JP5072417B2

JP5072417B2 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP5072417B2
Application number: JP2007113430A
Authority: JP
Inventors: 隆史浅野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-04-23
Also published as: US7812451B2; JP2008270617A; US20080258311A1; EP1986232A2; EP1986232A3

Description

この発明は、化合物半導体を用いた特にモノリシック型マイクロ波集積回路からなる半導体装置に関する。

従来、ＧａＡｓＦＥＴを能動素子とするモノリシック型マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）上に互いに交差する伝送線路を形成する場合、配線間の寄生容量を低減させる目的で、層間絶縁物として空気を用いたエアブリッジ配線が広く使われている。

しかしこの構造においては、長い配線を実現しようとした場合、静電気、湿度、重力、温度、物理的衝撃、エアブリッジ配線自体の自重による影響によってエアブリッジが潰れ、伝送線路同士が接触してしまう問題、あるいは、エアブリッジ配線自体が破損するといった問題があった。これにより、ＭＭＩＣに動作不良を生じる。

またこれを回避しようと、配線の金属皮膜厚みをエアブリッジ配線距離にあわせて厚くしていくと、製造工程あるいは作業時間が増加し、製造装置の負荷、材料費等が増え、製造原価面での問題が発生する。

以上の問題から、金属皮膜厚を変えずに長いエアブリッジ配線距離を稼ぐために、エアブリッジ配線の途中に一定間隔で支柱を立てることで仮想的にエアブリッジ配線距離を短くする方法（特許文献１）、エアブリッジ配線の上部にたわみ補強材を形成する方法（特許文献２）やエアブリッジ配線の断面形状をT型、Π型、H型にする方法（特許文献３）、エアブリッジ配線の両端の幅を中央部より広くとる方法（特許文献４）といった、エアブリッジ配線自体に機械的強度を持たせる方法がある。

以下、仮想的にエアブリッジ配線距離を短くする方法として特許文献１に係る発明、エアブリッジ配線自体に機械的強度を持たせる方法として例えば特許文献２に係る発明を説明する。

図１０は従来のエアブリッジ配線を有する半導体装置の構成を示す図で、同図（ａ）はエアブリッジ配線の長手方向に沿って半導体装置を切断した断面図で、同図（ｂ）はこれに直交する方向に沿って半導体装置を切断した断面図である。

図に示されるように、この半導体装置は、半導体基板１１上に設置される第１の配線１２と、第１の配線１２の両側において第１の配線１２に交差する方向に配置される第２、第３の配線１３−１、１３−２間を結び、かつ、第１の配線１２上に空気層を介して配置されるエアブリッジ配線１４と、前記エアブリッジ配線１４を支える支柱２１からなり、この支柱２１により、エアブリッジ配線１４を支える構造となっており、仮想的にエアブリッジ配線２０の距離を縮めることで機械的強度を保っている。

しかしこの方法では、支柱２１自身がキャパシタ成分となり、余分な浮遊容量が加わり設計上好ましくない、という問題がある。

次に、図１１は従来のエアブリッジ配線を有する半導体装置の他の例を示す図で、同図（ａ）はエアブリッジ配線の長手方向に沿って半導体装置を切断した断面図で、同図（ｂ）はこれに直交する方向に沿って半導体装置を切断した断面図である。この半導体装置においては、半導体基板１１上に設置される第１の配線１２と、第１の配線１２の両側において第１の配線１２に交差する方向に配置される第２、第３の配線１３−１、１３−２間を結び、かつ、第１の配線１２上に空気層を介して配置されるエアブリッジ配線１４と、前記エアブリッジ配線１４上に形成されるたわみ補強材２６からなり、このたわみ補強材２６によってエアブリッジ配線２５の機械的強度を増している。

しかしこの方法は、作業時間、製造工程、装置負荷、材料費等が増えていくという製造原価面での問題がある。
特開平05-152452号公報特開平06-089940号公報特開平05-218213号公報特開平07-135251号公報

従来のエアブリッジ配線構造では、上記のような設計上の問題および製造原価面での問題があった。

本発明の課題は、エアブリッジ配線の設計上の問題を解決し、かつ、製造工程を複雑にすることなくエアブリッジ配線自体に撓みに対する機械的強度を持たせることにある。

本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第１の配線層と、この第１の配線層の両側において、この第１の配線層と交差する方向に配置される第２、第３の配線層と、これらの第２、第３の配線層間を、前記第１の配線上の空気層を介して相互に接続するエアブリッジ配線層とを備え、このエアブリッジ配線の全体形状は上に凸のアーチ型をなしており、且つ、前記エアブリッジ配線の少なくとも中央部の横断面形状は下に凸状に湾曲していることを特徴とするものである。

