CN110323128A

CN110323128A - 一种空气桥的制作方法以及空气桥

Info

Publication number: CN110323128A
Application number: CN201910620973.8A
Authority: CN
Inventors: 钟晓伟; 袁松; 程海英
Original assignee: Wuhu Kaidi Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Wuhu Kaidi Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2019-10-11

Abstract

本发明揭示了一种空气桥的制作方法，包括以下步骤：步骤1、在基片和电极上制作一层氧化物牺牲层；步骤2、在牺牲层上制作第一层光刻胶，之后对第一层光刻胶光刻，保留“桥体”区域光刻胶，去除“桥墩”区域光刻胶；步骤3、去除“桥墩”区域牺牲层，去除“桥体”区域光刻胶；步骤4、制作桥面金属种层；步骤5、在金属种层上制作第二层光刻胶，之后对第二层光刻胶光刻，去除“桥体”区域和电极上方的光刻胶；步骤6、在金属种层上制作金属加厚层，再去除第二层光刻胶；步骤7、去除金属加厚层下方的金属种层和牺牲层，形成空气桥。这样的制作方法不仅制作空气桥更加可靠，也能提高器件本身可靠性。

Description

一种空气桥的制作方法以及空气桥

技术领域

本发明涉及半导体器件及集成电路制造工艺技术领域，尤其涉及一种拱形空气桥制作方法以及制作的空气桥。

背景技术

以碳化硅SiC、氮化镓GaN、砷化镓GaAs为代表的宽禁带半导体具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、异质结界面二维电子气浓度高等优良特性，使其倍受人们的关注。在理论上，利用这些材料制作的金属肖特基场效应管MESFET、高电子迁移率晶体管HEMT、异质结双极晶体管HBT等器件在微波大功率方面有着无法比拟的优异性能。自上世纪90年代以来，以宽禁带半导体为基础的单片微波集成电路(MMIC)的研发在全世界蓬勃发展起来。

PHEMT等微波器件为了提高器件的最大震荡频率和功率，常把器件做成多栅结构，多栅结构的多个源端或漏端在形成统一的源端或漏端的互连过程会产生金属连线交叠。由电容理论可知，金属线相互交叉或重叠会产生寄生电容，寄生电容大小与填充介质的介电常数成正比，由于空气的介电常数最小，选其作为介质寄生电容最小，以空气为填充介质的连接方式就是空气桥。

制作空气桥的关键是要保证空气桥结构坚固，在高温、震动等恶劣环境中不能倒塌导致器件失效。目前常用制作空气桥的方法是：1)在基片上涂复合光刻胶，光刻桥墩；2)高温烘烤使复合胶收缩成拱形；3)在复合胶上溅射种子层；4)在种子层上涂二次光刻胶，光刻桥面；5)光刻桥面后在种子层上电镀金属；6)剥离去除光刻胶以下的种子层；7)有机溶剂去除牺牲层，形成空气桥。这种方法的不足之处是高温烘烤复合胶使其收缩成拱形的工艺较难控制，烘烤温度过低难以形成拱形，烘烤温度过高则难以去胶。该方法制造的空气桥的过程复杂，而且高温烘烤会对一些利用二维电子气作为导通沟道的异质结构器件(如AlGaN/GaN微波器件)产生影响，降低器件二维电子气的导电特性，进而影响器件的功率和频率特性。采用剥离的方法去除光刻胶以下的种子层，去除过程对器件造成损伤；工艺流程中用的HMDS为致癌物质。然而不采用高温烘烤形成拱形结构，桥面承重能力较差，当空气桥较厚或跨度较大时容易倒塌。

上述现有的空气桥制作方法是利用复合光刻胶做为牺牲层，结合光刻胶烘烤工艺收缩形成拱形，步骤繁琐，均匀性较差，同时烘烤会降低器件二维电子气的导电特性，进而影响器件的功率和频率特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种能够可靠、高效的生产制作空气桥的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空气桥的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、在基片和电极上制作一层牺牲层；

