一种化合物半导体层间介电导线及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体技术领域。本发明专利技术公开了一种化合物半导体层间介电导线，其包括由SiNx介电层、BCB有机介电层和金属导电层组成的导线层，其中根据具体需求由一个或多个导线层组成；本发明专利技术还公开了一种化合物半导体层间介电导线的制备方法，包括SiNx介电层沉积、BCB有机介电层沉积、SiO2硬掩膜沉积、光刻显影金属导线连接孔槽图形、刻蚀接线柱、溅射金属导线种子层、光刻显影金属导线图形、电镀金属导线和除去金属导线种子层等步骤。本发明专利技术中的化合物半导体层间介电导线架构更稳定、电容更低、电延迟更小、集成度高并能够保证高频高功率工作状态下具有更优表现；本发明专利技术中的制备方法工艺成熟、可以实现大规模产业化生产制造。

A compound semiconductor interlayer dielectric wire and its preparation method

The invention belongs to the field of semiconductor technology. The invention discloses a dielectric wire compound semiconductor layer, comprising a SiNx dielectric layer, BCB organic dielectric layer and a metal conductive layer composed of conductor layer, which according to the specific needs by one or a plurality of conductor layers; the invention also discloses a preparation method of a dielectric wire compound the semiconductor layer between the dielectric layer, including SiNx, BCB, SiO2 organic dielectric layer hard mask deposition, photolithography metal wire connecting hole groove pattern, etching terminal, sputtering metal wire, metal wire seed layer lithography graphics, electroplating metal wire and metal wire and other steps to remove the seed layer. The invention is a compound semiconductor layer between the dielectric conductor structure more stable, lower power, smaller delay capacitance, high degree of integration has better performance and can guarantee the working condition of high frequency and high power; the preparation method of the invention has mature technology, can achieve large-scale industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种化合物半导体层间介电导线及其制备方法
本专利技术涉及半导体及半导体制造
，尤其是涉及一种化合物半导体层间介电导线及其制备方法。
技术介绍
5G通信、物联网和生活智能化正在改变人类的日常生活，而高频、高功率、功能多样化的半导体元器件则是这些高科技产业发展的关键技术。其中以砷化镓为代表的化合物半导体材料由于禁带宽度大、电子迁移率高等物理特性，使得以化合物半导体材料为基础的元器件在网络通讯等领域的应用显示出了突出的优势。针对这类元器件研发的热点除了基本元器件本身外延层结构的设计，加工工艺的改进，还有芯片内各种多样化功能单元（如垂直结构的晶体管HBT、平面结构的场效应管FET、高电子迁移率常效应晶体管pHEMT、金属薄膜电阻、电容、电感等）更高更复杂的集成整合，尤其在化合物半导体器件设计更微小化（如更小栅极尺寸的高电子迁移率晶体管pHEMT），同一芯片内包含的功能组件更多也更多样化，各种单元器件间连接更多也更复杂，器件的可靠性要求也不断在提高，这些使得芯片内器件的连接集成整合面临难度更高的技术挑战。先前化合物半导体器件上使用的传统空气桥金属导线连接方式由于占用空间大、抗机械损伤能力差，已远远不能满足芯片内更多功能单元器件各种繁杂多样化连接的要求，取而代之的层间介电导线连通技术正迅速成为研究攻关的新热点，目的是在导线和连接层数目不断增加的情况下，除了保证芯片内部不同功能组件间高质量的电极连通，还要进一步减小层间铺设的金属导线间寄生电阻、电容，进而使伴随其来的传输延迟效应最小化，因为这些都是限制器件高频快速响应的重要因素。层间介质导线连接技术在硅基半导体芯片集成上的应用广泛，但是那些技术对新兴的高频高功率化合物半导体芯片集成并不适用，也无法简单照搬。原因除了化合物半导体衬底的机械韧性差，由于散热问题需要减薄至100μm或更薄，减薄后的衬底非常易碎易裂，从而使得运用介电层、金属导线铺设结合化学机械研磨来形成硅基器件多层介电导线连接的方式不适用于化合物半导体。还有化合物半导体类的高频高功率器件，从异质结晶体管到高电子迁移率晶体管，掺杂浓度高，温度高于300ºC的工艺都会极大程度的影响器件的稳定性，严重时会导致器件的失效。这些来自材料机械性能和器件物理性能的限制给寻找合适的化合物半导体器件层间介电导线铺设技术，从适当的介电材料的选择，层间介电层架构的设计，到合适的制造工艺路线的研发等，都带来了很大的困难。尤其当芯片中同时包含垂直结构的器件，如HBT和横向平面器件如FET、pHEMT、电容、电阻、电感等高度差很大的功能元件，加上导线密集度的与日剧增更加剧了这项新技术开发的艰巨性。现在化合物半导体层间介电技术普遍使用的介电材料有CVDSiNx,可旋转涂布的有机介电材料如Polyimide、BCB等。其中CVD沉积的SiNx介电薄膜的硬度高、机械强度高，对环境中的水汽能起到良好的隔离作用。其介电常数k为～7.0，SiNx的沉积温度在250～300ºC，需要使用光刻胶和干法刻蚀来进行图形复制，如在电极位置开孔，开槽等。CVDSiNx介电薄膜各向沉积速率大致相同，导致产生的膜层随衬底表面器件的高低起伏凹凸而变化。但是受衬底上形成器件的各种三维结构本身形貌和薄膜沉积角度的影响，器件表面突出平坦的部分和顶部拐角处沉积层厚度较厚，而在侧壁内凹的沟槽底部和底部拐角处的沉积厚度较薄，从而形成烤面包型的局部形貌。这种形貌使得当沟槽间距较窄，纵横比较大，或出现器件侧壁内凹时，顶部相邻膜层边缘随介电薄膜的继续沉积而逐渐靠近，并对底部的膜层沉积形成一定的阻挡，当器件设计沟槽间距进一步减小，而需要的介电材料膜厚进一步增加时，最终会导致顶部拐角处的电介质膜接触到一起，介电薄膜底部膜厚相对较薄，由此在中间形成了空隙。这些介电层中的空隙会对器件的可靠性造成很大的影响。此外，铺设在上面的金属导线在膜层表面形貌存在接缝和不连续的地方容易出现金属导线的不连续或断裂的现象，这也是引起器件可靠性问题的重要原因之一。聚酰亚胺Polyimide机械强度高，但是对环境中的水汽阻隔能力不如SiNx，容易吸附周围环境中的水汽。Polyimide的介电常数k为2.8～3.3，可用传统的光刻胶旋转涂布方式进行涂布，但是需要在～280ºC高温下经过～1小时或更长时间的烘箱烘焙，才能完成交联固化并达到所需的机械和介电性能。Polyimde介电层上的开孔开槽，也需要通过使用光刻胶和干法刻蚀工艺来实现。此外，这类有机介电材料较SiNx具有相对较好的表面凹槽填补和表面平坦化的性能。但是当器件的侧壁刻蚀形貌呈内倾斜时，还是会由于Polyimide材料本身的流动性和高温交联固化过程中的热、机械性能导致介电材料体积缩小，并会在铺设的介电层中出现空隙，这些空隙的存在也是严重影响器件可靠性能的原因。DOWChemical研发适于干法刻蚀的BCB有机介电材料，较polyimide的介电常数更低(k为2.5～2.65),对环境的水分阻隔性能更好，高温固化的温度更低（～250ºC）时间更短（～0.5小时），其器件表面开孔开槽的填补和表面平坦化性能也更优，成为替代polyimide在层间介电架构中更优的选择。BCB的图形复制工艺与polyimide一样，需要借助光刻胶的辅助。BCB介电材料各项性能是目前化合物半导体层间介电架构材料的最佳选择，但是由于材料本身的限制，如与半导体的粘附面在使用过程中，由于温度和电等应力的作用会出现裂缝，这将直接导致器件稳定和可靠性的下降，有待继续改进。除此以外，面对芯片上功能器件尺寸进一步缩小，器件内垂直器件和平面器件并存造成需连接电极高度差悬殊，导线层次更多，集成度密集度更高，更复杂，对层间介电架构的介电性能，可靠性的要求也更高的现状，单一介电材料已不能满足要求。化合物半导体器件技术的迅猛发展，急需开发一种更稳定可靠的层间介电导线连接结构，并制定出可规模化生产制造的成熟工艺路线。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种架构更稳定、电容更低、产生的电延迟更小、集成度高、导线密集并能够保证器件在高频高功率工作状态下具有更优表现的化合物半导体层间介电导线；同时本专利技术还提供了一种工艺技术成熟、可以实现大规模产业化生产制造的化合物半导体层间介电导线的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种化合物半导体层间介电导线，其包括由SiNx介电层、BCB有机介电层和金属导电层依次组成的导线层。作为优选，SiNx介电层的厚度为500～1200Å，BCB有机介电层的厚度为2～4μm，金属导电层的厚度为2～4μm。作为优选，化合物半导体层间介电导线由一个或多个导线层组成。作为优选，金属导电层为金导电层。本专利技术提供了一种可用于各种化合物半导体器件的层间介电导线。层间介电层将使用500～1200Å厚的PECVDSiNx和2～4um厚的BCB结合的双层介电层结构。第一层SiNx介电层仍然能成功的阻隔环境中水汽对器件的影响，但是所需的厚度大大降低，所以完全避免了厚SiNx介电层在导线连接孔和槽间隙减少至～1μm甚至更小时内部空隙缺陷的形成，加上BCB作为最佳有机介电材料的各种优良性能，如低介电常数、交联固化过程所需温度低～250℃、时间短～0.5hr、体积变化少、与S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化合物半导体层间介电导线，其特征在于：其包括由SiNx介电层、BCB有机介电层和金属导电层依次组成的导线层。

