專利名稱：一種微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬布線層結(jié)構(gòu)及其制備方法，尤其涉及一種微波單片集成電路中的金 屬布線層結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波單片集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,麗IC)中，需要 將源端通過(guò)背孔接地，這樣能夠更好地散熱，而且可以改善源端的接地性能；同時(shí)在MMIC中 存在很多并聯(lián)接地的元件，使得通過(guò)背孔接地金屬引起的串聯(lián)電感很小，對(duì)高頻電路的影響 也比較小，因此背孔技術(shù)是麗IC電路工藝流程中必不可少的關(guān)鍵工藝之一。
在制作背孔的過(guò)程中，要求背面電鍍金屬剛好接觸到布線層金屬進(jìn)而才能形成良好的電 氣連接，即要去除布線層到背面金屬層之間的部分，通常使用等離子體刻蝕(ICP)的方法 ，刻蝕去除布線層到背面金屬層之間的所有材料，這樣就必須引入阻擋層使得布線金屬層不 會(huì)被破壞，同時(shí)要保證中間的材料全部刻蝕干凈，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明在布線層金屬中引入金屬Ni 可以完成阻擋作用。
傳統(tǒng)的布線層金屬結(jié)構(gòu)鈦/金和鈦/金/鈦等均是能夠用于正常電路制作的金屬布線層， 但是不能用于制作微波單片集成電路中的背孔工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有金屬布線層不能用于制作微波單片集成電路中背孔工藝的不足，提供了 一種適用于在微波單片集成電路中制作背孔工藝的金屬布線層結(jié)構(gòu)及其制備方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下 一種微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu) ，設(shè)置在第一Si3N4層和第二Si3N4層之間，包括第一Ti層、設(shè)置在所述第一Ti層上的Ni層、 設(shè)置在所述Ni層上的第二Ti層、設(shè)置在所述第二Ti層上的Au層、以及設(shè)置在所述Au層上的第 三Ti層。
進(jìn)一步，所述第一Si3N4層的厚度為2000^ 4000人；所述第二Si3N4層的厚度為 50C)A 200oA;所述第一Ti層的厚度為20C)A 40C)A ;所述Ni層的厚度為500A 1000A ;所述第二Ti層的厚度為20oA 40()A;所述M層的厚度為2000A 4000A ;所述第三Ti 層的厚度為20oA 40()A 。
本發(fā)明還提供一種解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下 一種微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟
步驟10:在第二Si3N4層上旋涂光刻膠后，并通過(guò)光刻、顯影形成金屬布線層圖案； 步驟20:通過(guò)電子束蒸發(fā)的方法依次形成第一Ti層、Ni層、第二Ti層、Au層和第三Ti層
步驟30:將光刻膠上的第一Ti層、Ni層、第二Ti層、Au層和第三Ti層進(jìn)行剝離。
進(jìn)一步，所述第一Si3N4層的厚度為2000^ 4000人；所述第二Si3N4層的厚度為 50C)A 200oA;所述第一Ti層的厚度為20C)A 40C)A ;所述Ni層的厚度為500A 1000A ;所述第二Ti層的厚度為20oA 40()A;所述M層的厚度為2000A 4000A ;所述第三Ti 層的厚度為20oA 40()A 。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)中的金屬Ni在通過(guò)ICP刻蝕襯底后，可以 保護(hù)布線層及以上部分，使得麗IC背孔工藝可以順利進(jìn)行，并且這種金屬布線層結(jié)構(gòu)中的上 下兩層金屬Ti改善了與Si3N4介質(zhì)層的粘附性，提高了電容的性能，同時(shí)整個(gè)金屬布線層結(jié) 構(gòu)對(duì)電容值的影響不大，金屬Ni上面一層金屬Ti的引入可以改善金屬Ni與金屬Au的粘附性不 好的問(wèn)題；整個(gè)金屬布線層結(jié)構(gòu)的制備方法可以通過(guò)一次性蒸發(fā)金屬完成，方法簡(jiǎn)單，對(duì) 麗IC工藝的實(shí)現(xiàn)起到了很大的作用。


圖l為本發(fā)明具有背孔的金屬布線層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)中背孔的一個(gè)掃描電鏡照片； 圖3為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)中背孔的另一個(gè)掃描電鏡照片； 圖4為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)未采用Ni金屬層的背孔穿通示意圖； 圖5為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)中Ni金屬層和Au金屬層直接接觸時(shí)焊盤(pán)脫落示意圖； 圖6為本發(fā)明Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容值曲線示意圖； 圖7為本發(fā)明Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容值曲線示意圖； 