专利名称：一种微波单片集成电路中的金属布线层结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属布线层结构及其制备方法，尤其涉及一种微波单片集成电路中的金 属布线层结构及其制备方法，属于集成电路技术领域。
背景技术：
在微波单片集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,丽IC)中，需要 将源端通过背孔接地，这样能够更好地散热，而且可以改善源端的接地性能；同时在MMIC中 存在很多并联接地的元件，使得通过背孔接地金属引起的串联电感很小，对高频电路的影响 也比较小，因此背孔技术是丽IC电路工艺流程中必不可少的关键工艺之一。
在制作背孔的过程中，要求背面电镀金属刚好接触到布线层金属进而才能形成良好的电 气连接，即要去除布线层到背面金属层之间的部分，通常使用等离子体刻蚀(ICP)的方法 ，刻蚀去除布线层到背面金属层之间的所有材料，这样就必须引入阻挡层使得布线金属层不 会被破坏，同时要保证中间的材料全部刻蚀干净，通过实验证明在布线层金属中引入金属Ni 可以完成阻挡作用。
传统的布线层金属结构钛/金和钛/金/钛等均是能够用于正常电路制作的金属布线层， 但是不能用于制作微波单片集成电路中的背孔工艺。
发明内容
本发明针对现有金属布线层不能用于制作微波单片集成电路中背孔工艺的不足，提供了 一种适用于在微波单片集成电路中制作背孔工艺的金属布线层结构及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下 一种微波单片集成电路中的金属布线层结构 ，设置在第一Si3N4层和第二Si3N4层之间，包括第一Ti层、设置在所述第一Ti层上的Ni层、 设置在所述Ni层上的第二Ti层、设置在所述第二Ti层上的Au层、以及设置在所述Au层上的第 三Ti层。
进一步，所述第一Si3N4层的厚度为2000^ 4000人；所述第二Si3N4层的厚度为 50C)A 200oA;所述第一Ti层的厚度为20C)A 40C)A ;所述Ni层的厚度为500A 1000A ;所述第二Ti层的厚度为20oA 40()A;所述M层的厚度为2000A 4000A ;所述第三Ti 层的厚度为20oA 40()A 。
本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下 一种微波单片集成电路中的金属布线层结构的制备方法，包括以下步骤
步骤10:在第二Si3N4层上旋涂光刻胶后，并通过光刻、显影形成金属布线层图案； 步骤20:通过电子束蒸发的方法依次形成第一Ti层、Ni层、第二Ti层、Au层和第三Ti层
步骤30:将光刻胶上的第一Ti层、Ni层、第二Ti层、Au层和第三Ti层进行剥离。
进一步，所述第一Si3N4层的厚度为2000^ 4000人；所述第二Si3N4层的厚度为 50C)A 200oA;所述第一Ti层的厚度为20C)A 40C)A ;所述Ni层的厚度为500A 1000A ;所述第二Ti层的厚度为20oA 40()A;所述M层的厚度为2000A 4000A ;所述第三Ti 层的厚度为20oA 40()A 。
本发明的有益效果是本发明金属布线层结构中的金属Ni在通过ICP刻蚀衬底后，可以 保护布线层及以上部分，使得丽IC背孔工艺可以顺利进行，并且这种金属布线层结构中的上 下两层金属Ti改善了与Si3N4介质层的粘附性，提高了电容的性能，同时整个金属布线层结 构对电容值的影响不大，金属Ni上面一层金属Ti的引入可以改善金属Ni与金属Au的粘附性不 好的问题；整个金属布线层结构的制备方法可以通过一次性蒸发金属完成，方法简单，对 丽IC工艺的实现起到了很大的作用。
图l为本发明具有背孔的金属布线层结构示意图； 图2为本发明金属布线层结构中背孔的一个扫描电镜照片； 图3为本发明金属布线层结构中背孔的另一个扫描电镜照片； 图4为本发明金属布线层结构未采用Ni金属层的背孔穿通示意图； 图5为本发明金属布线层结构中Ni金属层和Au金属层直接接触时焊盘脱落示意图； 图6为本发明Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容值曲线示意图； 图7为本发明Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容值曲线示意图； 图8为本发明Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容的品质因数曲线示意图； 图9为本发明Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容的品质因数曲线示意图； 图10为本发明Ti/Au/Ti金属布线层结构和Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构中电容的耐压 特性曲线示意图ll为本发明金属布线层结构制备方法流程图。