步骤2、在牺牲层上制作第一层光刻胶，之后对第一层光刻胶光刻，保留“桥体”区域光刻胶，去除“桥墩”区域光刻胶；

步骤3、去除“桥墩”区域牺牲层，去除“桥体”区域光刻胶；

步骤4、制作桥面金属种层；

步骤5、在金属种层上制作第二层光刻胶，之后对第二层光刻胶光刻，去除“桥体”区域和电极上方的光刻胶；

步骤6、在金属种层上制作金属加厚层，再去除第二层光刻胶；

步骤7、去除金属加厚层下方的金属种层和牺牲层，形成空气桥。

所述基片为氮化镓、砷化镓、碳化硅、磷化铟或硅材质的半导体晶圆以及表面的外延结构。

所述电极为任何有源或者无源器件的金属电极，相邻电极之间间距为0.2～2um，电极宽度0.5～2um。

所述步骤1的牺牲层是采用沉积方式制作的薄膜，厚度为1～4μm，所述牺牲层采用易被酸性溶液腐蚀的介质材料。

所述牺牲层采用SiO₂、ZnO、SnO₂、HfO₂或Ga₂O₃。

所述步骤2和步骤5中，所述第一层光刻胶和第二层光刻胶均采用旋涂方式制作，第一层光刻胶厚度为1～3μm，第二层光刻胶厚度为2～6μm。

所述步骤2中，所述光刻出的光刻胶边缘为斜面，所述斜面使光刻胶自牺牲层向上面积逐渐减小，所述斜面与牺牲层之间角度为30-70度。

所述步骤3中，采用湿法刻蚀去除牺牲层，所述湿法蚀刻控制过蚀量为100％～250％。

一种空气桥，金属加厚层悬空横跨相邻电极构成空气桥本体，所述空气桥本体采用所述的制作方法制作，所述金属加厚层的厚度为1～4um。

本发明空气桥的制作方法具有以下优点：

1、本发明制作的空气桥的具有拱形结构，桥体受力更加均匀，桥面更坚固不易倒塌，提高器件的可靠性；

2、本发明制作的空气桥可通过控制牺牲层薄膜的厚度调节拱形桥的高度，工艺灵活性大；

3、本发明制作的空气桥可通过控制牺牲层薄膜的蚀刻量来形成不同曲率的拱形桥；

4、本发明制作的空气桥不采用高温烘烤，不影响器件电学性能，工艺重复性、可控性好；

5、本发明制作的空气桥不采用光刻胶做牺牲层，该法工艺复杂，使用两性氧化物牺牲层薄膜，支撑性能好，工艺简单。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为本发明的空气桥制作方法流程图；

图2为基片上电极排列结构示意图；

图3为基片上沉积ZnO薄膜的结构示意图；

图4为基片上旋涂第一层光刻胶的结构示意图；

图5为光刻出具有正梯形光刻胶的结构示意图；

图6为ZnO薄膜蚀刻后的结构示意图；

图7为溅射金属种层的结构示意图；

图8为旋涂上第二层光刻胶并完成光刻的结构示意图；

图9为电镀加厚桥面金属的结构示意图；

图10为去除第二层保护光刻胶的结构示意图；

图11为去除多余金属种层和牺牲层ZnO薄膜后的结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

基片上设有电极，基片可以是氮化镓、砷化镓、碳化硅、磷化铟、硅等半导体晶圆以及表面的外延结构。电极可以为任何有源或者无源器件的金属电极，例如场效应管的源极、栅极、漏极；电容器件的上下电板；电感器件的引线电极等等。金属电极的组成可以为钛、铝、镍、金、钨、氮化钛、等材料中任意一种或多种组合及其合金。

空气桥横跨在两个电极上，电极之间需采用空气桥进行连接，且相邻电极之间间距为0.2～2um；电极宽度0.5～2um。图2-11中示意性的示出了三个电极，仅仅是示意，电极可以是基片上的任意两个电极，且基片上的电极数量可以为大于2的任意整数。

如图1所示，具有拱形结构的空气桥制作方法，包括以下步骤：

步骤1、基片上使用CVD或PVD沉积一层ZnO薄膜，沉积的ZnO薄膜牺牲层，膜厚1～4μm，具体厚度可以电极间距进行调整。

步骤2、在ZnO薄膜上旋涂第一层光刻胶；第一层光刻胶为可为S1813、AZ5214、SPR220、SPR518中任一种光刻胶也选用负性光刻胶，胶厚1～3μm；

步骤3、在第一层光刻胶上光刻出具有正倒梯形结构的光刻胶图形；

其中，光刻的步骤包括软烘、曝光、曝光后烘烤、全曝光、显影、坚膜烘焙，其中，软烘温度90℃～100℃，烘烤时间90～120s；曝光光源为I线，曝光后氨气烘焙温度100℃～200℃，烘烤时间100～1800s；显影时间60～100s；坚膜烘焙温度90～120℃，烘焙时间10～20min。

光刻形成正梯形底角的角度为30～70°由于正性光刻胶曝光部分可在显影液中溶解，未曝光部分在显影液中不可溶。基片上的光刻胶具有一定厚度，由于光的衍射作用表面的受光区域略大于底部，且表面光照强度高于底部，显影掉的部分具有倒梯形结构。通过调节软烘温度、曝光剂量和显影时间可调节倒梯形上下边宽度，而留下的为具有底角角度不同的为正梯形结构。

