专利名称：一种耐高温的微波内匹配晶体管用mim电容及其制造方法
技术领域：
本发明涉及微波内匹配晶体管制造和集成电路以及集成电路的制造方法技术领域，尤其涉及一种金属-绝缘体-金属的电容及其制造方法。
背景技术：
微波大功率晶体管由于工作频率高，管芯面积大，管芯的输入、输出阻抗比较低，寄生参量对晶体管的性能影响严重，若直接应用于特性阻抗为50欧姆的微波系统连接，由于阻抗严重不匹配，会导致晶体管无法实现大功率输出，使得晶体管的性能无法充分发挥。为此，采用内匹配网络来对管芯的输入、输出阻抗进行提升(变换)并减少寄生参量的影响，是实现微波功率晶体管大功率、高增益输出的一种有效途径。高温工作(200°C -300°C)的内匹配晶体管，要求其采用的内匹配电容也能在高温下稳定可靠工作。为避免加入内匹配网络后引起较大的微波损耗，对要求频率性能较高的内匹配晶体管常采用MOM (金属一氧化层一金属)电容，为提高氧化层的质量，一般是在硅片上进行高温热氧化，然 后在氧化层上形成电容的一个金属电极，此电极由于还要支撑整个电容，故一般要形成100微米左右厚的纯金层，随后去掉氧化层另一面的硅直到二氧化硅层，再在此面形成MOM电容的另一个金属电极。可以看出，此方法不但用金量大，而且工艺上对氧化和硅片的腐蚀要求也比较严格，否则会影响MOM电容的成品率。随着半导体工艺的不断进步，有一部份内匹配电容采用了 MM (金属一绝缘层一金属)结构，MOM电容实际也是MM电容的一个分支，MIM电容的绝缘层一般采用介质淀积工艺来形成，由于已有金属层的存在，淀积介质的温度一般不会很高，从而使介质层的致密性受到影响，对MM电容的性能也会带来不利的后果。同时，传统的MM电容的切割是在介质层上，介质层经过金刚刀或砂轮划片刀的作用会产生较大的缺陷应力，经过后续烧结等高温过程，该应力会释放，造成绝缘介质层裂纹等缺陷，对MIM电容的长期稳定工作形成威胁，对内匹配晶体管的长期稳定、可靠工作也不利。随着SiC等高温工作的微波功率器件的发展，对耐高温工作的内匹配电容的要求也不断提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种耐高温的微波内匹配晶体管用MM电容及其制造方法，所述制造方法能够避免绝缘介质层受到应力的影响，所述MM电容具有优良的微波特性和耐高温性能，且易于加工。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容，其特征在于包括衬底、金属下电极、绝缘介质层和金属上电极，所述金属下电极固定在所述衬底的上表面，所述金属下电极的外侧包裹有绝缘介质层，所述绝缘介质层经过高温退火处理且其上设有贯穿绝缘介质层的金属下电极引出孔，在所述金属下电极引出孔内设有与所述金属下电极固定连接的下电极引出电极，所述金属上电极固定在所述绝缘介质层的上表面。
优选的:所述绝缘介质层的厚度不低于3000A ,所述金属上电极和金属下电极引出电极的厚度为-10 μ m。优选的:所述MM电容还包括固定在所述衬底下表面的金属化层。优选的:所述衬底的制作材料为蓝宝石或碳化硅。一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容的制造方法，其特征在于包括以下步骤:
(1)第一次光刻:在衬底的上表面使用光刻出金属下电极的图形；
(2)金属蒸发:将衬底加热到60°C_80°C，在衬底上蒸发1000 A -3000 A的镍； (3)剥离多余的金属:将在光刻胶上的金属随光刻胶一同去除掉，只留下金属下电极处的金属；
(4)淀积MM电容的绝缘介质层:采用PECVD在具有金属下电极的衬底表面淀积一层绝缘介质层；
(5)致密退火处理:将上述晶圆片加热到800°C_850°C，对其进行退火处理；
(6)第二次光刻:形成金属下电极的引出孔，将非引出孔部分使用光刻胶作为保护掩
膜；
(7)腐蚀绝缘介质层形成金属下电极的引出孔；
(8)第二次去除光刻胶:将腐蚀出金属下电极引出孔的晶圆片表面的光刻胶去除干
净;
(9)金属溅射:在经过上述处理的晶圆片的上表面溅射金属钛-金或金属钛钨-金形成种子层；
(10)第三次光刻:在种子层表面形成金属上电极和下电极引出电极的图形；
(11)电镀金:对金属上电极和下电极引出电极进行电镀加厚，厚度1μπι-10μπι，去除光刻胶；
(12)去除并腐蚀干净金属上电极和下电极引出电极以外的种子层，形成金属上电极和下电极引出电极；
(13)第四次光刻:光刻露出划片道上的绝缘介质层，为后续腐蚀做准备；
