CN101060027B - 抑制衬底涡流效应的微电子机械电感及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
抑制衬底涡流效应的微电子机械电感以GaAs(1)为衬底，在GaAs衬底(1)的上表面有一层AlGaAs薄膜(2)，在AlGaAs薄膜(2)的上表面有一层SiN介质层(3)，电感的上层线圈(5)悬空在SiN介质层(3)的上方，电感的上层线圈(5)的中心与位于AlGaAs薄膜(2)上的电感的下层引线(4)连接，电感的上层线圈(5)的外边缘连接第一共面波导信号线(61)；接地屏障(7)为插指形状连接在共面波导地线的内侧并位于电感器上层线圈(5)与AlGaAs薄膜(2)之间；第一共面波导信号线(61)、第二共面波导信号线(62)和第一共面波导地线(81)、第二共面波导地线(82)共同构成共面波导传输线。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于共面波导传输线的能够抑制衬底涡流效应的微电子机械电感及其制备方法，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
在微波通讯领域中，共面波导传输线可以方便的连接外部元器件，如电阻、电容和电感等组成微波电路。此类传输线不必像微带线那样要在基片上通孔，因而越来越广泛的应用在微波集成电路中。同时，微波集成电路中高品质因数的电感是非常重要的，它能大大减小振荡器和放大器的相位噪声或功率损耗，使匹配网络和滤波器具有较低损耗。电感的品质因数定义为电感存储的磁能与电感一周期内消耗的能量的比值，平面螺旋电感的损耗主要来自两个方面：螺旋电感金属导体的欧姆损耗和衬底损耗，其中衬底损耗主要是因为电感器线圈产生的磁场进入非绝缘性衬底引起衬底涡流，即电感和衬底间的容性耦合所导致的传导和位移电流造成的。由于受到金属欧姆损耗和衬底损耗的双重影响，平面螺旋电感的品质因数一直比较低，尤其在射频应用中，此时衬底损耗是影响电感性能的主要因素。但是，利用标准的薄膜、平面微电子工艺很难实现射频工作下的高品质因数(Q＞10)的片上电感，使电感成为射频集成电路的主要瓶颈之一。微电子机械系统(MEMS)技术超强的微精细加工能力和易与传统集成电路工艺兼容的特点使之成为实现具有高品质因数、高谐振频率和小型化片上电感器的有效途径。
通过对现有技术文献的检索发现，目前具有抑制衬底涡流效应的电感的实现类似于文献Olive H.Murphy，Kevin G.McCarthy，Design ofMultiple-Metal Stacked Inductors Incorporating an Extended PhysicalModel，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.53，no.6，pp.2063-2072，Jun.2005.(多层金属互联电感的设计和物理模型)中采用的金属线互连工艺将电感结构下的屏障接地，这增加了成本和设计难度而且电感的品质因数很难超过15。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种抑制衬底涡流效应的微电子机械电感及其制备方法，在减少衬底的涡流损耗的同时减少射频下电感的其他各种损耗，提高电感的品质因数，该电感的制作工艺与传统平面集成电路工艺相兼容，增加了本发明的实用性。
技术方案：本发明针对基于共面波导传输线和标准砷化镓(GaAs)工艺的片上电感，通过部分延伸共面波导的地线至电感结构下方，形成有效的接地屏障，它相当于将衬底用小电阻短路来减小流向衬底的电流，从而抑制衬底涡流效应，将接地屏障设计成插指形状可以防止产生镜像电流；同时通过牺牲层形成和释放、背面刻蚀衬底等工艺进一步减少损耗，实现该微机械电感的工艺与传统IC工艺兼容。
本发明提出的抑制涡流效应的微电子机械电感包括：标准砷化镓GaAs衬底，铝镓砷AlGaAs薄膜，氮化硅SiN介质层，电感下层引线，电感器上层线圈，共面波导地线，共面波导信号线和接地屏障。
该电感以GaAs衬底为衬底，在GaAs衬底的上表面有一层AlGaAs薄膜，在AlGaAs薄膜的上表面有一层SiN介质层，电感的上层线圈(悬空在SiN介质层的上方，电感的上层线圈的中心与通过AlGaAs薄膜上的电感下层引线与第二共面波导信号线连接，电感的上层线圈的外边缘连接第一共面波导信号线；接地屏障为插指形状连接在共面波导地线的内侧并位于电感上层线圈与AlGaAs薄膜之间；第一共面波导信号线、第二共面波导信号线和第一共面波导地线第二共面波导地线共同构成共面波导传输线。
其中的接地屏障与共面波导地线连接，从共面波导线的地线部分延伸出来，外形为插指形状并位于电感上层线圈的下方；
其中的电感上层线圈通过牺牲层的释放得以悬空；
