專利名稱：一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用mim電容及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波內(nèi)匹配晶體管制造和集成電路以及集成電路的制造方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬-絕緣體-金屬的電容及其制造方法。
背景技術(shù)：
微波大功率晶體管由于工作頻率高，管芯面積大，管芯的輸入、輸出阻抗比較低，寄生參量對晶體管的性能影響嚴重，若直接應(yīng)用于特性阻抗為50歐姆的微波系統(tǒng)連接，由于阻抗嚴重不匹配，會導(dǎo)致晶體管無法實現(xiàn)大功率輸出，使得晶體管的性能無法充分發(fā)揮。為此，采用內(nèi)匹配網(wǎng)絡(luò)來對管芯的輸入、輸出阻抗進行提升(變換)并減少寄生參量的影響，是實現(xiàn)微波功率晶體管大功率、高增益輸出的一種有效途徑。高溫工作(200°C -300°C)的內(nèi)匹配晶體管，要求其采用的內(nèi)匹配電容也能在高溫下穩(wěn)定可靠工作。為避免加入內(nèi)匹配網(wǎng)絡(luò)后引起較大的微波損耗，對要求頻率性能較高的內(nèi)匹配晶體管常采用MOM (金屬一氧化層一金屬)電容，為提高氧化層的質(zhì)量，一般是在硅片上進行高溫?zé)嵫趸?，?后在氧化層上形成電容的一個金屬電極，此電極由于還要支撐整個電容，故一般要形成100微米左右厚的純金層，隨后去掉氧化層另一面的硅直到二氧化硅層，再在此面形成MOM電容的另一個金屬電極。可以看出，此方法不但用金量大，而且工藝上對氧化和硅片的腐蝕要求也比較嚴格，否則會影響MOM電容的成品率。隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進步，有一部份內(nèi)匹配電容采用了 MM (金屬一絕緣層一金屬)結(jié)構(gòu)，MOM電容實際也是MM電容的一個分支，MIM電容的絕緣層一般采用介質(zhì)淀積工藝來形成，由于已有金屬層的存在，淀積介質(zhì)的溫度一般不會很高，從而使介質(zhì)層的致密性受到影響，對MM電容的性能也會帶來不利的后果。同時，傳統(tǒng)的MM電容的切割是在介質(zhì)層上，介質(zhì)層經(jīng)過金剛刀或砂輪劃片刀的作用會產(chǎn)生較大的缺陷應(yīng)力，經(jīng)過后續(xù)燒結(jié)等高溫過程，該應(yīng)力會釋放，造成絕緣介質(zhì)層裂紋等缺陷，對MIM電容的長期穩(wěn)定工作形成威脅，對內(nèi)匹配晶體管的長期穩(wěn)定、可靠工作也不利。隨著SiC等高溫工作的微波功率器件的發(fā)展，對耐高溫工作的內(nèi)匹配電容的要求也不斷提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MM電容及其制造方法，所述制造方法能夠避免絕緣介質(zhì)層受到應(yīng)力的影響，所述MM電容具有優(yōu)良的微波特性和耐高溫性能，且易于加工。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容，其特征在于包括襯底、金屬下電極、絕緣介質(zhì)層和金屬上電極，所述金屬下電極固定在所述襯底的上表面，所述金屬下電極的外側(cè)包裹有絕緣介質(zhì)層，所述絕緣介質(zhì)層經(jīng)過高溫退火處理且其上設(shè)有貫穿絕緣介質(zhì)層的金屬下電極引出孔，在所述金屬下電極引出孔內(nèi)設(shè)有與所述金屬下電極固定連接的下電極引出電極，所述金屬上電極固定在所述絕緣介質(zhì)層的上表面。
優(yōu)選的:所述絕緣介質(zhì)層的厚度不低于3000A ,所述金屬上電極和金屬下電極引出電極的厚度為-10 μ m。優(yōu)選的:所述MM電容還包括固定在所述襯底下表面的金屬化層。優(yōu)選的:所述襯底的制作材料為藍寶石或碳化硅。一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容的制造方法，其特征在于包括以下步驟:
(1)第一次光刻:在襯底的上表面使用光刻出金屬下電極的圖形；