(14)腐蚀划片道上的绝缘介质层:将划片道上的绝缘介质层腐蚀干净；
(15)第四次去除光刻胶:将腐蚀后的MIM电容晶圆片表面的光刻胶去除干净；
(16)划片:将处在一个晶圆片上的MM电容分割成一个个分立的MM电容。优选的:在进行第一次光刻之前需将衬底材料清洗干净。优选的:在进行第四次去除光刻胶之后，需要在衬底的下底面进行背面金属化操作。采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明在版图设计上，增加了一次将MIM电容切割处的划片道上的绝缘介质层腐蚀干净的光刻工艺，避免切割电容在绝缘介质层上进行，而是在碳化硅或蓝宝石表面进行，从而避免了电容绝缘介质层受到应力的影响。在制造工艺上，增加了绝缘介质层致密工艺，避免了介质层过于疏松的不足，同时由于采用了碳化硅或蓝宝石作为电容的支撑，而不是像MOM电容那样使用100微米厚的纯金作为电容的支撑，避免了对纯金过度消耗且电镀后镀层金存在应力导致整个圆片卷曲的弊端，减少了微波内匹配MOM电容对纯金的消耗量，约100微米左右的纯金层可以省略，取而代之的是采用碳化硅或蓝宝石上的金属镍，约3000 A ,明显地节约了贵重金属的消耗量，也避免了对电镀液的经常性维护，避免了频繁配制电镀液的不足。另外通过高温致密工艺的引入，提高了电容高温工作的能力与稳定性，还提高了内匹配电容在一般工作条件下的长期稳定性，对提升微波内匹配大功率晶体管的整体电性能和可靠性及稳定性有利。本发明有利于电容片的后续加工，既保证了 MIM微波内匹配电容具有MOM电容的优良的微波特性，又使该电容具有MOS电容那样易加工的特点。所以其微波性能和稳定性及可靠性要高于传统的MIM电容，对目前基本靠手工装架、烧结、键合的微波内匹配功率晶体管的稳定性、可靠性和总体成品率的提升都会有促进作用，提高了成品率。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1是第一次光刻后的结构示意 图2是剥离多余的金属并除去光刻胶后的结构示意 图3是淀积MIM电容的绝缘介质层后的结构示意 图4是致密退火处理后的结构示意 图5是第二次光刻后的结构示意 图6是第二次光刻后经腐蚀绝缘层介质并去除光刻胶后的结构示意 图7是金属溅射形成种子层后的结构示意 图8是第三次光刻后的结构示意 图9是电镀金后的结构示意 图10是去除并腐蚀部分种子层后的结构示意 图11是第四次光刻后的结构示意 图12是腐蚀掉划片道处的绝缘层介质并去除第四次光刻胶后的结构示意 图13是对晶圆片的背面进行金属化后的结构示意 图14是划片后形成的第一种MIM电容的结构示意 图15是划片后形成的第二种MIM电容的结构示意 其中:1、衬底2、金属下电极3、金属上电极4、下电极引出电极5、金属上电极6、金属化层7、第一次光刻显影后的光刻胶8、第二次光刻显影后的光刻胶9、金属下电极的引出孔10、种子层11、第三次光刻显影后的光刻胶12、第四次光刻显影后的光刻胶。
具体实施例方式如图14所示，一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容，包括衬底1、金属下电极2、绝缘介质层3和金属上电极5。所述金属下电极2固定在所述衬底I的上表面，所述金属下电极2的外侧包裹有绝缘介质层3，所述绝缘介质层3经过高温退火处理且其上设有贯穿绝缘介质层的金属下电极引出孔9，在所述金属下电极引出孔9内设有与所述金属下电极2固定连接的下电极引出电极4，所述金属上电极5固定在所述绝缘介质层3的上表面。如图15所示，一种耐高温的 微波内匹配晶体管用MIM电容，与图14所示的电容不同之处在于:在衬底的背面设有金属化层。一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容的制造方法，包括以下步骤:
1、首先要将本发明所采用衬底材料清洗干净，衬底材料要求在850°C左右不与所采用的金属下电极材料产生明显的合金或化学反应并且自身也要保持稳定，不至于有有害物质释放，衬底为SiC或蓝宝石等稳定性较高材，目的是保证光刻胶及随后的金属与该衬底材料保持良好的粘附。2、第一次光刻:目的是光刻出MM金属下电极的图形，由于随后要进行金属蒸发，所以要求此光刻形成的光刻图形最好是倒梯形或图1所示的“T”型。3、金属蒸发:为保证金属与衬底表面粘附良好，金属蒸发时可采用将衬底加热到60-80°C，若还有粘附问题，可在蒸发金属镍之前，先蒸发10-15 Λ的金属钛，然后再蒸发1000-3000 A 的镍。