一種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法

2023-11-11 16:24:42

專利名稱：一種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子工藝技術領域，尤其涉及一種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法。
背景技術：
砷化鎵基微波單片集成電路(GaAs MMIC)，是在半絕緣的砷化鎵襯底上通過一系列諸如蒸發、外延生長和腐蝕等半導體工藝製備出無源和有源器件，並連接起來構成應用於微波/毫米波頻段的功能電路。GaAs麗IC能實現幾乎所有IGHz至IOOGHz通信模塊中的功能，如功率放大器、低噪聲放大器、衰減器、移相器、微波開關VCO以及混頻器等，其經過近四十年的迅速發展，已經成為軍用、民用通信領域的關鍵組件之一。在所有這些應用中，砷化鎵基微波單片集成功率放大器電路從它的誕生起一直佔據著不可動搖的主導地位在個人語音和無線數據通信，特別是手機應用方面，GaAs基的FET,HBT MMIC功率放大器電路由於其低成本和高效率，具有較大的優勢；而在雷達、衛星和毫米波應用等高端市場應用方面，GaAs pHEMT MMIC功率放大器以其成熟的工藝，極高的可靠性，也一直是這些領域的首選組件。而隨著這些應用領域的進一步發展，更高集成度、更大輸出功率、更好的線性度以及更高效率繼續成為砷化鎵基微波單片集成功率放大器電路的發展趨勢和動力。基於GaAs基PHEMT的X波段(8_12GHz)這一頻率範圍，主要應用領域包括雷達應用、軍用通信衛星、空間通信以及交通檢測等等，這些領域的應用都需要大量高性能、高集成度和低成本的功率放大器，尤其是其中X波段的相控陣雷達的應用。在砷化鎵集成電路的可靠性實驗當中，大多數樣品均出現一段時間內器件熱阻隨時間減小的現象，這是由於較高的試驗溫度使晶片與管殼之間的接觸應力有所改善。對於功率FET，熱阻是一個重要的參數，當器件處於同一功耗和外部環境時，熱阻小就可以減小溝道溫度，提高器件正常使用狀態的可靠性。而通過背面減薄、通孔、電鍍等工藝，減小了器件熱阻，可以有效地提高功率器件與電路的可靠性。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明的主要目的是提供一種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，以實現穩定可靠的GaAs pHEMT功率器件與電路背面後道工藝。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，該方法採用減薄研磨工藝降低襯底的厚度，採用納米拋光液對外延結構的襯底進行化學機械拋光，採用濺射鈦/鎳合金的方法製作掩膜，使用ICP工藝進行深背孔刻蝕，採用減薄工藝製備出了厚度超薄、拋光面形貌優良的襯底，並配合ICP刻蝕工藝，製作出側壁光滑的深孔結構；採用濺射鈦/鎢/金複合層金屬的方法形成背金起鍍層，之後電鍍金形成背面金屬。上述方案中，該方法採用5層疊層結構，該5層疊層結構是使用不同熔點、不同柔韌度的高溫石蠟和低溫石蠟將砷化鎵襯底、藍寶石雙面拋光片和磨花玻璃基板依次黏合在一起。
上述方案中，所述採用減薄研磨工藝降低襯底的厚度，是採用9 μ m氧化鋁微粉配合玻璃磨盤對襯底進行減薄。上述方案中，所述採用納米拋光液對外延結構的襯底進行化學機械拋光，是採用背面拋光工藝，使用CMP對襯底進行拋光，使用聚氨基甲酸乙酯樹脂作為拋光碟。上述方案中，所述使用ICP工藝進行深背孔刻蝕，是使用基於氯氣Cl2和三氯化氫CHCl3混合氣體的ICP幹法刻蝕工藝進行背面刻蝕。上述方案中，所述採用濺射鈦/鎢/金複合層金屬的方法形成背金起鍍層，是在Ti/Ni合金層上光刻電鍍圖形，磁控濺射Ti/W/Au起鍍層，Ti金屬層的厚度為100 150 A，W金屬層的厚度為350 550 A, Au金屬層的厚度為500 1000 A。上述方案中，所述電鍍金形成背面金屬，是在起鍍層Ti/W/Au金屬上光刻電鍍用圖形，電鍍Au,厚度3 5 μ m,並超聲剝離出背面金屬結構。上述方案中，該方法在電鍍金形成背面金屬之後還包括融化高溫石蠟，分離5層結構中的藍寶石雙面拋光片和GaAs襯底，然後清洗、劃片和封裝，完成砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果I、本發明提供的這種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，在實際應用中可以實現穩定可靠的GaAs pHEMT功率器件與電路背面後道工序，成功將背面減薄到70um以下，並獲得良好的背面通孔側壁，同時良好的背面金屬結構極大的降低串聯電阻以及熱阻。2、本發明提供的這種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，表現出高可靠性、低成本、加工簡單和裝配方便等特點，是在完成GaA spHEMT功率器件與電路研製過程中形成的新的背面後道工藝。