(2)金屬蒸發(fā):將襯底加熱到60°C_80°C，在襯底上蒸發(fā)1000 A -3000 A的鎳； (3)剝離多余的金屬:將在光刻膠上的金屬隨光刻膠一同去除掉，只留下金屬下電極處的金屬；
(4)淀積MM電容的絕緣介質(zhì)層:采用PECVD在具有金屬下電極的襯底表面淀積一層絕緣介質(zhì)層；
(5)致密退火處理:將上述晶圓片加熱到800°C_850°C，對其進行退火處理；
(6)第二次光刻:形成金屬下電極的引出孔，將非引出孔部分使用光刻膠作為保護掩
膜；
(7)腐蝕絕緣介質(zhì)層形成金屬下電極的引出孔；
(8)第二次去除光刻膠:將腐蝕出金屬下電極引出孔的晶圓片表面的光刻膠去除干
凈;
(9)金屬濺射:在經(jīng)過上述處理的晶圓片的上表面濺射金屬鈦-金或金屬鈦鎢-金形成種子層；
(10)第三次光刻:在種子層表面形成金屬上電極和下電極引出電極的圖形；
(11)電鍍金:對金屬上電極和下電極引出電極進行電鍍加厚，厚度1μπι-10μπι，去除光刻膠；
(12)去除并腐蝕干凈金屬上電極和下電極引出電極以外的種子層，形成金屬上電極和下電極引出電極；
(13)第四次光刻:光刻露出劃片道上的絕緣介質(zhì)層，為后續(xù)腐蝕做準(zhǔn)備；
(14)腐蝕劃片道上的絕緣介質(zhì)層:將劃片道上的絕緣介質(zhì)層腐蝕干凈；
(15)第四次去除光刻膠:將腐蝕后的MIM電容晶圓片表面的光刻膠去除干凈；
(16)劃片:將處在一個晶圓片上的MM電容分割成一個個分立的MM電容。優(yōu)選的:在進行第一次光刻之前需將襯底材料清洗干凈。優(yōu)選的:在進行第四次去除光刻膠之后，需要在襯底的下底面進行背面金屬化操作。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明在版圖設(shè)計上，增加了一次將MIM電容切割處的劃片道上的絕緣介質(zhì)層腐蝕干凈的光刻工藝，避免切割電容在絕緣介質(zhì)層上進行，而是在碳化硅或藍寶石表面進行，從而避免了電容絕緣介質(zhì)層受到應(yīng)力的影響。在制造工藝上，增加了絕緣介質(zhì)層致密工藝，避免了介質(zhì)層過于疏松的不足，同時由于采用了碳化硅或藍寶石作為電容的支撐，而不是像MOM電容那樣使用100微米厚的純金作為電容的支撐，避免了對純金過度消耗且電鍍后鍍層金存在應(yīng)力導(dǎo)致整個圓片卷曲的弊端，減少了微波內(nèi)匹配MOM電容對純金的消耗量，約100微米左右的純金層可以省略，取而代之的是采用碳化硅或藍寶石上的金屬鎳，約3000 A ,明顯地節(jié)約了貴重金屬的消耗量，也避免了對電鍍液的經(jīng)常性維護，避免了頻繁配制電鍍液的不足。另外通過高溫致密工藝的引入，提高了電容高溫工作的能力與穩(wěn)定性，還提高了內(nèi)匹配電容在一般工作條件下的長期穩(wěn)定性，對提升微波內(nèi)匹配大功率晶體管的整體電性能和可靠性及穩(wěn)定性有利。本發(fā)明有利于電容片的后續(xù)加工，既保證了 MIM微波內(nèi)匹配電容具有MOM電容的優(yōu)良的微波特性，又使該電容具有MOS電容那樣易加工的特點。所以其微波性能和穩(wěn)定性及可靠性要高于傳統(tǒng)的MIM電容，對目前基本靠手工裝架、燒結(jié)、鍵合的微波內(nèi)匹配功率晶體管的穩(wěn)定性、可靠性和總體成品率的提升都會有促進作用，提高了成品率。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。圖1是第一次光刻后的結(jié)構(gòu)示意 圖2是剝離多余的金屬并除去光刻膠后的結(jié)構(gòu)示意 圖3是淀積MIM電容的絕緣介質(zhì)層后的結(jié)構(gòu)示意 圖4是致密退火處理后的結(jié)構(gòu)示意 圖5是第二次光刻后的結(jié)構(gòu)示意 圖6是第二次光刻后經(jīng)腐蝕絕緣層介質(zhì)并去除光刻膠后的結(jié)構(gòu)示意 圖7是金屬濺射形成種子層后的結(jié)構(gòu)示意 圖8是第三次光刻后的結(jié)構(gòu)示意 圖9是電鍍金后的結(jié)構(gòu)示意 圖10是去除并腐蝕部分種子層后的結(jié)構(gòu)示意 圖11是第四次光刻后的結(jié)構(gòu)示意 圖12是腐蝕掉劃片道處的絕緣層介質(zhì)并去除第四次光刻膠后的結(jié)構(gòu)示意 圖13是對晶圓片的背面進行金屬化后的結(jié)構(gòu)示意 圖14是劃片后形成的第一種MIM電容的結(jié)構(gòu)示意 圖15是劃片后形成的第二種MIM電容的結(jié)構(gòu)示意 其中:1、襯底2、金屬下電極3、金屬上電極4、下電極引出電極5、金屬上電極6、金屬化層7、第一次光刻顯影后的光刻膠8、第二次光刻顯影后的光刻膠9、金屬下電極的引出孔10、種子層11、第三次光刻顯影后的光刻膠12、第四次光刻顯影后的光刻膠。
