刻膠和氧化矽(2)進行刻蝕，刻蝕至光刻膠基本 消除，最終形成平坦化表面。
7. 根據權利要求1所述的利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，其特徵在於在完 成離子注入後澱積氧化矽，利用各向異性刻蝕形成發射區(10)和基極歐姆接觸區(13)側。
全文摘要
本發明公開了一種利用複合掩模版製備微波功率器件的方法，該方法採用選擇性氧化技術和表面平坦化技術實現晶片場區和有源區處於同一焦平面，實現等平面結構；採用同一塊複合掩模版進行光刻，刻蝕形成發射區和基極歐姆接觸區的摻雜窗口，然後完成發射區和基極歐姆接觸區摻雜，同時結合側牆保護技術實現雙極器件晶片發射極和基極自對準。該方法實現了亞微米、深亞微米圖形的光刻工藝，並且通過一次光刻工藝使得發射區和基極歐姆接觸區的間距相等，從而達到提高微波功率器件的微波性能目的。
文檔編號H01L21/331GK101764060SQ200910263949
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者劉英坤, 胡順欣, 鄧建國 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所