圖I是本發明提供的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法的工藝流程圖；圖2是本發明使用熔點不同的、柔韌度不同的石蠟將襯底與藍寶石雙面拋光片以及磨花玻璃基板黏合在一起的示意圖；圖3是本發明融化低溫石蠟分離5層結構中的磨花玻璃基板的示意圖；圖4是本發明採用電子束蒸發工藝在襯底拋光面製作Ti/Ni合金掩膜層的示意圖；圖5是本發明在Ti/Ni合金層上光刻刻蝕圖形的示意圖；圖6是本發明酸腐蝕Ti/Ni合金層的示意圖；圖7是本發明使用ICP工藝對GaAs襯底和襯底正面生長的外延層刻蝕的示意圖8是本發明在Ti/Ni合金層上光刻電鍍圖形磁控濺射Ti/W/Au起鍍層的示意圖；圖9是本發明超聲剝離出背面金屬結構的示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明提供的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，應用於GaAspHEMT功率器件與電路半導體工藝中的後道工藝，採用減薄研磨工藝降低襯底的厚度，採用納米拋光液對外延結構的襯底進行化學機械拋光，採用濺射鈦/鎳合金的方法製作掩膜， 使用ICP工藝進行深背孔刻蝕，採用減薄工藝製備出了厚度超薄、拋光面形貌優良的襯底，並配合ICP刻蝕工藝，製作出側壁光滑的深孔結構；採用濺射鈦/鎢/金複合層金屬的方法形成背金起鍍層，之後電鍍金形成背面金屬。如圖I所示，圖I是本發明提供的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法的工藝流程圖，包括以下步驟步驟I :在GaAs襯底外延層正面上製作功率器件與電路，包括正面管芯單元結構、布線、空氣橋結構、電容、電阻匹配網絡等；步驟2 :在GaAs襯底正面塗敷光刻膠膜保護電路結構；步驟3 :採用5層疊層結構，使用熔點不同的、柔韌度不同的石蠟將所述襯底與藍寶石雙面拋光片以及磨花玻璃基板黏合在一起(如圖2所示)；步驟4 :使用9 μ m氧化鋁微粉(Al2O3又稱剛玉)配合特種玻璃磨盤對襯底進行減薄，減薄完畢時襯底最終厚度< 100 μ m,表面粗糙度Ra < 500 A；步驟5 :使用CMP對襯底進行拋光，CMP主要成分為納米矽膠(5% 12% )，次氯酸鹽(O. 03% O. 8% )，雙氧水(1.5% 5%)，PH調節劑(O. I % O. 6% )，冷卻劑(O. 02% O. 1% )，DI水(85% 98% )，使用聚氨基甲酸乙酯樹脂作為拋光碟，拋光完畢後襯底厚度< 70 μ m,表面粗糙度Ra<10 A；步驟6 :融化低溫石蠟，分離5層結構中的磨花玻璃基板(如圖3所示)，採用電子束蒸發工藝，在襯底拋光面製作Ti/Ni合金掩膜層(如圖4所示)，膜層合金比例Ti Ni= 1.4，厚度 2 μ m ;步驟7 :在Ti/Ni合金層上光刻刻蝕圖形(如圖5所示)，酸腐蝕Ti/Ni合金層(如圖6所示);步驟8 :使用ICP工藝，用氯氣(Cl2)和三氯化氫(CHCl3)混合氣體將GaAs襯底和襯底正面生長的外延層完全刻蝕乾淨，刻蝕深度70 72 μ m(如圖7所示)；步驟9 :在Ti/Ni合金層上光刻電鍍圖形，磁控濺射Ti/W/Au起鍍層(如圖8所示)，Ti金屬層的厚度為100 150 A，W金屬層的厚度為350 550 A，Au金屬層的厚度為500 1000 A；步驟10 :在起鍍層Ti/W/Au金屬上光刻電鍍用圖形；步驟11 :電鍍Au，厚度3 5μπι，超聲剝離出背面金屬結構(如圖9所示)；步驟12 :融化高溫石蠟，分離5層結構中的藍寶石雙面拋光片和GaAs襯底，清洗，劃片，封裝；至此，所有步驟完成。本發明提供的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，可以有效完成GaAs pHEMT功率器件與電路的背面減薄、通孔和背面金屬化等步驟，成功的將GaAs襯底減薄至70um以下，並獲得良好的背面通孔側壁，同時良好的背面金屬結構極大的降低串聯電阻以及熱阻。該工藝表現出低成本，高可靠性的特點，是在完成GaAspHEMT功率器件與電路製作過程中新的後道工藝。