具體實施例方式如圖14所示，一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容，包括襯底1、金屬下電極2、絕緣介質(zhì)層3和金屬上電極5。所述金屬下電極2固定在所述襯底I的上表面，所述金屬下電極2的外側(cè)包裹有絕緣介質(zhì)層3，所述絕緣介質(zhì)層3經(jīng)過高溫退火處理且其上設(shè)有貫穿絕緣介質(zhì)層的金屬下電極引出孔9，在所述金屬下電極引出孔9內(nèi)設(shè)有與所述金屬下電極2固定連接的下電極引出電極4，所述金屬上電極5固定在所述絕緣介質(zhì)層3的上表面。如圖15所示，一種耐高溫的 微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容，與圖14所示的電容不同之處在于:在襯底的背面設(shè)有金屬化層。一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容的制造方法，包括以下步驟:
1、首先要將本發(fā)明所采用襯底材料清洗干凈，襯底材料要求在850°C左右不與所采用的金屬下電極材料產(chǎn)生明顯的合金或化學(xué)反應(yīng)并且自身也要保持穩(wěn)定，不至于有有害物質(zhì)釋放，襯底為SiC或藍寶石等穩(wěn)定性較高材，目的是保證光刻膠及隨后的金屬與該襯底材料保持良好的粘附。2、第一次光刻:目的是光刻出MM金屬下電極的圖形，由于隨后要進行金屬蒸發(fā)，所以要求此光刻形成的光刻圖形最好是倒梯形或圖1所示的“T”型。3、金屬蒸發(fā):為保證金屬與襯底表面粘附良好，金屬蒸發(fā)時可采用將襯底加熱到60-80°C，若還有粘附問題，可在蒸發(fā)金屬鎳之前，先蒸發(fā)10-15 Λ的金屬鈦，然后再蒸發(fā)1000-3000 A 的鎳。4、剝離多余的金屬:將在光刻膠上的金屬隨光刻膠一同去除掉，只留下MIM金屬下電極處的金屬，如圖2所示。5、淀積MIM電容的絕緣層介質(zhì):采用PECVD即等離子體增強化學(xué)氣相沉積法在具有金屬下電極的襯底表面淀積一層絕緣介質(zhì)層，如圖3所示，其厚度與電容值的大小要求有關(guān)，但為保證MM電容的成品率，一般此層介質(zhì)不低于3000 A ,同時為避免顆粒等缺陷對電容質(zhì)量的影響，最好采用兩層絕緣介質(zhì)淀積，也可采用兩種或兩種以上不同的絕緣介質(zhì)層淀積如二氧化硅和氮化硅與二氧化硅的復(fù)合絕緣介質(zhì)層，其目的也是為提高絕緣介質(zhì)層的完整性。6、致密退火處理:由于PECVD形成絕緣介質(zhì)時的溫度比較低，絕緣介質(zhì)層中會存在一些孔洞或氫元素，如圖3所示，其對MIM電容的穩(wěn)定工作不利，所以本發(fā)明增加了絕緣介質(zhì)層的高溫致密退火工藝，由于本發(fā)明采用了碳化硅或藍寶石襯底，其在850°C時不會與已存在的金屬下電極發(fā)生明顯的合金或化學(xué)反應(yīng)，保證了 MM電容下電極金屬的穩(wěn)定性，致密后的介質(zhì)層如圖4所示，絕緣介質(zhì)層的孔洞消失，結(jié)構(gòu)更加致密。7、第二次光刻:目的是形成MIM金屬下電極的引出孔，將非引出部分用光刻膠作為保護掩膜，如圖5所示。8、腐蝕絕緣介質(zhì)層:形成金屬下電極的引出孔。9、第二次去除光刻膠:將腐蝕出金屬下電極的引出孔的晶圓片表面的光刻膠去除干凈，如圖6所示。10、金屬濺射:在經(jīng)過上述處理的晶圓片表面大面積濺射金屬鈦-金或金屬鈦鎢-金；鈦或鈦鎢層的目的是與絕緣介質(zhì)層和金屬下電極的鎳層形成良好的粘附性，金金屬的存在是為實現(xiàn)MM金屬電極電鍍加厚而形成的種子層，如圖7所示。11、第三次光刻:在種子層表面形成MIM金屬上電極和下電極引出電極圖形,如圖8所示。12、電鍍金:對MM金屬上電極和下電極引出電極進行電鍍加厚，厚度一般控制在