圖8為本發(fā)明Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容的品質(zhì)因數(shù)曲線示意圖； 圖9為本發(fā)明Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容的品質(zhì)因數(shù)曲線示意圖； 圖10為本發(fā)明Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)和Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)中電容的耐壓 特性曲線示意圖ll為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)制備方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
5以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于 限定本發(fā)明的范圍。
圖l為本發(fā)明具有背孔的金屬布線層結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，所述微波單片集成電路中 的金屬布線層結(jié)構(gòu)設(shè)置在第一Si3N4層106和第二Si3N4層107之間，包括第一Ti層lOl、設(shè)置在 所述第一Ti層101上的Ni層102、設(shè)置在所述Ni層102上的第二Ti層103、設(shè)置在所述第二Ti層 103上的Au層104、以及設(shè)置在所述Au層104上的第三Ti層105。所述第二Si3N4層107設(shè)置在 SiC襯底108上。所述第一Si3N4層106上依次設(shè)置有起鍍層Ti/Aul09和電鍍層Au110，所述電 鍍層AullO設(shè)置在起鍍層Ti/Aul09的上面，與起鍍層Ti/Aul09之間沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分。所述 SiC襯底108上通過(guò)刻蝕形成背孔區(qū)域111，通過(guò)電子束蒸發(fā)在所述背孔區(qū)域lll形成起鍍層 Ti/Au，然后再電鍍形成電鍍層Au。
所述SiC襯底108的厚度為100 um左右；所述第一Si3N4層106的厚度為250()A;所述第二 Si3N4層107的厚度為1000 A;所述第一Ti層101的厚度為200^;所述Ni層102的厚度為 600人；所述第二Ti層103的厚度為200人；所述Au層104的厚度為4000人；所述第三Ti層105 的厚度為200^ 。
圖2為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)中背孔的一個(gè)掃描電鏡照片，圖3為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu) 中背孔的另一個(gè)掃描電鏡照片。如圖2及圖3所示，圖2為背孔的俯視圖，孔中的金屬依次為 電鍍層Au、起鍍層Ti/Au、金屬布線層結(jié)構(gòu)Ti/Ni/Ti/Au/Ti，圖3為背孔的截面圖，背孔的深 度約為襯底厚度，即刻蝕的深度約為100um左右，從圖3可以看出背面電鍍層金屬和布線層金 屬形成了很好的連接，背孔也達(dá)到了要求的直徑和深度，說(shuō)明金屬Ni的存在對(duì)刻蝕氣體產(chǎn)生 了阻擋作用，保護(hù)了布線層金屬，順利完成了背孔工藝。
圖4為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)未采用Ni金屬層的背孔穿通示意圖，圖5為本發(fā)明金屬布線 層結(jié)構(gòu)中Ni金屬層和Au金屬層直接接觸時(shí)焊盤(pán)脫落示意圖。圖4為一個(gè)電容206通過(guò)微帶線 201和空氣橋202串聯(lián)在電路中，圖中的所有區(qū)域除了205均是電鍍金屬204，在布線層中如果 未采用Ni金屬層，則在進(jìn)行ICP刻蝕的時(shí)候，腐蝕氣體可以通過(guò)背孔區(qū)域直接腐蝕掉布線層 并且破壞正面焊盤(pán)PAD203的金屬部分，如圖4中背孔穿通的標(biāo)識(shí)黑色圓圈205，只有采用了 Ni金屬層為阻擋層才能夠?qū)崿F(xiàn)正常的背孔工藝，通過(guò)背孔完成背面電鍍層金屬和布線層金屬 的電氣連通。圖5為一個(gè)電容301通過(guò)微帶線302和空氣橋305串聯(lián)在電路中，測(cè)試PAD303，背 孔接地PAD為304，圖中所有區(qū)域除了307均為電鍍金屬306，采用Ni/Au直接接觸的布線層金 屬結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有在Ni和Au之間加入Ti，這種情況下測(cè)試PAD303上的金屬容易脫落，如圖5中 測(cè)試PAD標(biāo)識(shí)部分307，尤其是通過(guò)金絲連接或者與高頻探針接觸時(shí)整個(gè)PAD易被掀起，在中
6間加入Ti后可以避免這種情況的發(fā)生，所以Ni、 Au中間的Ti金屬層必不可少。
圖6為本發(fā)明Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容值曲線示意圖，圖7為本發(fā)明 Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容值曲線示意圖。圖6示出了電容面積為120X120um2 時(shí)采用Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容值曲線示意圖，在8GHz下電容值為1.857pF，圖7示出 了電容面積為120X120um2時(shí)采用新金屬布線層結(jié)構(gòu)Ti/Ni/Ti/Au/Ti的電容值曲線，在8GHz 下電容值為1.917pF，可以看出新金屬布線層結(jié)構(gòu)在電容數(shù)值上變化不是很大，并且在 110腿z 15. lGHz范圍內(nèi)電容值沒(méi)有很大波動(dòng)，沒(méi)有影響到電容的應(yīng)用。
