CN101143701A - 射频微机械串联接触式开关的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及射频微机械串联接触式开关的制作方法，属于半导体器件及集成电路制作技术领域，该方法包括：以硅片为衬底，并进行清洗；溅射、电镀、淀积、光刻、刻蚀形成共面波导和下电极；旋涂并固化牺牲层，溅射金属，淀积介质；图形化形成带系列小孔的桥膜开关；侧向钻蚀；释放牺牲层。本方法可以避免介质桥膜的应力集中问题，改善开关的机械可靠性，提高开关的成品率和使用寿命；同时，本方法与CMOS工艺兼容，可望得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件及集成电路制作技术领域，特别涉及射频微机械串联接触式开关的制作方法，旨在改善开关的机械可靠性，提高开关的使用寿命。
背景技术
上世纪九十年代以来，无线通讯系统的集成度不断提高，利用硅工艺制作单片射频集成电路(RFIC)，成为目前的研究热点。集成电路广泛采用CMOS工艺，而传统的无源元件，多为分立器件，无法与IC集成。微机械(MEMS)技术大部分与CMOS工艺兼容，能够实现无源器件小型化和集成化的目的，可望为硅RFIC提供了新的解决方案。开关是重要的一类无源器件，在雷达系统(5-94GHz)、卫星通信系统(12-35GHz)、无线通信系统(0.8-6GHz)和测量仪器系统(0.01-50GHz)中都有重要的应用。因此，用微机械技术制作开关具有重要的研究意义。微机械开关分为多种不同类型，其中，串联接触式微机械开关，由于其在低频宽带范围内的良好性能，具有广阔的应用前景。人们常采用静电驱动的两端支撑桥作为开关的功能部件，并用导电金属或者绝缘介质作为桥膜的材料。然而，采用金属桥材料，为了隔离微波信号和控制信号，需要额外的高阻偏置线与电极串联，这增加了制作工艺的复杂性。采用介质桥材料，可以自然隔离微波信号和控制信号，但是需要关注介质桥的机械可靠性。
介质桥的机械失效主要发生在应力集中区，应力集中区主要是在制作过程中产生。制作介质桥串联接触式开关，特别是介质桥以及附带的电极、接触金属的常见方法如图1所示：
(1)以硅片为衬底，并进行清洗；在硅片正面，通过溅射、电镀、淀积、光刻、刻蚀等表面微机械工艺形成共面波导地线、带凸点的共面波导信号、和表面覆盖绝缘介质层的下电极。
(2)在上述绝缘介质层上旋涂并固化牺牲层1后，真空溅射一层金属2，如图1(a)所示。
(3)在金属层2上以光刻胶作为掩膜，图形化该金属层，形成中间的接触金属21和两侧的上电极22，如图1(b)所示。
(4)再在上述图形化该金属层上淀积介质层，并刻蚀成桥膜的形状，形成开关介质桥3，如图1(c)所示。
(5)最后干法释放牺牲层，得到悬浮的开关介质桥结构，如图1(d)所示。
由于微机械技术采用的是表面加工工艺，上层膜随下面拓朴形状的变化而变化，因此，介质桥在下层金属层不连续区域处淀积时，会形成起伏，并造成应力集中。制作得到的开关容易在该处发生机械断裂而失效。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术之不足，提出一种射频微机械串联接触式开关的制作方法，旨在避免桥膜应力集中区的形成，提高开关的机械可靠性，增加制作成品率，改善开关的工作寿命。
本发明的射频微机械串联接触式开关的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以硅片为衬底，并进行清洗；在硅片正面，通过溅射、电镀、淀积、光刻、刻蚀等表面微机械工艺形成共面波导地线、带凸点的共面波导信号、和表面覆盖绝缘介质层的下电极；
(2)在上述绝缘介质层上面旋涂并固化牺牲层后，真空溅射一层金属；
(3)直接在金属层上淀积一层介质层，然后图形化介质层和金属层，形成带系列小孔的开关桥膜；
(4)在上述图形上旋涂光刻胶4并进行光刻，然后在光刻胶的保护下，用刻金属溶液通过小孔对金属层进行侧向钻蚀，形成中间的接触金属和两侧的上电极，；
(5)最后干法释放牺牲层，得到悬浮的开关介质桥结构。
上述第(1)步的具体步骤可为：
(11)备片、清洗、氧化：以厚度为400-600μm、单面抛光的高阻硅片作为衬底，采用硫酸+双氧水煮沸的方法进行清洗后，用去离子水漂洗并烘干，再将硅片放入氧化炉中，在1000-1100°C下与纯氧化反应，在硅片抛光面生成600-1000nm厚的氧化层(SiO2)；