1-10 μ m,如圖9所示。13、去膠并腐蝕金屬上電極和下電極引出電極以外的種子層:形成MM電容的金屬上電極和下電極引出電極， 如圖10所示，在金屬上電極的下面和下電極引出電極處實際還有種子層，由于其與加厚的電鍍金合為一體，故本圖及隨后的示意圖中未再標(biāo)出種子層，將來內(nèi)匹配器件的內(nèi)匹配引線可在此兩處金屬上根據(jù)設(shè)計需要進行金屬引線的鍵合。14、第四次光刻:目的是露出劃片道上的絕緣介質(zhì)層，為后續(xù)腐蝕做準(zhǔn)備，如圖11所示。15、腐蝕劃片道上的絕緣介質(zhì)層:將劃片道上的絕緣介質(zhì)層腐蝕干凈。目的是避免劃片道上的絕緣介質(zhì)層在機械劃片時受到應(yīng)力破壞，在隨后的高溫下，應(yīng)力擴展，形成裂紋，并伸向MIM電容，對電容的穩(wěn)定性和可靠性不利。16、第四次去除光刻膠:將腐蝕后的MIM電容晶圓片表面的光刻膠去除干凈，如圖12所示。17、背面金屬化:目的是使電容與管座實現(xiàn)良好的連接，若采用膠粘接工藝，則背面金屬化工藝可以省略。18、劃片:將形成在一個晶圓片上的MM電容分割成一個個分立的MM電容，如圖14或圖15所示，備后續(xù)的內(nèi)匹配功率晶體管裝架使用。傳統(tǒng)的MM電容一般是在硅或砷化鎵襯底上進行，由于金屬與硅或砷化鎵材料容易發(fā)生合金反應(yīng)，所以電容絕緣介質(zhì)層的形成溫度一般不會超過350°C，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)層過于疏松，對MIM電容的穩(wěn)定性不利。本發(fā)明采用SiC或藍寶石作為襯底，由于SiC及藍寶石的穩(wěn)定性，其與金屬發(fā)生明顯反應(yīng)的溫度一般要大于900°C，所以能保證本發(fā)明的MM電容金屬電極的穩(wěn)定性，在淀積絕緣層介質(zhì)后，還可采用800— 850°C的高溫對絕緣介質(zhì)層進行致密退火處理，避免絕緣介質(zhì)層內(nèi)孔洞現(xiàn)象的存在，即絕緣介質(zhì)層過于疏松，在一定程度上避免了金屬與絕緣介質(zhì)層粘附不牢的現(xiàn)象，從而提高了本發(fā)明MM電容的穩(wěn)定性與可靠性，也有利于該電容的微波 性能的提升。由于絕緣介質(zhì)層致密性的提高，也避免了因后續(xù)燒結(jié)、引線鍵合對電容表面施加超聲功率等壓力對疏松介質(zhì)層的破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)電容短路等不良現(xiàn)象。提高了微波內(nèi)匹配功率器件裝管的總成品率。為避免劃片對絕緣介質(zhì)層的破壞，在電容片工藝完成后，本發(fā)明增加了一次對劃片道的介質(zhì)層的光刻工藝，目的是將劃片道上的絕緣介質(zhì)層在劃片之前腐蝕干凈，從而避免了劃片刀具在介質(zhì)層上留下的損傷，也就避免了此損傷在后續(xù)燒結(jié)等高溫過程中出現(xiàn)應(yīng)力釋放，造成介質(zhì)層出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，提高了內(nèi)匹配電容的穩(wěn)定性與成品率。本發(fā)明還減少了微波內(nèi)匹配電容對純金的消耗量，約100微米左右的純金層可以省略，取而代之的是采用碳化硅或藍寶石上的金屬鎳，約3000 A,明顯地節(jié)約了貴重金屬的消耗量，也避免了對電鍍液的經(jīng)常性維護，避免了頻繁配制電鍍液的不足。本發(fā)明的電容絕緣介質(zhì)的致密性由于經(jīng)過了較高的溫度處理，其要優(yōu)于一般采用PECVD形成絕緣介質(zhì)層后直接形成MIM電容的絕緣介質(zhì)層的致密性。所以其微波性能和穩(wěn)定性及可靠性要高于傳統(tǒng)的MIM電容，對目前基本靠手工裝架、燒結(jié)、鍵合的微波內(nèi)匹配功率晶體管的穩(wěn)定性、可靠性和總體成品率的提升都會有促進作用。