其中的标准砷化镓GaAs衬底为减薄衬底(厚度为100微米)；
本发明的抑制涡流效应的微电子机械电感的制备方法具体包括以下步骤：
第一步.准备衬底，选用未掺杂的半绝缘砷化镓作为GaAs衬底；
第二步.外延生长铝镓砷AlGaAs薄膜：铝镓砷作为腐蚀自停止层，并将铝镓砷(AlGaAs)自停止层进行半绝缘化处理；
第三步.涂光刻胶并光刻刻蚀出共面波导传输线、电感下层引线和与地线连接的接地屏障的形状；
第四步.第一次溅射Ti/Au/Ti层，形成用于电镀的底金种子层；
第五步.第一次光刻Ti/Au/Ti层，保留不需要电镀的地方的光刻胶；
第六步.第一次电镀Au层；
第七步.反刻Au层，腐蚀底金种子层，光刻形成共面波导传输线、电感器下层引线和接地屏障；
第八步.光刻、淀积SiN介质层：用PECVD工艺生长SiN绝缘层并光刻；
第九步.在SiN介质层上淀积聚酰亚胺牺牲层；
第十步.第二次溅射Ti/Au/Ti层：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti层，形成用于电镀电感器线圈的底金种子层；
第十一步.第二次光刻Ti/Au/Ti层，保留不需要电镀的地方的光刻胶；
第十二步.第二次电镀Au层：在55°氰基溶液中电镀金；
第十三步.释放聚酰亚胺牺牲层：丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液融解电感线圈下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，至此步骤电感线圈悬空；
第十四步.背面刻蚀GaAs衬底至AlGaAs阻挡层。
本发明中接地屏障由共面波导传输线的地线延伸至电感结构下方，不仅实现方便，而且效果更加明显，在此基础上，引入了与传统微电子工艺兼容的MEMS工艺(牺牲层释放、衬底背面刻蚀)进一步减小了电感的衬底涡流损耗，获得了品质因数大于22的新型微机械电感。
有益效果：本发明由于特殊工艺步骤产生插指形接地屏障，可以有效抑制衬底涡流效应，可在相同工艺步骤的情况下提高品质因数超过18；同时该工艺通过牺牲层的释放使得电感线圈得以完全悬空，可以进一步减少常规电感器的衬底损耗，使得品质因数能够超过22，谐振频率超过12GHz；另外本发明提供的电感由于使用共面波导传输线，其高频稳定的特性更加便于与微波电路连接和测试，也满足高性能的微波集成电路的应用要求。
附图说明
图1是由本发明方法制备出的微机械电感正面俯视图；
图2是图一的微机械电感的A-A面剖视图；
图3是本发明方法工艺流程图；
以上图中有：GaAs衬底1，AlGaAs薄膜2，SiN介质层3，电感器下层引线4，电感器上层线圈5，第一共面波导信号线61，第二共面波导信号线62，接地屏障7，第一共面波导地线81，第二共面波导地线82。
图4是传统平面电感与本发明方法制备出的微机械电感的品质因数比较。自下而上分别是：
1)现有技术制成的平面电感的品质因数曲线；
2)按照本发明方法制成的未释放牺牲层的微机械电感，即进行至本方法第十二步的工艺下制成的微机械电感的品质因数曲线；
3)按照本发明方法最终制成的衬底掏空后的微电子机械电感的品质因数曲线。
具体实施方案
以下结合附图对本发明步骤的实际应用进行详细说明。
如图1和图2所示为本发明方法制备出的微机械电感的示意图，包括砷化镓(GaAs)衬底1，铝镓砷(AlGaAs)薄膜2，氮化硅(SiN)介质层3，电感下层引线4，电感上层线圈5，第一共面波导信号线61，第二共面波导信号线62，接地屏障7和第一共面波导地线81，第二共面波导地线82；该电感以GaAs衬底1为衬底，在GaAs衬底1的上表面有一层AlGaAs薄膜2，在AlGaAs薄膜2的上表面有一层SiN介质层3，电感的上层线圈5悬空在SiN介质层3的上方，电感的上层线圈5的中心通过AlGaAs薄膜2上电感的下层引线4与第二共面波导信号线62连接，电感的上层线圈5的外边缘连接第一共面波导信号线61；接地屏障7为插指形状连接在共面波导地线8的内侧并位于电感器上层线圈5与AlGaAs薄膜2之间；第一共面波导信号线61，第二共面波导信号线62和第一共面波导地线81，第二共面波导地线82共同构成共面波导传输线。
其中的接地屏障7从共面波导线的地线部分延伸出，外形为插指形并位于电感上层线圈5下方；
其中的电感上层线圈5通过聚酰亚胺牺牲层的释放得以悬空；
其中的砷化镓GaAs衬底1为减薄衬底(厚度为100微米)；
背面掏空电感线圈5下方的GaAs衬底至AlGaAs薄膜；
如图3所示，本发明具体的应现工艺包括以下步骤(图3为简单电感结构的工艺流程图，并非对应图2中结构)：
第一步.准备衬底：选用未掺杂的半绝缘砷化镓(GaAs，100微米)作为衬底(1)；
第二步.外延生长铝镓砷(AlGaAs)薄膜2：铝镓砷作为腐蚀自停止层，并将铝镓砷(AlGaAs)自停止层进行半绝缘化处理；
