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[摘 要] 栅极孔刻蚀是要刻断栅极和源极（或阴极）之间在外延过程中形成的连体，打开栅电极区。刻蚀不足或过蚀程度太深都可能造成栅电极电压不能有效施加到栅体上，限制栅体的控制能力，影响器件的I-V特性和击穿电压VGS的大小，是影响器件成品率的一个重要因素。本文结合工艺实践，就栅极孔刻蚀对器件特性的影响进行分析。
[关键词] 埋栅型SIT 栅极孔刻蚀 I-V特性 VGS
1.引言
在众多的新型电力电子器件中，静电感应器件（SIT）以其特有的性能优势，注入功耗低、功率容量大、工作频率高、热稳定性好、抗辐射能力强，且是唯一具有类三级管特性的半导体器件，一般为常开型器件【3】。从结构上说，SIT与一般的场效应晶体管FET相似，但沟道更窄、更短。SIT没有来自栅极的少子注入，高速开关特性优异；栅电阻小，高频信号损失小，因此高频特性优异；无电流集中，耐击穿强度高；驱动功率小，属于电压驱动型器件。根据栅体结构、分布和制造工艺的不同，静电感应器件可分为：埋栅、表面栅、复合栅、绝缘盖栅、槽栅和双栅等结构。这些结构的共同特点是都具有垂直沟道，且沟道被栅体环围在中间，源极区和漏极区分别位于芯片的上下两个表面，这种布局有利于高耐压、大电流设计，是电力电子器件通用的布局方式【1，2】。一般来说，在以高压、大功率应用为目的的场合，埋栅结构比较合适，这是因为其阻断增益本身就比表面栅结构的大，同时若粗略认为栅－源（或阴）反向耐压就是栅－源外延层p+－n结的击穿电压，那么采用这种结构就可使栅极反向电压和正向阻断电压均比较大，有利于高耐压、大电流功率器件的实现【4－6】。
对埋栅型静电感应器件，外延后的栅极孔刻蚀是必不可少的，它不仅是要刻断栅极和源极（或阴极）之间在外延过程中形成的连体，打开栅电极区，以便于栅极引线，而且还是对栅－外延层p+－n结的一次台面造型，因此必须讲究刻蚀的细节，对刻蚀后的深度和形状进行研究。
2.栅极孔刻蚀对器件I-V特性的影响
栅极孔刻蚀可用干法刻蚀（如等离子刻蚀PE或反应离子刻蚀RIE），也可用湿法腐蚀刻蚀。干法腐蚀是各向异性的，腐蚀坡度很陡，正角较大，而湿法腐蚀基本是各向同性的，随腐蚀液配比不同横向腐蚀程度略有不同，但形成的正角在30°～60°间，正是表面造型所需要的。因此，工艺中采用湿法腐蚀。刻蚀深度的控制是至关重要的。若外延层未刻蚀透，栅成为浮置栅，电压不能正常施加在栅体上，栅体的控制作用减弱，有时甚至使特性完全异常，如：对SIT来说，表现出稍有一点弧度的类电阻特性，且随着负栅压增加，导通电压降低等异常状况发生。如图1所示。
此时，栅电极加负偏压时，由于栅电极浮于栅体之上，栅极和源极直间仅相当于一个电阻，而现在的栅电极相当于外延层减薄了的SIT单元的“源”。由于栅浮置未接电源，相当于“0”栅偏状态，沟道电势虽然为负，但势垒高度较低。减薄了的SIT单元的“源”接负，相当于漏压平移。因此，得到的一组曲线使零栅压下的曲线沿轴方向按栅阶梯电压的平移。可见，为了保证栅体的控制作用，栅极孔的台面刻蚀必须刻透外延层，并适当过腐蚀。
但是当过腐蚀比较严重时，器件特性亦表现异常，对SIT来说，I-V特性如图2b所示，为一族挤在一起的曲线。虽然此时SIT的击穿电压VGS比较高，多达几十伏，但栅体的调变能力非常差甚至无调变，I－V特性表现异常。这主要是由于过腐蚀比较严重时，腐蚀液不仅将外延层刻蚀掉，同时还将外延层下面的栅体也刻蚀掉，从而导致电压加不到栅体上，栅体失去调变作用。
可见，栅电极孔腐蚀对器件的特性有很大影响，甚至会使特性发生根本性的变化，为保证器件特性正常，电性能良好，必须对栅极孔的台面刻蚀深度和形状进行研究。
3. 栅极孔刻蚀的控制
3.1 深度控制