圖8為本發(fā)明Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容的品質(zhì)因數(shù)曲線示意圖，圖9為本發(fā)明 Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容的品質(zhì)因數(shù)曲線示意圖。圖8示出了Ti/Au/Ti金屬布 線層結(jié)構(gòu)的電容在8GHz的品質(zhì)因數(shù)為9. 137，圖9示出的Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)在 8GHz的品質(zhì)因數(shù)為19. 5，在2GHz 10GHz頻段Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容品質(zhì)因 數(shù)相對(duì)于圖8中Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的電容品質(zhì)因數(shù)都有不同的提升，改善了電容特性
圖10為本發(fā)明Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)和Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)中電容的耐壓 特性曲線示意圖。如圖10所示，在相同電壓下，Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)比 Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)的直流漏電小，Ti/Ni/Ti/Au/Ti金屬布線層結(jié)構(gòu)比Ti/Au/Ti金屬布 線層結(jié)構(gòu)更加耐高壓，改善了電容性能。
傳統(tǒng)的布線層金屬(鈦/金，鈦/金/鈦等)中在加入金屬Ni完成選擇性刻蝕時(shí)，考慮到 布線層下面有Si3N4介質(zhì)層，為了改善金屬Ni與Si3N4介質(zhì)層的粘附性，必須在金屬Ni與Si3N4 介質(zhì)層之間再加一層金屬Ti，同時(shí)在布線層上面也有Si3N4介質(zhì)層，也需要加一層金屬Ti改 善介質(zhì)表面的接觸性能，使得在麗IC電路中制作的電容特性能夠提高。同時(shí)，由于金屬Ni上 面有金屬Au，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)金屬Ni與金屬Au直接接觸時(shí)，金屬Ni很容易脫落，而金屬Ti與金 屬Ni、金屬Au的接觸性能均良好，這樣中間需要有一層金屬Ti來(lái)改善金屬Ni與金屬Au的接觸 性能，這樣就形成了本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)Ti/Ni/Ti/Au/Ti。
本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)中金屬Ni的引入解決了刻蝕背孔時(shí)阻擋層的問(wèn)題，避免了布線層 金屬上面的材料被腐蝕；金屬Ni的下層金屬Ti改善了金屬Ni與Si3N4介質(zhì)層的接觸特性，結(jié) 合最上層的金屬Ti也提升了電容的性能與穩(wěn)定性，而且對(duì)電容值的改變很?。唤饘貼i的上層 金屬Ti改善了金屬Ni與金屬Au之間的粘附性能，使得金屬布線層結(jié)構(gòu)更加牢固，剝離及金屬 PAD進(jìn)行金屬連接時(shí)不易脫落，實(shí)踐證明整個(gè)金屬布線層新結(jié)構(gòu)有很好的電氣特性。
圖ll為本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)制備方法流程圖。如圖11所示，所述微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu)的制備方法包括以下步驟
步驟10:在第二Si3N4層107上旋涂光刻膠后，并通過(guò)光刻、顯影形成金屬布線層圖案。
步驟20:通過(guò)電子束蒸發(fā)的方法依次形成第一Ti層lOl、 Ni層102、第二Ti層103、 Au層 104和第三Ti層105的金屬布線層結(jié)構(gòu)，同時(shí)也形成電容下極板。
所述步驟20中不只是通過(guò)在光刻膠形成的金屬布線層圖案上蒸發(fā)金屬形成所述金屬布線 層結(jié)構(gòu)，還需要在所述第二Si3N4層107上沒(méi)有光刻膠形成的金屬布線層圖案的地方形成需要 的布線層金屬結(jié)構(gòu)。所述電子束蒸發(fā)的功率在700W左右，腔體真空度為8.5X10—6mbar，腔 體溫度為3(TC， 一般蒸發(fā)時(shí)間在30min左右。依次蒸發(fā)形成厚度為200^的第一Ti層i01、厚 度為600人的Ni層102;厚度為200人的第二Ti層103、厚度為4000人的Au層104以及厚度為 20()A的第三Ti層105。
步驟30:將光刻膠上的第一Ti層lOl、 Ni層102、第二Ti層103、 Au層104和第三Ti層105 進(jìn)行剝離。