(12)第一次光刻、形成凸点：对生成的SiO2层进行光刻，暴露出需要刻蚀的区域，用缓冲氢氟酸溶液进行刻蚀并控制时间，形成200-400nm左右高的凸点形状，并保留剩余的SiO2作为阻挡层，然后去除光刻胶；
(13)溅射铜(Cu)种籽层：在SiO2层上面溅射200-400nm厚的Cu作为种籽层；
(14)第二次光刻、电镀Cu：用光刻厚胶在Cu种籽层上方形成电镀模具，并在酸性硫酸铜溶液中电镀，形成约1.5-3μm厚的Cu层图形；
(15)溅射金(Au)层：在上述图形上面溅射200-400nm厚的Au层，作为开关的接触材料。
(16)正胶剥离：将硅片浸泡在丙酮溶液中，在超声水浴环境下，对胶上Au层进行正胶剥离。
(17)去种籽层：在Au层的保护下，用硫酸+双氧水进行刻蚀，去除剩余的Cu种籽层，形成波导和下电极结构。
(18)淀积氮化硅(SiN)绝缘层、第三次光刻：采用增强等离子体化学气体淀积(PECVD)工艺在上述图形上面淀积200-400nm厚SiN层，并进行第三次光刻，用反应离子刻蚀(RIE)方法图形化SiN，形成在下电极上方的绝缘层，随后去除光刻胶。
上述第(2)步骤中，牺牲层可为4-6μm厚的聚酰亚胺(PI)，金属层可为真空溅射的200-400nm厚的Au层。
上述第(3)步骤中，介质层可为PECVD工艺淀积的500-700nm厚的氮氧化硅(SiON)。
上述第(4)步骤中，采用的刻金属溶液为碘/碘化钾溶液，各成分配比为：碘化钾∶碘∶水＝5-15g∶1-4g∶50-150ml。
本发明的特点及有益效果：
采用上述工艺流程，主要是上述第(4)步中的侧向钻蚀工艺，可以获得平整的介质桥膜，避免应力集中区的形成，改善开关机械可靠性，增加制作成品率，提高开关工作寿命。同时，与CMOS工艺兼容的整套制作过程，可以大大提高系统的集成度，降低系统成本要，可望得到广泛应用。
附图说明
图1为制作开关介质桥以及附带的电极、接触金属常见方法的工艺流程图，其中：
图1(a)为在牺牲层上溅射金属层后的剖面图；
图1(b)为图形化上电极和接触金属后的剖面图；
图1(c)为淀积介质并完成桥膜图形化后的剖面图；
图1(d)为释放牺牲层后的剖面图。
图2为本发明制作开关介质桥以及附带的电极、接触金属侧向钻蚀法的工艺流程图，其中：
图2(a)为在PI牺牲层上溅射Au层后的剖面图；
图2(b)为淀积SiON并完成桥膜图形化后的剖面图；
图2(c)为侧向钻蚀过程中的剖面图；
图2(d)为释放牺牲层后的剖面图。
图3为本发明方法制作射频微机械串联接触式开关的工艺步骤实施例流程图。
图3(1)为氧化后的剖面图
图3(2)为制备凸点后的剖面图
图3(3)为溅射铜种籽层后的剖面图
图3(4)为电镀后的剖面图
图3(5)为溅射金后的剖面图
图3(6)为正胶剥离后的剖面图
图3(7)为去除剩余种籽层后的剖面图
图3(8)为形成下电极上绝缘层后的剖面图
图3(9)为旋涂并固化牺牲层后的剖面图
图3(10)为溅射金层并淀积氮氧化硅层后的剖面图
图3(11)为氮氧化硅层、金层刻蚀成带孔桥膜后的剖面图
图3(12)为侧向钻蚀法刻蚀金层的剖面图
图3(13)为释放牺牲层后的剖面图
具体实施方式
本发明的一种射频微机械串联接触式开关的制作方法结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)以硅片为衬底，并进行清洗；在硅片正面，通过溅射、电镀、淀积、光刻、刻蚀等表面微机械工艺形成共面波导地线、带凸点的共面波导信号、和表面覆盖绝缘介质层的下电极(图中未示出)；
(2)在上述绝缘介质层上面旋涂并固化牺牲层1后，真空溅射一层金属2，如图2(a)所示。
(3)直接在金属层2上淀积一层介质层3，然后图形化介质层3和金属层2，形成带系列小孔31的开关桥膜，如图2(b)所示。
(4)在上述图形上旋涂光刻胶4并进行光刻，然后在光刻胶的保护下，用刻金属溶液通过小孔31对金属层2进行侧向钻蚀，形成中间的接触金属21和两侧的上电极22，如图3(c)所示。
(5)最后干法释放牺牲层，得到悬浮的开关介质桥结构，如图2(d)所示。
上述第(1)步的具体步骤可为：