一般来说，栅极孔刻蚀的深度由外延层的厚度决定，以暴露出栅体并适当过腐蚀为宜。对外延层厚度为10μm左右的样片，采用不同刻蚀时间，得到不同刻蚀深度，并对样片管芯特性进行测试。实验表明，当外延层刚刻透后，管芯有正常的特性，但栅源击穿倒伏，击穿点不明显。随着刻蚀深度增加，击穿点逐渐明显，并略有增加，达到一定深度后陡直。但是当刻蚀深度达到一定程度以后管芯特性消失，栅体失去调变作用。定义过蚀度为△＝刻蚀深度－外延层厚度，过蚀度在一定程度上反映了腐蚀过程中对外延层刻蚀的程度，当过蚀度大于0时表示外延层已经刻透；当过蚀度小于0时表示外延层未刻透。
实验当中使用的是光刻实验室显微镜100倍档的标尺，我们用微米标尺对放大倍数进行校对的结果是12.68µm／格。台深＝（m×12.68）／tgθ，其中m为显微镜100倍档下标尺的格数，θ为所挖台面侧面的倾角。实验中我们所用的腐蚀液的配比为HF：HNO3：HAC＝1：5：少许，θ角度取为45°。在一次SIT台面刻蚀试验中栅阴击穿VGS与过蚀度之间的关系如表1和图3所示：
从以上图表中我们可以看出当0<△<14时，VGS与过蚀度△成一定程度的正比关系；当△>14以后，VGS上升很快，但是此时栅体已经基本失去调变作用，管芯特性已经消失。多次试验表明，台面刻蚀后，从显微镜读出台深的格数在1.5～1.6格时，管芯的特性正常，栅阴极击穿也比较高。若更窄或者更宽都会导致管芯特性的劣化。
3.2 腐蚀液配比的选择
化学腐蚀硅目前采用最多的是硝酸和氢氟酸混合液，化学反应方程为：
Si+4HNO3→SiO2+4NO2+2H2O（式1）
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O （式2）
腐蚀液中除了氧化剂硝酸，络合剂氢氟酸外，还有缓和剂和附加剂。缓和剂有冰醋酸或水，其作用是控制反应速度，使硅表面光亮。附加剂是一种氧化剂，如溴、碘等，其作用是加快反应速度。
腐蚀液配比不同、温度不同，腐蚀速率、台面光洁程度、台面形状也不同。一般的，HF:HNO3较大（例如体积比为5:3或者2:1）时，腐蚀速率快，横向腐蚀严重，表面粗糙。同时，由于反应是放热反应，角隅处温度比较高，腐蚀速率更快，会出现一个凹槽，甚至可能出现掏蚀的情况（如图4中的2、3所示）。随着HF：HNO3减小，当体积比达到1:4左右时，反应速度变慢，横向腐蚀变小，台面形状变化缓慢，得到较好的台面造型。继续减少HF含量，第二步反应（参见式2）速度下降，掩蔽区附近也出现凹槽，但硅片表面比较光洁。可见，为了得到表面光洁、造型良好的台面，合理选择腐蚀液的配比是很重要的。
实验中我们常用的腐蚀液配比为：
HF:HNO3:CH3COOH=1:4～6:0.5
通常，对厚度为10μm的外延层来说，若腐蚀温度控制在10℃左右，采用HF:HNO3:CH3COOH=1:4:0.5的腐蚀液，超声气氛腐蚀30″左右就可以得到所需深度的台面。此时，器件I-V特性正常，且有较高的击穿电压VGS 。
4.结论
栅电极孔刻蚀是埋栅型静电感应器件制造工艺中重要一环，刻蚀不足或过蚀程度太深都会导致栅电极和栅体分离，影响器件栅控能力和电性能，严重时会使特性异常，这是造成静电感应器件成品率较低的因素之一。因此台面刻蚀首先必须刻透外延层，并适当过腐蚀，同时为了保证器件特性正常，电性能优良，过腐蚀度△宜控制7～9以内。
参考文献：
[1]李思渊，《静电感应器件作用理论》，兰州大学出版社，1996.
[2]李思渊，《静电感应器件——物理、工艺与实践》，兰州大学出版社，2001．4.
[3]西泽润一监修，村冈公裕，龙田正隆主编，《图解静电感应器件》，科学出版社，1998．5.
[4]杨建红，《静电感应器件的器件物理和器件特性的研究》，兰州大学博士论文，1998.
[5] S.Y.Li and J.H.Yang,“ Study of the Static Induction Transistor with Complex Structure and with Triode-like I-V Characteristics”, Proc.ICPE’95,Souel,South Korea,1995.