具体实施例方式
5以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于 限定本发明的范围。
图l为本发明具有背孔的金属布线层结构示意图。如图1所示，所述微波单片集成电路中 的金属布线层结构设置在第一Si3N4层106和第二Si3N4层107之间，包括第一Ti层lOl、设置在 所述第一Ti层101上的Ni层102、设置在所述Ni层102上的第二Ti层103、设置在所述第二Ti层 103上的Au层104、以及设置在所述Au层104上的第三Ti层105。所述第二Si3N4层107设置在 SiC衬底108上。所述第一Si3N4层106上依次设置有起镀层Ti/Aul09和电镀层Au110，所述电 镀层AullO设置在起镀层Ti/Aul09的上面，与起镀层Ti/Aul09之间没有严格的区分。所述 SiC衬底108上通过刻蚀形成背孔区域111，通过电子束蒸发在所述背孔区域lll形成起镀层 Ti/Au，然后再电镀形成电镀层Au。
所述SiC衬底108的厚度为100 um左右；所述第一Si3N4层106的厚度为250()A;所述第二 Si3N4层107的厚度为1000 A;所述第一Ti层101的厚度为200^;所述Ni层102的厚度为 600人；所述第二Ti层103的厚度为200人；所述Au层104的厚度为4000人；所述第三Ti层105 的厚度为200^ 。
图2为本发明金属布线层结构中背孔的一个扫描电镜照片，图3为本发明金属布线层结构 中背孔的另一个扫描电镜照片。如图2及图3所示，图2为背孔的俯视图，孔中的金属依次为 电镀层Au、起镀层Ti/Au、金属布线层结构Ti/Ni/Ti/Au/Ti，图3为背孔的截面图，背孔的深 度约为衬底厚度，即刻蚀的深度约为100um左右，从图3可以看出背面电镀层金属和布线层金 属形成了很好的连接，背孔也达到了要求的直径和深度，说明金属Ni的存在对刻蚀气体产生 了阻挡作用，保护了布线层金属，顺利完成了背孔工艺。
图4为本发明金属布线层结构未采用Ni金属层的背孔穿通示意图，图5为本发明金属布线 层结构中Ni金属层和Au金属层直接接触时焊盘脱落示意图。图4为一个电容206通过微带线 201和空气桥202串联在电路中，图中的所有区域除了205均是电镀金属204，在布线层中如果 未采用Ni金属层，则在进行ICP刻蚀的时候，腐蚀气体可以通过背孔区域直接腐蚀掉布线层 并且破坏正面焊盘PAD203的金属部分，如图4中背孔穿通的标识黑色圆圈205，只有采用了 Ni金属层为阻挡层才能够实现正常的背孔工艺，通过背孔完成背面电镀层金属和布线层金属 的电气连通。图5为一个电容301通过微带线302和空气桥305串联在电路中，测试PAD303，背 孔接地PAD为304，图中所有区域除了307均为电镀金属306，采用Ni/Au直接接触的布线层金 属结构，而没有在Ni和Au之间加入Ti，这种情况下测试PAD303上的金属容易脱落，如图5中 测试PAD标识部分307，尤其是通过金丝连接或者与高频探针接触时整个PAD易被掀起，在中
6间加入Ti后可以避免这种情况的发生，所以Ni、 Au中间的Ti金属层必不可少。
图6为本发明Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容值曲线示意图，图7为本发明 Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容值曲线示意图。图6示出了电容面积为120X120um2 时采用Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容值曲线示意图，在8GHz下电容值为1.857pF，图7示出 了电容面积为120X120um2时采用新金属布线层结构Ti/Ni/Ti/Au/Ti的电容值曲线，在8GHz 下电容值为1.917pF，可以看出新金属布线层结构在电容数值上变化不是很大，并且在 110腿z 15. lGHz范围内电容值没有很大波动，没有影响到电容的应用。