步骤4、湿法蚀刻ZnO薄膜，控制蚀刻量，由于湿法刻蚀的各项同性，加上侧向侵蚀效应，在去除光刻胶，留下拱形结构的ZnO牺牲层图形；

湿法蚀刻ZnO薄膜过程中，控制过蚀量为100％～250％；选用1:10～20的HCL蚀刻溶液。第一层光刻胶光刻形成底角的角度为30～70°的正梯形，蚀刻过程中有利于获得倾斜的ZnO薄膜侧壁。由于湿法蚀刻存在各项同性的特点，存在纵向蚀刻的同时还存在一定量的侧向蚀刻，所以通过控制蚀刻时间以及过蚀刻量，最终可获得一定曲率的拱形结构。

步骤5、使用溅射形成桥面金属种层；溅射的金属为Ni、Au，金属叠成厚度为100～500nm的金属种层。

步骤6、旋涂第二层光刻胶，光刻后去除桥面和电极上的第二层光刻胶；第二层光刻胶可为正胶或负胶，厚度2～6μm。对其光刻后，显影后去除桥体上和接触电极的第二光刻胶层，形成窗口，暴露出所述桥面的金属种层，形成；第二次光刻工艺的热处理温度略低于第一次光刻的温度。光刻后露出拱形桥面和接触电极上金属种层。

步骤7、在金属种层上电镀金属加厚层，并去除第二层光刻胶去除第二层光刻胶下方的金属种层,并蚀刻掉ZnO牺牲层，形成空气桥。

金属种层上电镀金属加厚层.电镀的时候需要使用金属板做阳极，待镀晶圆做阴极，浸泡在特殊配置的弱酸性电镀液中通电进行电镀工艺。电镀时需要精确控制温度、电流、液体流向、电场分布等参数，以保证电镀工艺的均匀性和低应力。所述金属电镀层的厚度为1～4um。电镀完成后，需要去除剩余的第二层光刻胶，形成如图10所示的结构。去除所述第二光刻胶层时可以采用全曝光的方式，无掩膜的情况下，对第二层光刻胶使用紫外线曝光，而后在将其完全溶解在显影剂中去除。也可以使用氧等离子体焚烧的方式，将第二层光刻胶8与氧等离子反应，在低温的环境的下完全燃烧。还可以使用有机溶液浸泡方式去除。浸泡液可以为NMP、IPA、ACE中一种或者其任意组合混合液。所述电镀工艺和去除第二光刻胶层工艺均为常规技术，此处不再进行详细阐述。

进行金属种层湿法蚀刻时，选用KI:I:H₂O＝4:2:1的配方溶液腐蚀Au，选用HF:HNO₃＝1:1的配方溶液腐蚀Ni；进行ZnO牺牲层湿法蚀刻时选用浓度1:10～20的HCL蚀刻溶液，最后进行去离子水清洗烘干后，形成如图2-A10所示的拱形空气桥。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种空气桥的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在基片和电极上制作一层牺牲层；

步骤4、制作桥面金属种层；

2.根据权利要求1所述的空气桥的制作方法，其特征在于：所述基片为氮化镓、砷化镓、碳化硅、磷化铟或硅材质的半导体晶圆以及表面的外延结构。

3.根据权利要求1所述的空气桥的制作方法，其特征在于：所述电极为任何有源或者无源器件的金属电极，相邻电极之间间距为0.2～2um，电极宽度0.5～2um。

4.根据权利要求1所述的空气桥的制作方法，其特征在于：所述步骤1的牺牲层是采用沉积方式制作的薄膜，厚度为1～4μm，所述牺牲层采用易被酸性溶液腐蚀的介质材料。

5.根据权利要求4所述的空气桥的制作方法，其特征在于：所述牺牲层采用SiO₂、ZnO、SnO₂、HfO₂或Ga₂O₃。

6.根据权利要求1所述的空气桥的制作方法，其特征在于：所述步骤2和步骤5中，所述第一层光刻胶和第二层光刻胶均采用旋涂方式制作，第一层光刻胶厚度为1～3μm，第二层光刻胶厚度为2～6μm。

7.根据权利要求1所述的空气桥的制作方法，其特征在于：所述步骤2中，所述光刻出的光刻胶边缘为斜面，所述斜面使光刻胶自牺牲层向上面积逐渐减小，所述斜面与牺牲层之间角度为30-70度。

8.根据权利要求1所述的空气桥的制作方法，其特征在于：所述步骤3中，采用湿法刻蚀去除牺牲层，所述湿法蚀刻控制过蚀量为100％～250％。

9.一种空气桥，金属加厚层悬空横跨相邻电极构成空气桥本体，其特征在于：所述空气桥本体采用权利要求1-8中任一所述的制作方法制作，所述金属加厚层的厚度为1～4um。