(11)备片、清洗、氧化：以厚度为400-600μm、单面抛光的高阻硅片作为衬底，采用硫酸+双氧水煮沸的方法进行清洗后，用去离子水漂洗并烘干，再将硅片放入氧化炉中，在1000-1100℃下与纯氧化反应，在硅片抛光面生成600-1000nm厚的氧化层(SiO2)；
(12)第一次光刻、形成凸点：对生成的SiO2层进行光刻，暴露出需要刻蚀的区域，用缓冲氢氟酸溶液进行刻蚀并控制时间，形成200-400nm左右高的凸点形状，并保留剩余的SiO2作为阻挡层，然后去除光刻胶；
(13)溅射铜(Cu)种籽层：在SiO2层上面溅射200-400nm厚的Cu作为种籽层；
(14)第二次光刻、电镀Cu：用光刻厚胶在Cu种籽层上方形成电镀模具，并在酸性硫酸铜溶液中电镀，形成约1.5-3μm厚的Cu层图形；
(15)溅射金(Au)层：在上述图形上面溅射200-400nm厚的Au层，作为开关的接触材料。
(16)正胶剥离：将硅片浸泡在丙酮溶液中，在超声水浴环境下，对胶上Au层进行正胶剥离。
(17)去种籽层：在Au层的保护下，用硫酸+双氧水进行刻蚀，去除剩余的Cu种籽层，形成波导和下电极结构。
(18)淀积氮化硅(SiN)绝缘层、第三次光刻：采用增强等离子体化学气体淀积(PECVD)工艺在上述图形上面淀积200-400nm厚SiN层，并进行第三次光刻，用反应离子刻蚀(RIE)方法图形化SiN，形成在下电极上方的绝缘层，随后去除光刻胶。
上述第(3)步骤中，介质层可为PECVD工艺淀积的500-700nm厚的氮氧化硅(SiON)。
上述第(4)步骤中，采用的刻金属溶液为碘/碘化钾溶液，各成分配比为：碘化钾∶碘∶水＝5-15g∶1-4g∶50-150ml。
本发明方法的一种实施例制备流程如图3所示，包括以下步骤：
(1)以厚度为400μm单面抛光的N型高阻(900Ω·cm)硅片5作为衬底，将此硅片放入硫酸+双氧水混合溶液(按照浓硫酸∶双氧水＝4∶1的体积比配置)中煮沸15分钟，然后用去离子水煮沸并烘干；将硅片放入氧化炉中，在1050°C下与纯氧化反应，在硅片抛光面生成800nm厚的SiO2层6。如图3(1)所示。
(2)在已生成氧化层的硅片正面涂上负性光刻胶，依靠设计好的光刻版作为掩膜进行曝光并显影，暴露需要刻蚀的部分；然后在缓冲氢氟酸溶液中湿法刻蚀，将暴露部分SiO2层下刻300nm；在氧等离子体氛围中刻蚀40分钟，去除光刻胶，未下刻的SiO2形成300nm高的凸点61。如图3(2)所示。
(3)在SiO2层上面真空溅射Cu300nm作为电镀的种籽层7。如图3(3)所示。
(4)在种籽层上面旋涂6μm厚的正性光刻胶AZ4620，依靠设计好的光刻版作为掩膜进行曝光并显影，形成电镀模具8；在酸性硫酸铜溶液中电镀9分钟，形成2μm厚Cu层图形9。如图3(4)所示。
(5)保留光刻胶，在上述图形上面真空溅射300nm厚的Au层10，作为开关的接触材料。如图3(5)所示。
(6)将硅片浸泡在丙酮去胶溶液中，并在50℃、150W的超声水浴环境中浸泡10分钟，去除光刻胶，同时胶上Au层随胶剥离；然后在氧等离子体氛围中刻蚀3分钟，去除可能残留的光刻胶。如图3(6)所示。
(7)以Au层作为自然的掩膜，将硅片浸泡在硫酸+双氧水混合溶液(按照浓硫酸：30％双氧水∶水＝5∶1∶100的体积比配置)中2分30秒，刻蚀剩余的Cu种籽层，形成波导91和下电极92。如图3(7)所示。
(8)在上述图形上面，用PECVD方法淀积300nm厚的SiN绝缘层；在上面旋涂正性光刻胶，并设计好的光刻版作为掩膜进行曝光并显影，暴露待刻蚀的SiN区，用RIE方法图形化SiN层，形成在下电极92上面的绝缘层11，随后去除光刻胶。如图3(8)所示。
(9)在上述图形上面，旋涂5μm左右厚的PI，并用升温法固化形成牺牲层1，固化过程为100℃、130℃、160℃、190℃、220℃阶梯状升温，并在各温度点保持5分钟，最后在250℃恒温保持30分钟。如图3(9)所示。
(10)在牺牲层上面，真空溅射300nm厚的Au层2，随即采用PECVD方法淀积600nm厚的SiON层3作为桥膜介质材料。如图3(10)所示。
(11)在SiON层上面旋涂正性光刻胶，以设计好的光刻版作为掩膜进行曝光并显影，暴露出需要刻蚀的区域；用RIE方法图形化SiON层，形成带系列小孔31的开关桥膜3；接着在光刻胶和SiON桥的双重保护下，用上述碘/碘化钾溶液湿法刻蚀Au层，将带系列小孔31的SiON桥膜3形状转移至Au层，形成带系列小孔的Au层2；随后去除光刻胶。如图3(11)所示。