本發明提供的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，引入了 5層疊層式平整固定方法，大大改善了對襯底減薄厚度均勻性的控制，同時避免了減薄過程累計損傷導致的晶片碎裂，將減薄厚度提高到了新水平，到達了 70um以下，提高了可操作性，CMP工藝的引入降低了襯底表面粗糙度，使得金屬掩膜的粘附性和形貌大大改善，降低了刻蝕帶來的損傷，降低了 ICP工藝難度，提高了 ICP刻蝕的效果，使背金電鍍的可靠性有顯著的提高。後道系統中各個工藝互相配合，製作了高可靠性的散熱結構，減小了熱阻帶來的退化效應，設計中單管特徵參數得到最大的保留，實現了工作於X波段的MMIC功率放大器電路。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，其特徵在於，該方法採用減薄研磨工藝降低襯底的厚度，採用納米拋光液對外延結構的襯底進行化學機械拋光，採用濺射鈦/鎳合金的方法製作掩膜，使用ICP工藝進行深背孔刻蝕，採用減薄工藝製備出了厚度超薄、拋光面形貌優良的襯底，並配合ICP刻蝕工藝，製作出側壁光滑的深孔結構；採用濺射鈦/鎢/金複合層金屬的方法形成背金起鍍層，之後電鍍金形成背面金屬。
2.根據權利要求I所述的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，其特徵在於，該方法採用5層疊層結構，該5層疊層結構是使用不同熔點、不同柔韌度的高溫石蠟和低溫石蠟將砷化鎵襯底、藍寶石雙面拋光片和磨花玻璃基板依次黏合在一起。
3.根據權利要求I所述的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，其特徵在於，所述採用減薄研磨工藝降低襯底的厚度，是採用9um氧化鋁微粉配合玻璃磨盤對襯底進行減薄。
4.根據權利要求I所述的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，其特徵在於，所述採用納米拋光液對外延結構的襯底進行化學機械拋光，是採用背面拋光工藝，使用 CMP對襯底進行拋光，使用聚氨基甲酸乙酯樹脂作為拋光碟。
5.根據權利要求I所述的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，其特徵在於，所述使用ICP工藝進行深背孔刻蝕，是使用基於氯氣Cl2和三氯化氫CHCl3混合氣體的 ICP幹法刻蝕工藝進行背面刻蝕。
6.根據權利要求I所述的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，其特徵在於，所述採用濺射鈦/鎢/金複合層金屬的方法形成背金起鍍層，是在Ti/Ni合金層上光刻電鍍圖形，磁控濺射Ti/w/Au起鍍層，Ti金屬層的厚度為100 150 A，w金屬層的厚度為 350 550 A，Au金屬層的厚度為500 1000 A。
7.根據權利要求I所述的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，其特徵在於，所述電鍍金形成背面金屬，是在起鍍層Ti/W/Au金屬上光刻電鍍用圖形，電鍍Au，厚度 3 5 μ m,並超聲剝離出背面金屬結構。
8.根據權利要求I所述的砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，其特徵在於，該方法在電鍍金形成背面金屬之後還包括融化高溫石蠟，分離5層結構中的藍寶石雙面拋光片和GaAs襯底，然後清洗、劃片和封裝，完成砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作。
全文摘要
本發明公開了一種砷化鎵基微波單片集成電路功率器件的製作方法，應用於GaAs pHEMT功率器件與電路半導體工藝中的後道工藝，該方法採用減薄研磨工藝降低襯底的厚度，採用納米拋光液對外延結構的襯底進行化學機械拋光，採用濺射鈦/鎳合金的方法製作掩膜，使用ICP工藝進行深背孔刻蝕，採用減薄工藝製備出了厚度超薄、拋光面形貌優良的襯底，並配合ICP刻蝕工藝，製作出側壁光滑的深孔結構；採用濺射鈦/鎢/金複合層金屬的方法形成背金起鍍層，之後電鍍金形成背面金屬，降低背面接地電阻，同時大大改善了電路的散熱問題。
文檔編號H01L21/335GK102623336SQ20111003028
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月27日 優先權日2011年1月27日
發明者劉新宇, 龐磊, 汪寧, 羅衛軍, 陳中子, 陳曉娟 申請人:中國科學院微電子研究所