將光刻膠上的第一Ti層lOl、 Ni層102、第二Ti層103、 Au層104和第三Ti層105的金屬布 線層結(jié)構(gòu)用丙酮浸泡30min左右進(jìn)行金屬的剝離，然后依次用丙酮和乙醇清洗干凈即可。而 在第二Si3N4層107上沒(méi)有光刻膠的位置處就會(huì)形成本發(fā)明的金屬布線層結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)布線金屬結(jié)構(gòu)的制作工藝應(yīng)用于正常電路的布線層的制作中是沒(méi)有問(wèn)題的，然而在 麗IC工藝中，由于要對(duì)所有管芯的源端和需要的并聯(lián)元件進(jìn)行共地連接，這樣就會(huì)存在一些 問(wèn)題首先，在完成背孔工藝時(shí)，金屬層通過(guò)ICP刻蝕掉SiC后，擋不住刻蝕氣流就會(huì)被腐蝕 掉，這樣就會(huì)進(jìn)一步腐蝕上面的二次介質(zhì)Si3N4和起鍍層及電鍍層金屬，就會(huì)破壞掉背孔后 通過(guò)背面電鍍金屬完成的整個(gè)電路通路的連接，所以一定要在金屬布線層中加入Ni金屬完成 對(duì)氣流的阻擋進(jìn)而保護(hù)上層材料；其次，Ni金屬上面需要同與其不能形成良好接觸的Au連接 ，也需要引入金屬Ti來(lái)改善Ni與Au的粘附性，同時(shí)在布線層上下兩面都是Si3N4介質(zhì)層，而 Ni和介質(zhì)層之間的黏附性不好，需要增加一層Ti來(lái)形成良好的接觸，這兩層Ti的引入改善了 整個(gè)金屬層的連接及MMIC中制作的電容的特性，所以采用這種新的布線層金屬結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè) 麗IC的工藝流程是相當(dāng)重要的，不僅滿足了背孔工藝的順利完成，而且兼顧了電容的相關(guān)特 性要求，對(duì)整個(gè)電路的連通性也起到了很好的作用。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之 內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu)，所述金屬布線層結(jié)構(gòu)設(shè)置在第一Si3N4層(106)和第二Si3N4層(107)之間，其特征在于，所述金屬布線層結(jié)構(gòu)包括第一Ti層(101)、設(shè)置在所述第一Ti層(101)上的Ni層(102)、設(shè)置在所述Ni層(102)上的第二Ti層(103)、設(shè)置在所述第二Ti層(103)上的Au層(104)、以及設(shè)置在所述Au層(104)上的第三Ti層(105)。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一 Si3N4層(106)的厚度為2000 A 4000 A ;所述第二Si3N4層(107)的厚度為500 A 2000 A ; 所述第一Ti層(101)的厚度為20oA 40()A;所述Ni層(102)的厚度為50oA 100()A;所述 第二Ti層(103)的厚度為20oA 40()A;所述Au層(104)的厚度為200oA 400()A;所述第 三Ti層(105)的厚度為200 A 400 A 。
3.一種微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述制備方法 包括以下步驟步驟10:在第二Si3N4層(107)上旋涂光刻膠后，并通過(guò)光刻、顯影形成金屬布線層圖案；步驟20:通過(guò)電子束蒸發(fā)的方法依次形成第一Ti層(lOl)、 Ni層(102)、第二Ti層(103) 、Au層(104)和第三Ti層(105);步驟30:將光刻膠上的第一Ti層(lOl)、 Ni層(102)、第二Ti層(103)、 Au層(104)和第 三Ti層(105)進(jìn)行剝離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 ，所述第一Si3N4層(106)的厚度為200oA 400oA;所述第二Si3N4層(107)的厚度為500^ 200C)A;所述第一Ti層(101)的厚度為20oA 40()A;所述Ni層(102)的厚度為500 A 1000 A;所述第二Ti層(103)的厚度為20oA 40()A;所述Au層(104)的厚度為2000 A 4000 A ;所述第三Ti層(105)的厚度為200 A 400 A 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微波單片集成電路中的金屬布線層結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域。所述金屬布線層結(jié)構(gòu)設(shè)置在第一Si₃N₄層和第二Si₃N₄層之間，包括第一Ti層、設(shè)置在第一Ti層上的Ni層、設(shè)置在Ni層上的第二Ti層、設(shè)置在第二Ti層上的Au層、以及設(shè)置在Au層上的第三Ti層。本發(fā)明金屬布線層結(jié)構(gòu)中的金屬Ni在通過(guò)ICP刻蝕襯底后，可以保護(hù)布線層及以上部分，使得MMIC背孔工藝可以順利進(jìn)行，并且這種結(jié)構(gòu)中的上下兩層金屬Ti改善了與Si₃N₄介質(zhì)層的粘附性，提高了電容的性能，同時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)電容值的影響不大，金屬Ni上面一層金屬Ti的引入可以改善金屬Ni與金屬Au的粘附性不好的問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01L23/52GK101661921SQ200910307518
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者劉新宇, 羅衛(wèi)軍, 顏 蒲, 陳曉娟, 珂 魏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所