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容，其特征在于包括襯底(I)、金屬下電極(2 )、絕緣介質(zhì)層(3 )和金屬上電極(5 )，所述金屬下電極(2 )固定在所述襯底(I)的上表面，所述金屬下電極(2 )的外側(cè)包裹有絕緣介質(zhì)層(3 )，所述絕緣介質(zhì)層(3 )經(jīng)過高溫退火處理且其上設(shè)有貫穿絕緣介質(zhì)層的金屬下電極引出孔(9)，在所述金屬下電極引出孔(9)內(nèi)設(shè)有與所述金屬下電極(2)固定連接的下電極引出電極(4)，所述金屬上電極(5)固定在所述絕緣介質(zhì)層(3)的上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容，其特征在于所述絕緣介質(zhì)層(3)的厚度不低于3000A ,所述金屬上電極(5)和金屬下電極引出電極(4)的厚度為Iym -10 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容，其特征在于所述MIM電容還包括固定在所述襯底下表面的金屬化層(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容，其特征在于所述襯底(I)的制作材料為藍寶石或碳化硅。
5.一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容的制造方法，其特征在于包括以下步驟: (1)第一次光刻:在襯底的上表面使用光刻出金屬下電極的圖形； (2)金屬蒸發(fā):將襯底加熱到60°C_80°C，在襯底上蒸發(fā)1000.\ -3000.\的鎳； (3)剝離多余的 金屬:將在光刻膠上的金屬隨光刻膠一同去除掉，只留下金屬下電極處的金屬； (4)淀積MM電容的絕緣介質(zhì)層:采用PECVD在具有金屬下電極的襯底表面淀積一層絕緣介質(zhì)層； (5)致密退火處理:將上述晶圓片加熱到800°C_850°C，對其進行退火處理； (6)第二次光刻:形成金屬下電極的引出孔，將非引出孔部分使用光刻膠作為保護掩膜； (7 )腐蝕絕緣介質(zhì)層形成金屬下電極的引出孔(9 ); (8)第二次去除光刻膠:將腐蝕出金屬下電極引出孔的晶圓片表面的光刻膠去除干凈; (9)金屬濺射:在經(jīng)過上述處理的晶圓片的上表面濺射金屬鈦-金或金屬鈦鎢-金形成種子層(10); (10)第三次光刻:在種子層表面形成金屬上電極和下電極引出電極的圖形； (11)電鍍金:對金屬上電極和下電極引出電極進行電鍍加厚，厚度1μπι-10μπι，去除光刻膠； (12)去除并腐蝕干凈金屬上電極和下電極引出電極以外的種子層，形成金屬上電極和下電極引出電極； (13)第四次光刻:光刻露出劃片道上的絕緣介質(zhì)層，為后續(xù)腐蝕做準(zhǔn)備； (14)腐蝕劃片道上的絕緣介質(zhì)層:將劃片道上的絕緣介質(zhì)層腐蝕干凈； (15)第四次去除光刻膠:將腐蝕后的MIM電容晶圓片表面的光刻膠去除干凈； (16)劃片:將處在一個晶圓片上的MM電容分割成一個個分立的MM電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MM電容的制造方法，其特征在于在進行第一次光刻之前需將襯底材料清洗干凈。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MM電容的制造方法，其特征在于在進行第四次去除光刻膠之后，需要在襯底的下底面進行背面金屬化操作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耐高溫的微波內(nèi)匹配晶體管用MIM電容及其制造方法，涉及集成電路以及集成電路的制造方法技術(shù)領(lǐng)域。所述電容包括襯底、金屬下電極、絕緣介質(zhì)層和金屬上電極，所述金屬下電極固定在所述襯底的上表面，所述金屬下電極的外側(cè)包裹有絕緣介質(zhì)層，所述絕緣介質(zhì)層上設(shè)有貫穿絕緣介質(zhì)層的金屬下電極引出孔，在所述金屬下電極引出孔內(nèi)設(shè)有與所述金屬下電極固定連接的下電極引出電極，所述金屬上電極固定在所述絕緣介質(zhì)層的上表面。所述制造方法能夠避免絕緣介質(zhì)層受到應(yīng)力的影響，所述MIM電容具有優(yōu)良的微波特性和高溫工作特性，且易于加工。
文檔編號H01L23/522GK103219318SQ20131012671
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者潘宏菽, 馬杰, 劉亞男 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所