图8为本发明Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容的品质因数曲线示意图，图9为本发明 Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容的品质因数曲线示意图。图8示出了Ti/Au/Ti金属布 线层结构的电容在8GHz的品质因数为9. 137，图9示出的Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构在 8GHz的品质因数为19. 5，在2GHz 10GHz频段Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容品质因 数相对于图8中Ti/Au/Ti金属布线层结构的电容品质因数都有不同的提升，改善了电容特性
图10为本发明Ti/Au/Ti金属布线层结构和Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构中电容的耐压 特性曲线示意图。如图10所示，在相同电压下，Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构比 Ti/Au/Ti金属布线层结构的直流漏电小，Ti/Ni/Ti/Au/Ti金属布线层结构比Ti/Au/Ti金属布 线层结构更加耐高压，改善了电容性能。
传统的布线层金属(钛/金，钛/金/钛等)中在加入金属Ni完成选择性刻蚀时，考虑到 布线层下面有Si3N4介质层，为了改善金属Ni与Si3N4介质层的粘附性，必须在金属Ni与Si3N4 介质层之间再加一层金属Ti，同时在布线层上面也有Si3N4介质层，也需要加一层金属Ti改 善介质表面的接触性能，使得在丽IC电路中制作的电容特性能够提高。同时，由于金属Ni上 面有金属Au，在实验中发现金属Ni与金属Au直接接触时，金属Ni很容易脱落，而金属Ti与金 属Ni、金属Au的接触性能均良好，这样中间需要有一层金属Ti来改善金属Ni与金属Au的接触 性能，这样就形成了本发明金属布线层结构Ti/Ni/Ti/Au/Ti。
本发明金属布线层结构中金属Ni的引入解决了刻蚀背孔时阻挡层的问题，避免了布线层 金属上面的材料被腐蚀；金属Ni的下层金属Ti改善了金属Ni与Si3N4介质层的接触特性，结 合最上层的金属Ti也提升了电容的性能与稳定性，而且对电容值的改变很小；金属Ni的上层 金属Ti改善了金属Ni与金属Au之间的粘附性能，使得金属布线层结构更加牢固，剥离及金属 PAD进行金属连接时不易脱落，实践证明整个金属布线层新结构有很好的电气特性。
图ll为本发明金属布线层结构制备方法流程图。如图11所示，所述微波单片集成电路中的金属布线层结构的制备方法包括以下步骤
步骤10:在第二Si3N4层107上旋涂光刻胶后，并通过光刻、显影形成金属布线层图案。
步骤20:通过电子束蒸发的方法依次形成第一Ti层lOl、 Ni层102、第二Ti层103、 Au层 104和第三Ti层105的金属布线层结构，同时也形成电容下极板。
所述步骤20中不只是通过在光刻胶形成的金属布线层图案上蒸发金属形成所述金属布线 层结构，还需要在所述第二Si3N4层107上没有光刻胶形成的金属布线层图案的地方形成需要 的布线层金属结构。所述电子束蒸发的功率在700W左右，腔体真空度为8.5X10—6mbar，腔 体温度为3(TC， 一般蒸发时间在30min左右。依次蒸发形成厚度为200^的第一Ti层i01、厚 度为600人的Ni层102;厚度为200人的第二Ti层103、厚度为4000人的Au层104以及厚度为 20()A的第三Ti层105。
步骤30:将光刻胶上的第一Ti层lOl、 Ni层102、第二Ti层103、 Au层104和第三Ti层105 进行剥离。
将光刻胶上的第一Ti层lOl、 Ni层102、第二Ti层103、 Au层104和第三Ti层105的金属布 线层结构用丙酮浸泡30min左右进行金属的剥离，然后依次用丙酮和乙醇清洗干净即可。而 在第二Si3N4层107上没有光刻胶的位置处就会形成本发明的金属布线层结构。