(12)在上述图形上面，旋涂正胶光刻胶4，以设计好的光刻版作为掩膜进行曝光并显影，保护不需要刻蚀的Au层；在上述碘/碘化钾溶液中，通过暴露的小孔31对SiON桥下的Au层2进行侧向钻蚀约6分钟后，形成分离的接触金属21和上电极22。如图3(12)所示。
(13)去除光刻胶，并在氧等离子体氛围中刻蚀120分钟以上，释放PI牺牲层，得到悬浮的桥膜，完成开关的制作。如图3(13)所示。
上述刻Au的碘/碘化钾溶液各成分配比的一个实施例为：碘化钾∶碘∶水＝10g∶2.5g∶100ml。
经过统计，采用本发明方法制备的开关的成品率达到95％，平均寿命4000万次。作为对比，采用非侧向钻蚀法，即常见制作方法制作开关，成品率不到10％，平均寿命不到1000次。可见，本发明大大改善了开关的机械可靠性，提高了开关的成品率和使用寿命。
Claims (5)
1.一种射频微机械串联接触式开关的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以硅片为衬底，并进行清洗；在硅片正面，通过溅射、电镀、淀积、光刻、刻蚀等表面微机械工艺形成共面波导地线、带凸点的共面波导信号、和表面覆盖绝缘介质层的下电极；
(2)在上述绝缘介质层上面旋涂并固化牺牲层后，真空溅射一层金属；
(3)直接在金属层上淀积一层介质层，然后图形化介质层和金属层，形成带系列小孔的开关桥膜；
(4)在上述图形上旋涂光刻胶4并进行光刻，然后在光刻胶的保护下，用刻金属溶液通过小孔对金属层进行侧向钻蚀，形成中间的接触金属和两侧的上电极，；
(5)最后干法释放牺牲层，得到悬浮的开关介质桥结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第(1)步具体包括以下步骤：
(11)备片、清洗、氧化：以厚度为400-600μm、单面抛光的高阻硅片作为衬底，采用硫酸+双氧水煮沸的方法进行清洗后，用去离子水漂洗并烘干，再将硅片放入氧化炉中，在1000-1100C下与纯氧化反应，在硅片抛光面生成600-1000nm厚的SiO2氧化层；
(12)第一次光刻、形成凸点：对生成的SiO2层进行光刻，暴露出需要刻蚀的区域，用缓冲氢氟酸溶液进行刻蚀并控制时间，形成200-400nm左右高的凸点形状，并保留剩余的SiO2作为阻挡层，然后去除光刻胶；
(13)溅射铜Cu种籽层：在SiO2层上面溅射200-400nm厚的Cu作为种籽层；
(14)第二次光刻、电镀Cu：用光刻厚胶在Cu种籽层上方形成电镀模具，并在酸性硫酸铜溶液中电镀，形成约1.5-3μm厚的Cu层图形；
(15)溅射金Au层：在上述图形上面溅射200-400nm厚的Au层，作为开关的接触材料；
(16)正胶剥离：将硅片浸泡在丙酮溶液中，在超声水浴环境下，对胶上Au层进行正胶剥离；
(17)去种籽层：在Au层的保护下，用硫酸+双氧水进行刻蚀，去除剩余的Cu种籽层，形成波导和下电极结构；
(18)淀积氮化硅SiN绝缘层、第三次光刻：采用增强等离子体化学气体淀积工艺在上述图形上面淀积200-400nm厚SiN层，并进行第三次光刻，用反应离子刻蚀方法图形化SiN，形成在下电极上方的绝缘层，随后去除光刻胶。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述第(2)步骤中，牺牲层为4-6μm厚的聚酰亚胺，金属层可为真空溅射的200-400nm厚的Au层。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述第(3)步骤中，介质层可为PECVD工艺淀积的500-700nm厚的氮氧化硅(SiON)。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述第(4)步骤中，采用的刻金属溶液为碘/碘化钾溶液，各成分配比为：碘化钾∶碘∶水＝5-15g∶1-4g∶50-150ml。
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Granted publication date: 20091104 Termination date: 20151019 |
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