[6]杨晶琦，《电力电子器件原理与设计》，国防工业出版社，1999.
基金项目：
甘肃省攻关项目(GS012．A52-064
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[关键词] 埋栅型SIT 栅极孔刻蚀 I-V特性 VGS
1.引言
在众多的新型电力电子器件中，静电感应器件（SIT）以其特有的性能优势，注入功耗低、功率容量大、工作频率高、热稳定性好、抗辐射能力强，且是唯一具有类三级管特性的半导体器件，一般为常开型器件【3】。从结构上说，SIT与一般的场效应晶体管FET相似，但沟道更窄、更短。SIT没有来自栅极的少子注入，高速开关特性优异；栅电阻小，高频信号损失小，因此高频特性优异；无电流集中，耐击穿强度高；驱动功率小，属于电压驱动型器件。根据栅体结构、分布和制造工艺的不同，静电感应器件可分为：埋栅、表面栅、复合栅、绝缘盖栅、槽栅和双栅等结构。这些结构的共同特点是都具有垂直沟道，且沟道被栅体环围在中间，源极区和漏极区分别位于芯片的上下两个表面，这种布局有利于高耐压、大电流设计，是电力电子器件通用的布局方式【1，2】。一般来说，在以高压、大功率应用为目的的场合，埋栅结构比较合适，这是因为其阻断增益本身就比表面栅结构的大，同时若粗略认为栅－源（或阴）反向耐压就是栅－源外延层p+－n结的击穿电压，那么采用这种结构就可使栅极反向电压和正向阻断电压均比较大，有利于高耐压、大电流功率器件的实现【4－6】。
对埋栅型静电感应器件，外延后的栅极孔刻蚀是必不可少的，它不仅是要刻断栅极和源极（或阴极）之间在外延过程中形成的连体，打开栅电极区，以便于栅极引线，而且还是对栅－外延层p+－n结的一次台面造型，因此必须讲究刻蚀的细节，对刻蚀后的深度和形状进行研究。
2.栅极孔刻蚀对器件I-V特性的影响
栅极孔刻蚀可用干法刻蚀（如等离子刻蚀PE或反应离子刻蚀RIE），也可用湿法腐蚀刻蚀。干法腐蚀是各向异性的，腐蚀坡度很陡，正角较大，而湿法腐蚀基本是各向同性的，随腐蚀液配比不同横向腐蚀程度略有不同，但形成的正角在30°～60°间，正是表面造型所需要的。因此，工艺中采用湿法腐蚀。刻蚀深度的控制是至关重要的。若外延层未刻蚀透，栅成为浮置栅，电压不能正常施加在栅体上，栅体的控制作用减弱，有时甚至使特性完全异常，如：对SIT来说，表现出稍有一点弧度的类电阻特性，且随着负栅压增加，导通电压降低等异常状况发生。如图1所示。
此时，栅电极加负偏压时，由于栅电极浮于栅体之上，栅极和源极直间仅相当于一个电阻，而现在的栅电极相当于外延层减薄了的SIT单元的“源”。由于栅浮置未接电源，相当于“0”栅偏状态，沟道电势虽然为负，但势垒高度较低。减薄了的SIT单元的“源”接负，相当于漏压平移。因此，得到的一组曲线使零栅压下的曲线沿轴方向按栅阶梯电压的平移。可见，为了保证栅体的控制作用，栅极孔的台面刻蚀必须刻透外延层，并适当过腐蚀。
但是当过腐蚀比较严重时，器件特性亦表现异常，对SIT来说，I-V特性如图2b所示，为一族挤在一起的曲线。虽然此时SIT的击穿电压VGS比较高，多达几十伏，但栅体的调变能力非常差甚至无调变，I－V特性表现异常。这主要是由于过腐蚀比较严重时，腐蚀液不仅将外延层刻蚀掉，同时还将外延层下面的栅体也刻蚀掉，从而导致电压加不到栅体上，栅体失去调变作用。
可见，栅电极孔腐蚀对器件的特性有很大影响，甚至会使特性发生根本性的变化，为保证器件特性正常，电性能良好，必须对栅极孔的台面刻蚀深度和形状进行研究。
3. 栅极孔刻蚀的控制
3.1 深度控制
一般来说，栅极孔刻蚀的深度由外延层的厚度决定，以暴露出栅体并适当过腐蚀为宜。对外延层厚度为10μm左右的样片，采用不同刻蚀时间，得到不同刻蚀深度，并对样片管芯特性进行测试。实验表明，当外延层刚刻透后，管芯有正常的特性，但栅源击穿倒伏，击穿点不明显。随着刻蚀深度增加，击穿点逐渐明显，并略有增加，达到一定深度后陡直。但是当刻蚀深度达到一定程度以后管芯特性消失，栅体失去调变作用。定义过蚀度为△＝刻蚀深度－外延层厚度，过蚀度在一定程度上反映了腐蚀过程中对外延层刻蚀的程度，当过蚀度大于0时表示外延层已经刻透；当过蚀度小于0时表示外延层未刻透。