传统布线金属结构的制作工艺应用于正常电路的布线层的制作中是没有问题的，然而在 丽IC工艺中，由于要对所有管芯的源端和需要的并联元件进行共地连接，这样就会存在一些 问题首先，在完成背孔工艺时，金属层通过ICP刻蚀掉SiC后，挡不住刻蚀气流就会被腐蚀 掉，这样就会进一步腐蚀上面的二次介质Si3N4和起镀层及电镀层金属，就会破坏掉背孔后 通过背面电镀金属完成的整个电路通路的连接，所以一定要在金属布线层中加入Ni金属完成 对气流的阻挡进而保护上层材料；其次，Ni金属上面需要同与其不能形成良好接触的Au连接 ，也需要引入金属Ti来改善Ni与Au的粘附性，同时在布线层上下两面都是Si3N4介质层，而 Ni和介质层之间的黏附性不好，需要增加一层Ti来形成良好的接触，这两层Ti的引入改善了 整个金属层的连接及MMIC中制作的电容的特性，所以采用这种新的布线层金属结构对于整个 丽IC的工艺流程是相当重要的，不仅满足了背孔工艺的顺利完成，而且兼顾了电容的相关特 性要求，对整个电路的连通性也起到了很好的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种微波单片集成电路中的金属布线层结构，所述金属布线层结构设置在第一Si3N4层(106)和第二Si3N4层(107)之间，其特征在于，所述金属布线层结构包括第一Ti层(101)、设置在所述第一Ti层(101)上的Ni层(102)、设置在所述Ni层(102)上的第二Ti层(103)、设置在所述第二Ti层(103)上的Au层(104)、以及设置在所述Au层(104)上的第三Ti层(105)。
2.根据权利要求l所述的微波单片集成电路中的金属布线层结构，其特征在于，所述第一 Si3N4层(106)的厚度为2000 A 4000 A ;所述第二Si3N4层(107)的厚度为500 A 2000 A ; 所述第一Ti层(101)的厚度为20oA 40()A;所述Ni层(102)的厚度为50oA 100()A;所述 第二Ti层(103)的厚度为20oA 40()A;所述Au层(104)的厚度为200oA 400()A;所述第 三Ti层(105)的厚度为200 A 400 A 。
3.一种微波单片集成电路中的金属布线层结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法 包括以下步骤步骤10:在第二Si3N4层(107)上旋涂光刻胶后，并通过光刻、显影形成金属布线层图案；步骤20:通过电子束蒸发的方法依次形成第一Ti层(lOl)、 Ni层(102)、第二Ti层(103) 、Au层(104)和第三Ti层(105);步骤30:将光刻胶上的第一Ti层(lOl)、 Ni层(102)、第二Ti层(103)、 Au层(104)和第 三Ti层(105)进行剥离。
4.根据权利要求3所述的微波单片集成电路中的金属布线层结构的制备方法，其特征在于 ，所述第一Si3N4层(106)的厚度为200oA 400oA;所述第二Si3N4层(107)的厚度为500^ 200C)A;所述第一Ti层(101)的厚度为20oA 40()A;所述Ni层(102)的厚度为500 A 1000 A;所述第二Ti层(103)的厚度为20oA 40()A;所述Au层(104)的厚度为2000 A 4000 A ;所述第三Ti层(105)的厚度为200 A 400 A 。
全文摘要
本发明涉及一种微波单片集成电路中的金属布线层结构及其制备方法，属于集成电路技术领域。所述金属布线层结构设置在第一Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>层和第二Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>层之间，包括第一Ti层、设置在第一Ti层上的Ni层、设置在Ni层上的第二Ti层、设置在第二Ti层上的Au层、以及设置在Au层上的第三Ti层。本发明金属布线层结构中的金属Ni在通过ICP刻蚀衬底后，可以保护布线层及以上部分，使得MMIC背孔工艺可以顺利进行，并且这种结构中的上下两层金属Ti改善了与Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>介质层的粘附性，提高了电容的性能，同时整个结构对电容值的影响不大，金属Ni上面一层金属Ti的引入可以改善金属Ni与金属Au的粘附性不好的问题。
文档编号H01L23/52GK101661921SQ200910307518
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者刘新宇, 罗卫军, 颜 蒲, 陈晓娟, 珂 魏 申请人:中国科学院微电子研究所