半導体装置本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１の配線層を形成する工程と、この第１の配線層の両側において、この第１の配線層と交差する方向に配置される第２、第３の配線層を形成する工程と、これらの第２、第３の配線層間に形成された前記第１の配線層上に第１のレジスト層を形成する工程と、この第１のレジスト層の前記第２、第３の配線層の端部に該当する位置の上にコンタクト用開口を形成する工程と、前記第１のレジスト層上に、前記第２、第３の配線層の端部を相互に接続するエアブリッジ配線をリフトオフにより形成する工程と、前記第１のレジスト層を高温下において除去するアッシング工程と、このアッシング工程により前記第１のレジスト層が除去された後に急冷して前記エアブリッジ配線の少なくとも中央部の横断面形状が下に凸状に湾曲した構造とする工程と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、工程を複雑にすることなく、機械的強度を向上させたエアブリッジ配線を有する半導体装置が得られる。

以下に本発明の実施例である高周波半導体装置について図面を参照して詳細に説明する。以下の実施例に置いては、高周波半導体装置としていわゆるＭＭＩＣと呼ばれる半導体プロセスにより製造される装置について説明するが、本発明はＭＭＩＣに限定されるものではなく、一般的な半導体装置にも適用される。

図１は、本発明の一実施例である高周波半導体装置におけるエアブリッジ構造部分の斜視図である。また、図２は図１に示す高周波半導体装置の断面図であり、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。

図１に示すように、この高周波半導体装置は、ＧａＡｓ基板１１、伝送線路である第１のマイクロストリップ線路１２、この第１のマイクロストリップ線路１２の両側に端部が配置された第２のマイクロストリップ線路１３−１、１３−２、これらの第２のマイクロストリップ線路１３−１、１３−２の端武官を相互に接続するエアブリッジ配線１４から構成されている。第１のマイクロストリップ線路１２とエアブリッジ配線１４間に空気層を設けることにより線路間の浮遊容量が小さく押さえられた構造となっている。また図２（ａ）および(b)に示すように、エアブリッジ配線１４の少なくとも中央部の断面形状は下に凸の形状をなしている。

図３〜９は、上記の構造の高周波半導体装置の製造方法を説明するための工程であり、各図の（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。以下の工程は、一般的なＭＭＩＣの製造プロセスにおける工程を利用したものである。

まず図３に示すように、ＧａＡｓ基板１１の表面に、第１のマイクロストリップ線路１２および第２のマイクロストリップ線路１３−１、１３−２として例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉを夫々、５００ｎｍ／１００ｎｍ／１０００ｎｍ蒸着し、リフトオフを施すことにより形成する。すなわち、図示しないが、ＧａＡｓ基板１１の表面全面にレジスト層を塗布した後、目的とする第１のマイクロストリップ線路１２および第２のマイクロストリップ線路１３パターンの逆パターン用いて露光し、エッチングにより露光された部分のレジスト層を除去する。このようにパターニングされたレジストの表面全面にＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉを蒸着した後、第１のマイクロストリップ線路１２および第２のマイクロストリップ線路１３−１、１３−２パターン以外のＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ蒸着層をエッチング液に浸漬してレジストとともに剥離して、目的とする第１のマイクロストリップ線路１２および第２のマイクロストリップ線路１３パターンを形成する。

次に図４に示すように、エアブリッジ配線１４形成用の第１のアンダーレジスト層１５を全面に塗布し、マスクパターンを用いた露光とエッチング処理により、第２のマイクロストリップ線路１３−１、１３−２の端部を露出する開口部１７を形成する。

次に図５に示すように、エアブリッジ配線１４用の第２のレジスト層１６を全面に塗布した後、これを露光およびエッチングにより、エアブリッジ配線１４の逆パターンをレジスト層１６により形成する。