实验当中使用的是光刻实验室显微镜100倍档的标尺，我们用微米标尺对放大倍数进行校对的结果是12.68µm／格。台深＝（m×12.68）／tgθ，其中m为显微镜100倍档下标尺的格数，θ为所挖台面侧面的倾角。实验中我们所用的腐蚀液的配比为HF：HNO3：HAC＝1：5：少许，θ角度取为45°。在一次SIT台面刻蚀试验中栅阴击穿VGS与过蚀度之间的关系如表1和图3所示：
从以上图表中我们可以看出当0<△<14时，VGS与过蚀度△成一定程度的正比关系；当△>14以后，VGS上升很快，但是此时栅体已经基本失去调变作用，管芯特性已经消失。多次试验表明，台面刻蚀后，从显微镜读出台深的格数在1.5～1.6格时，管芯的特性正常，栅阴极击穿也比较高。若更窄或者更宽都会导致管芯特性的劣化。
3.2 腐蚀液配比的选择
化学腐蚀硅目前采用最多的是硝酸和氢氟酸混合液，化学反应方程为：
Si+4HNO3→SiO2+4NO2+2H2O（式1）
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O （式2）
腐蚀液中除了氧化剂硝酸，络合剂氢氟酸外，还有缓和剂和附加剂。缓和剂有冰醋酸或水，其作用是控制反应速度，使硅表面光亮。附加剂是一种氧化剂，如溴、碘等，其作用是加快反应速度。
腐蚀液配比不同、温度不同，腐蚀速率、台面光洁程度、台面形状也不同。一般的，HF:HNO3较大（例如体积比为5:3或者2:1）时，腐蚀速率快，横向腐蚀严重，表面粗糙。同时，由于反应是放热反应，角隅处温度比较高，腐蚀速率更快，会出现一个凹槽，甚至可能出现掏蚀的情况（如图4中的2、3所示）。随着HF：HNO3减小，当体积比达到1:4左右时，反应速度变慢，横向腐蚀变小，台面形状变化缓慢，得到较好的台面造型。继续减少HF含量，第二步反应（参见式2）速度下降，掩蔽区附近也出现凹槽，但硅片表面比较光洁。可见，为了得到表面光洁、造型良好的台面，合理选择腐蚀液的配比是很重要的。
实验中我们常用的腐蚀液配比为：
HF:HNO3:CH3COOH=1:4～6:0.5
通常，对厚度为10μm的外延层来说，若腐蚀温度控制在10℃左右，采用HF:HNO3:CH3COOH=1:4:0.5的腐蚀液，超声气氛腐蚀30″左右就可以得到所需深度的台面。此时，器件I-V特性正常，且有较高的击穿电压VGS 。
4.结论
栅电极孔刻蚀是埋栅型静电感应器件制造工艺中重要一环，刻蚀不足或过蚀程度太深都会导致栅电极和栅体分离，影响器件栅控能力和电性能，严重时会使特性异常，这是造成静电感应器件成品率较低的因素之一。因此台面刻蚀首先必须刻透外延层，并适当过腐蚀，同时为了保证器件特性正常，电性能优良，过腐蚀度△宜控制7～9以内。
参考文献：
[1]李思渊，《静电感应器件作用理论》，兰州大学出版社，1996.
[2]李思渊，《静电感应器件——物理、工艺与实践》，兰州大学出版社，2001．4.
[3]西泽润一监修，村冈公裕，龙田正隆主编，《图解静电感应器件》，科学出版社，1998．5.
[4]杨建红，《静电感应器件的器件物理和器件特性的研究》，兰州大学博士论文，1998.
[5] S.Y.Li and J.H.Yang,“ Study of the Static Induction Transistor with Complex Structure and with Triode-like I-V Characteristics”, Proc.ICPE’95,Souel,South Korea,1995.
[6]杨晶琦，《电力电子器件原理与设计》，国防工业出版社，1999.
基金项目：
甘肃省攻关项目(GS012．A52-064
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文