4、剥离多余的金属:将在光刻胶上的金属随光刻胶一同去除掉，只留下MIM金属下电极处的金属，如图2所示。5、淀积MIM电容的绝缘层介质:采用PECVD即等离子体增强化学气相沉积法在具有金属下电极的衬底表面淀积一层绝缘介质层，如图3所示，其厚度与电容值的大小要求有关，但为保证MM电容的成品率，一般此层介质不低于3000 A ,同时为避免颗粒等缺陷对电容质量的影响，最好采用两层绝缘介质淀积，也可采用两种或两种以上不同的绝缘介质层淀积如二氧化硅和氮化硅与二氧化硅的复合绝缘介质层，其目的也是为提高绝缘介质层的完整性。6、致密退火处理:由于PECVD形成绝缘介质时的温度比较低，绝缘介质层中会存在一些孔洞或氢元素，如图3所示，其对MIM电容的稳定工作不利，所以本发明增加了绝缘介质层的高温致密退火工艺，由于本发明采用了碳化硅或蓝宝石衬底，其在850°C时不会与已存在的金属下电极发生明显的合金或化学反应，保证了 MM电容下电极金属的稳定性，致密后的介质层如图4所示，绝缘介质层的孔洞消失，结构更加致密。7、第二次光刻:目的是形成MIM金属下电极的引出孔，将非引出部分用光刻胶作为保护掩膜，如图5所示。8、腐蚀绝缘介质层:形成金属下电极的引出孔。9、第二次去除光刻胶:将腐蚀出金属下电极的引出孔的晶圆片表面的光刻胶去除干净，如图6所示。10、金属溅射:在经过上述处理的晶圆片表面大面积溅射金属钛-金或金属钛钨-金；钛或钛钨层的目的是与绝缘介质层和金属下电极的镍层形成良好的粘附性，金金属的存在是为实现MM金属电极电镀加厚而形成的种子层，如图7所示。11、第三次光刻:在种子层表面形成MIM金属上电极和下电极引出电极图形,如图8所示。12、电镀金:对MM金属上电极和下电极引出电极进行电镀加厚，厚度一般控制在
1-10 μ m,如图9所示。13、去胶并腐蚀金属上电极和下电极引出电极以外的种子层:形成MM电容的金属上电极和下电极引出电极， 如图10所示，在金属上电极的下面和下电极引出电极处实际还有种子层，由于其与加厚的电镀金合为一体，故本图及随后的示意图中未再标出种子层，将来内匹配器件的内匹配引线可在此两处金属上根据设计需要进行金属引线的键合。14、第四次光刻:目的是露出划片道上的绝缘介质层，为后续腐蚀做准备，如图11所示。15、腐蚀划片道上的绝缘介质层:将划片道上的绝缘介质层腐蚀干净。目的是避免划片道上的绝缘介质层在机械划片时受到应力破坏，在随后的高温下，应力扩展，形成裂纹，并伸向MIM电容，对电容的稳定性和可靠性不利。16、第四次去除光刻胶:将腐蚀后的MIM电容晶圆片表面的光刻胶去除干净，如图12所示。17、背面金属化:目的是使电容与管座实现良好的连接，若采用胶粘接工艺，则背面金属化工艺可以省略。18、划片:将形成在一个晶圆片上的MM电容分割成一个个分立的MM电容，如图14或图15所示，备后续的内匹配功率晶体管装架使用。传统的MM电容一般是在硅或砷化镓衬底上进行，由于金属与硅或砷化镓材料容易发生合金反应，所以电容绝缘介质层的形成温度一般不会超过350°C，导致绝缘介质层过于疏松，对MIM电容的稳定性不利。本发明采用SiC或蓝宝石作为衬底，由于SiC及蓝宝石的稳定性，其与金属发生明显反应的温度一般要大于900°C，所以能保证本发明的MM电容金属电极的稳定性，在淀积绝缘层介质后，还可采用800— 850°C的高温对绝缘介质层进行致密退火处理，避免绝缘介质层内孔洞现象的存在，即绝缘介质层过于疏松，在一定程度上避免了金属与绝缘介质层粘附不牢的现象，从而提高了本发明MM电容的稳定性与可靠性，也有利于该电容的微波 性能的提升。由于绝缘介质层致密性的提高，也避免了因后续烧结、引线键合对电容表面施加超声功率等压力对疏松介质层的破坏，导致出现电容短路等不良现象。提高了微波内匹配功率器件装管的总成品率。为避免划片对绝缘介质层的破坏，在电容片工艺完成后，本发明增加了一次对划片道的介质层的光刻工艺，目的是将划片道上的绝缘介质层在划片之前腐蚀干净，从而避免了划片刀具在介质层上留下的损伤，也就避免了此损伤在后续烧结等高温过程中出现应力释放，造成介质层出现裂纹的现象，提高了内匹配电容的稳定性与成品率。本发明还减少了微波内匹配电容对纯金的消耗量，约100微米左右的纯金层可以省略，取而代之的是采用碳化硅或蓝宝石上的金属镍，约3000 A,明显地节约了贵重金属的消耗量，也避免了对电镀液的经常性维护，避免了频繁配制电镀液的不足。本发明的电容绝缘介质的致密性由于经过了较高的温度处理，其要优于一般采用PECVD形成绝缘介质层后直接形成MIM电容的绝缘介质层的致密性。所以其微波性能和稳定性及可靠性要高于传统的MIM电容，对目前基本靠手工装架、烧结、键合的微波内匹配功率晶体管的稳定性、可靠性和总体成品率的提升都会有促进作用。