【技术特征摘要】
1.一种化合物半导体层间介电导线，其特征在于：其包括由SiNx介电层、BCB有机介电层和金属导电层依次组成的导线层。2.根据权利要求1所述的一种化合物半导体层间介电导线，其特征在于：所述SiNx介电层的厚度为500～1200Å，BCB有机介电层的厚度为2～4μm，金属导电层的厚度为2～4μm。3.根据权利要求1或2所述的一种化合物半导体层间介电导线，其特征在于：其由一个或多个导线层组成。4.根据权利要求1所述的一种化合物半导体层间介电导线，其特征在于：所述的金属导电层为金导电层。5.一种根据权利要求1所述的化合物半导体层间介电导线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）在化合物半导体衬底上用PECVD工艺沉积第一层SiNx介电层；2）在SiNx介电层上用旋转涂布工艺涂布第二层BCB有机介电层；3）在BCB有机介电层上用PECVD工艺沉积SiO2刻蚀硬掩膜；4）在SiO2刻蚀硬掩膜上用光刻工艺显影形成金属导线连接孔槽图形；5）用电感耦合等离子体干法刻蚀形成导线连通的接线柱；6）用磁控溅射工艺形成TiW/Au金属导线种子层；7）用光刻工艺显影形成金属导线图形；8）用电镀工艺形成金属导电层，并用剥离工艺除去多余的金属；9）用反向电镀和湿法刻蚀工...

【专利技术属性】
技术研发人员：任华，程岸，汪耀祖，
申请(专利权)人：杭州立昂东芯微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33