次に図６示すように第２のレジスト層１６上の全面にエアブリッジ配線１４用の導電性材料、例えばＡｕを１０００ｎｍの厚さで全面に塗布する。

次に図７示すように、第２のレジスト１６に対してリフトオフを施すことにより、エアブリッジ配線１４を形成する。

ただし図７に示す工程後、エアブリッジ配線１４と第１のマイクロストリップ線路１２間には第１のレジスト１５は、まだ残されたままである。

この後、Ｏ_２ラジカルにより、エアブリッジ配線１４と第１のマイクロストリップ線路１２間に残る第１のレジスト１５を灰化（アッシング）除去する。

図８に示すように、基板１１を図示しないヒーター等により例えば３００度の高温に保ちながら第１のレジスト１５の灰化除去行うと、レジストの厚みは３μｍ程度であるのに対し、線路幅は１０μｍ程度あるため、第１のマイクロストリップ線路１２のエッジ側から灰化されていき、周辺の第１のレジスト１５が除去されても、エアブリッジ配線１４下の第１のレジスト１５は未だ残った状態になっている。

そして、図９に示すように、エアブリッジ配線１４のエッジ側から中心に向かい、順に第１のレジスト１５との密着から開放されていくため、エッジ部分から３００度の熱の影響にてＡｕが熱膨張を起こしてその横断面形状は同図（ｂ）に示すように下に凸となるように歪む。最後にエアブリッジ配線１４下に残る第１のレジスト１５を完全に除去し、続いて基板１１を急冷することにより、図1および図２に示す構造を完成する。

このような構造とすることにより、エアブリッジ１４に基板１１方向へ向かう何らかの力が働いたとしても、エアブリッジ配線１４の横断面が下に凸形状となっているため、曲げ力に対する抵抗力が大きく、配線が接地接触することを回避できる。

また、上記の例における、灰化時の基板温度は一例であり、この温度を制御することにより、配線の反り量も制御可能になり、所望のブリッジ形状の機械的強度を得ることが出来る。

本発明の実施例である高周波半導体装置のブリッジ配線部の構造を説明するための斜視図である。図１の断面図で、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、同図(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。図１に示す高周波半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、同図(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。図１に示す高周波半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、同図(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。図１に示す高周波半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、同図(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。図１に示す高周波半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、同図(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。図１に示す高周波半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、同図(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。図１に示す高周波半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、同図(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。図１に示す高周波半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線X-X’に沿った断面図であり、同図(b)は図１に示す破線Y-Y’ に沿った断面図である。従来のエアブリッジ配線を有する半導体装置の構成を示す図で、同図（ａ）はエアブリッジ配線の長手方向に沿って半導体装置を切断した断面図で、同図（ｂ）はこれに直交する方向に沿って半導体装置を切断した断面図である。従来のエアブリッジ配線を有する半導体装置の他の例を示す図で、同図（ａ）はエアブリッジ配線の長手方向に沿って半導体装置を切断した断面図で、同図（ｂ）はこれに直交する方向に沿って半導体装置を切断した断面図である。

符号の説明

１１：ＧａＡｓ基板、１２：第１のマイクロストリップ線路、１３−１、１３−２：第２、第３のマイクロストリップ線路、１４：エアブリッジ配線、１５：第１のレジスト、１６：第２のレジスト、

Claims

半導体基板上に形成された第１の配線層と、この第１の配線層の両側において、この第１の配線層と交差する方向に配置される第２、第３の配線層と、これらの第２、第３の配線層間を、前記第１の配線上の空気層を介して相互に接続するエアブリッジ配線層とを備え、このエアブリッジ配線の全体形状は上に凸のアーチ型をなしており、且つ、前記エアブリッジ配線の少なくとも中央部の横断面形状は下に凸状に湾曲していることを特徴とする半導体装置。
前記半導体基板はＧａＡｓ基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記第１乃至第３の配線層はマイクロストリップ線路であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
半導体基板上に第１の配線層を形成する工程と、この第１の配線層の両側において、この第１の配線層と交差する方向に配置される第２、第３の配線層を形成する工程と、これらの第２、第３の配線層間に形成された前記第１の配線層上に第１のレジスト層を形成する工程と、この第１のレジスト層の前記第２、第３の配線層の端部に該当する位置の上にコンタクト用開口を形成する工程と、前記第１のレジスト層上に、前記第２、第３の配線層の端部を相互に接続するエアブリッジ配線をリフトオフにより形成する工程と、前記第１のレジスト層を高温下において除去するアッシング工程と、このアッシング工程により前記第１のレジスト層が除去された後に急冷して前記エアブリッジ配線の少なくとも中央部の横断面形状が下に凸状に湾曲した構造とする工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記エアブリッジ配線を形成する工程は、前記エアブリッジ配線の幅を前記第１のレジスト層の厚さより大きく形成することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
前記エアブリッジ配線はＡｕであり、前記高温下は、ほぼ３００℃であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。