权利要求
1.一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容，其特征在于包括衬底(I)、金属下电极(2 )、绝缘介质层(3 )和金属上电极(5 )，所述金属下电极(2 )固定在所述衬底(I)的上表面，所述金属下电极(2 )的外侧包裹有绝缘介质层(3 )，所述绝缘介质层(3 )经过高温退火处理且其上设有贯穿绝缘介质层的金属下电极引出孔(9)，在所述金属下电极引出孔(9)内设有与所述金属下电极(2)固定连接的下电极引出电极(4)，所述金属上电极(5)固定在所述绝缘介质层(3)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容，其特征在于所述绝缘介质层(3)的厚度不低于3000A ,所述金属上电极(5)和金属下电极引出电极(4)的厚度为Iym -10 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容，其特征在于所述MIM电容还包括固定在所述衬底下表面的金属化层(6)。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容，其特征在于所述衬底(I)的制作材料为蓝宝石或碳化硅。
5.一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容的制造方法，其特征在于包括以下步骤: (1)第一次光刻:在衬底的上表面使用光刻出金属下电极的图形； (2)金属蒸发:将衬底加热到60°C_80°C，在衬底上蒸发1000.\ -3000.\的镍； (3)剥离多余的 金属:将在光刻胶上的金属随光刻胶一同去除掉，只留下金属下电极处的金属； (4)淀积MM电容的绝缘介质层:采用PECVD在具有金属下电极的衬底表面淀积一层绝缘介质层； (5)致密退火处理:将上述晶圆片加热到800°C_850°C，对其进行退火处理； (6)第二次光刻:形成金属下电极的引出孔，将非引出孔部分使用光刻胶作为保护掩膜； (7 )腐蚀绝缘介质层形成金属下电极的引出孔(9 ); (8)第二次去除光刻胶:将腐蚀出金属下电极引出孔的晶圆片表面的光刻胶去除干净; (9)金属溅射:在经过上述处理的晶圆片的上表面溅射金属钛-金或金属钛钨-金形成种子层(10); (10)第三次光刻:在种子层表面形成金属上电极和下电极引出电极的图形； (11)电镀金:对金属上电极和下电极引出电极进行电镀加厚，厚度1μπι-10μπι，去除光刻胶； (12)去除并腐蚀干净金属上电极和下电极引出电极以外的种子层，形成金属上电极和下电极引出电极； (13)第四次光刻:光刻露出划片道上的绝缘介质层，为后续腐蚀做准备； (14)腐蚀划片道上的绝缘介质层:将划片道上的绝缘介质层腐蚀干净； (15)第四次去除光刻胶:将腐蚀后的MIM电容晶圆片表面的光刻胶去除干净； (16)划片:将处在一个晶圆片上的MM电容分割成一个个分立的MM电容。
6.根据权利要求5所述的一种耐高温的微波内匹配晶体管用MM电容的制造方法，其特征在于在进行第一次光刻之前需将衬底材料清洗干净。
7.根据权利要求5所述的一种耐高温的微波内匹配晶体管用MM电容的制造方法，其特征在于在进行第四次去除光刻胶之后，需要在衬底的下底面进行背面金属化操作。
全文摘要
本发明公开了一种耐高温的微波内匹配晶体管用MIM电容及其制造方法，涉及集成电路以及集成电路的制造方法技术领域。所述电容包括衬底、金属下电极、绝缘介质层和金属上电极，所述金属下电极固定在所述衬底的上表面，所述金属下电极的外侧包裹有绝缘介质层，所述绝缘介质层上设有贯穿绝缘介质层的金属下电极引出孔，在所述金属下电极引出孔内设有与所述金属下电极固定连接的下电极引出电极，所述金属上电极固定在所述绝缘介质层的上表面。所述制造方法能够避免绝缘介质层受到应力的影响，所述MIM电容具有优良的微波特性和高温工作特性，且易于加工。
文档编号H01L23/522GK103219318SQ20131012671
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者潘宏菽, 马杰, 刘亚男 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所