第三步.光刻共面波导、接地屏障及下层引线的形状：涂光刻胶9并光刻刻蚀出第一共面波导信号线61、第二共面波导信号线62、第一共面波导地线81、第二共面波导地线82，电感下层引线4和与地线连接的接地屏障7的形状；
第四步.第一次溅射Ti/Au/Ti层10：溅射800/300/2200
厚的钛/金/钛(Ti/Au/Ti)层，形成用于电镀的底金种子层；
第五步.第一次光刻Ti/Au/Ti层：光刻钛/金/钛(Ti/Au/Ti)层，保留不需要电镀的地方的光刻胶9；
第六步.第一次电镀Au层11：电镀金(Au)，厚度为0.3微米；
第七步.反刻Au层，腐蚀底金种子层：反刻金(Au)层，腐蚀底金种子层，形成共面波导传输线、电感下层引线和接地屏障；
第八步.光刻、淀积SiN介质层3：用PECVD工艺生长1000
的SiN绝缘层并光刻；
第九步.淀积聚酰亚胺牺牲层12：淀积1.6微米厚的聚酰亚胺牺牲层；
第十步.第二次溅射Ti/Au/Ti层10：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300形成用于电镀电感线圈的底金种子层；
第十一步.第二次光刻Ti/Au/Ti层10：光刻钛/金/钛(Ti/Au/Ti)层，保留不需要电镀的地方的光刻胶；
第十二步.第二次电镀Au层11：在55°氰基溶液中电镀金，电镀金层的厚度为2微米；
第十三步.释放聚酰亚胺牺牲层12：丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液融解电感线圈下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水；
第十四步.背面刻蚀至AlGaAs阻挡层2：背面刻蚀砷化镓衬底1至铝镓砷(AlGaAs)阻挡层。
Claims (2)
1.一种抑制衬底涡流效应的微电子机械电感，其特征在于该电感以GaAs衬底(1)为衬底，在GaAs衬底(1)的上表面有一层AlGaAs薄膜(2)，在AlGaAs薄膜(2)的上表面有一层SiN介质层(3)，电感的上层线圈(5)悬空在SiN介质层(3)的上方，电感的上层线圈(5)的中心通过AlGaAs薄膜(2)上的电感下层引线(4)与第二共面波导信号线(62)连接，电感的上层线圈(5)的外边缘连接第一共面波导信号线(61)；接地屏障(7)为插指形状连接在第一共面波导地线(81)和第二共面波导地线(82)上的内侧，并位于电感上层线圈(5)与AlGaAs薄膜(2)之间；第一共面波导信号线(61)、第二共面波导信号线(62)和第一共面波导地线(81)、第二共面波导地线(82)共同构成共面波导传输线。
2.一种如权利要求1所述的抑制衬底涡流效应的微电子机械电感的制备方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：
第一步.准备衬底，选用未掺杂的半绝缘砷化镓作为GaAs衬底(1)；
第二步.在GaAs衬底(1)外延生长AlGaAs薄膜(2)：AlGaAs作为腐蚀自停止层，并将铝镓砷(AlGaAs)自停止层进行半绝缘化处理；
第三步.在AlGaAs薄膜(2)上涂光刻胶(9)并光刻共面波导传输线、接地屏障及下层引线：光刻刻蚀出共面波导传输线、电感下层引线(4)和与地线连接的接地屏障(7)；
第四步.在整个表面上第一次溅射Ti/Au/Ti层(10)，形成用于电镀的底金种子层；
第五步.第一次光刻Ti/Au/Ti层，保留不需要电镀的地方的光刻胶(9)；
第六步.在除了保留有光刻胶的不需要电镀的地方外的整个表面上第一次电镀Au层(11)；
第七步.反刻Au层(11)，腐蚀底金种子层，光刻形成共面波导传输线，电感下层引线(4)和接地屏障(7)；
第八步.在整个表面上淀积SiN介质层(3)后光刻：用PECVD工艺生长SiN介质层并光刻；
第九步.在SiN介质层(3)上淀积聚酰亚胺牺牲层(12)；
第十步.第二次溅射Ti/Au/Ti层(10)：在聚酰亚胺层(12)上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti层(10)，形成用于电镀电感线圈的底金种子层；
第十一步.第二次光刻Ti/Au/Ti层(10)，保留不需要电镀的地方的光刻胶；
第十二步.在除了保留有光刻胶的不需要电镀的地方外的整个表面上第二次电镀Au层(11)：在55℃氰基溶液中电镀金；
第十三步.释放聚酰亚胺牺牲层(12)：丙酮去除残留的光刻胶，然后用显影液融解电感线圈下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，至此步骤电感线圈悬空；
第十四步.背面刻蚀GaAs衬底(1)至AlGaAs薄膜(2)。
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