用于微波能量传输的微波集成电路（MMIC）镶嵌电互连制造技术

一种半导体结构，具有其中具有有源器件的半导体层。电介质结构设置在所述半导体层上方，该电介质结构中具有端部开口的沟槽。电互连层级设置在沟槽中并电连接到有源器件。多个叠置金属层设置在沟槽中。叠置金属层在其底部和侧壁上设置有导电阻挡金属层。

Microwave integrated circuit (MMIC) inlay interconnection for microwave energy transmission

A semiconductor structure with a semiconductor layer with an active component. The dielectric structure is set above the semiconductor layer, and the dielectric structure has a trench with an opening at the end. The electrical interconnect level is set in the grooves and electrically connected to the active device. A plurality of stacked metal layers are set in the grooves. An electrically conductive barrier layer is arranged on the bottom and side wall of the stacked metal layer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于微波能量传输的微波集成电路(MMIC)镶嵌电互连
本公开内容总体上涉及单片式微波集成电路，具体而言，涉及在这种电路中使用的高功率微波传输线结构。
技术介绍
在过去的十年中，氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)发展迅速以用于功率电子器件和高功率、高频率(通常被称为射频(RF))应用中。在高功率、高频率应用中，单片式微波集成电路(MMIC)已经展示了在S波段到W波段以及更高的频率范围内具有卓越特性的功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)。一般而言，GaNPA展现出相当于≥5倍功率密度的GaAsPA的增益和效率，并且常常具有非常大的输出外围(peripheries)。这种功率密度和外围的结合又导致具有非常大的总输出功率的MMIC。高功率密度和总输出功率已经提出了必须在材料、器件、片上互连和模块级别解决的可靠性难题(电和热)。化合物半导体代工厂花费了十年的时间在很大程度上解决了这些问题。例如，在片上互连(金属布线)的情况下，必须开发抗电迁移的基于金(Au)的传输线制造工艺用于所需的连续波(CW)和脉冲高功率RF应用。然而，随着GaN器件技术成熟并扩增到商业和国防市场，降低成本的努力将变得越来越重要。为此，以高产量减成工艺、大直径晶圆和快速发展的(基于摩尔定律)文化在硅(Si)代工厂中制造GaN器件是该技术的自然演进路径。然而，基于金(Au)的布线方案与硅代工厂不兼容，因为Au的高成本以及Au基本上是基于SiCMOS工艺中的污染物的事实。先进的硅代工厂使用铜(Cu)互连技术代替Au。因此，需要新的方法来防止电迁移在用于高功率RFMMIC的铜(Cu)互连中引起故障。如本领域已知的，基于铜的数字集成电路芯片通常使用铜互连，因为铜(Cu)是比铝(Al)更好的导体。然而，第二个益处是Cu更能抗电迁移。电迁移，即金属导体在流过它的电流的影响下而改变形状(最终导致导体断裂)的过程，在使用铜的情况下比使用铝(硅代工厂中通常可用的另一种金属选项)的情况下明显好得多。与铝相比，抗电迁移性的这种改进允许更高的电流流过给定尺寸的铜导体。然而，由于缺乏挥发性的铜化合物阻碍了用于互连的铜金属线的等离子体干法蚀刻，所以铜需要与铝不同的图案化方法。因此，通过类似于将金属引入主材料的传统技术，使用加成图案化工艺(有时称为“镶嵌”或“双镶嵌”工艺)完成铜的图案化，参见美国专利No.6,342,733和7,259,090和美国专利申请公开No.2014/0183739。更具体而言，在该工艺中，用于铜的主绝缘体材料(通常是下面的绝缘层)被图案化为具有开口沟槽，其中要形成铜。在绝缘层上沉积显著地过填充沟槽的厚的铜涂层，并且使用化学机械平坦化(CMP)去除延伸到绝缘层顶部上方的过量的铜。凹陷在绝缘层的沟槽内的铜不会被去除并且成为图案化的导电互连。对于金属互连(其可以被设置为水平沟槽或垂直过孔)的每个镶嵌层级(或级)，镶嵌工艺通常用铜形成并填充单个特征。对于后端工艺(BEOL)电路制造的单镶嵌变型，这使用具有硅的氮化物(SiNx)蚀刻停止层(以限制金属互连沟槽深度)和硅的氧化物(其中形成有沟槽的SiOx)的基底电介质叠置体，随后是扩散阻挡层以及到沟槽中的Cu沉积和CuCMP(如上所述)来进行。值得注意的是，SiNx和SiOx层具有x>0的组成。然后重复该过程以促进多层级互连的形成。双镶嵌工艺通常一次用铜形成和填充两个特征，例如，覆盖在电互连结构的过孔层级(或级)上的沟槽均可以使用双镶嵌用单次铜沉积来填充。因此，使用双镶嵌工艺互连，电互连结构的层级或级以及过孔层级或级由一次铜填充而形成。阻挡金属层必须完全包围所有的铜互连，因为铜扩散到周围的材料会降低其性能。顾名思义，阻挡金属必须充分限制铜的扩散性，以便将铜导体与下面的绝缘材料化学隔离，但仍具有高导电性，以保持良好的电子接触。阻挡层也必须充当Cu和下面的电介质和金属层之间的粘附层。如本领域所公知的，尽管利用镶嵌处理的铜金属化已经成为制造数字和其它相对低功率的集成电路(IC)中的主要互连处理。对于单片式微波集成电路(MMIC)的RF晶体管和无源匹配结构，镶嵌处理也被用于制造具有电互连(例如，微波传输线)的RF放大器功率电路。一种这样的MMIC镶嵌电互连结构在图1中示出。此处，例如，微波能量通过输入微波传输线(此处是具有通过电介质结构与接地平面导体分离的带状导体的带状传输线)通过电容器(此处例如是金属绝缘体金属(MIM)电容器)馈送到放大器GaNFET的栅电极(G)；该FET具有接地的源电极(S)；耦合到输出微波传输(此处是具有通过电介质结构与接地平面导体分离的带状导体的带状传输线，如所示的)的漏极(D)。以下段落概述了使用单镶嵌CuBEOL形成的MMIC的一般化形成。在形成核心晶体管的栅极(G)、源极(S)和漏极(D)之后，用镶嵌基底电介质叠置体(通常为硅的氮化物(SiNx)蚀刻停止层和硅的氧化物(SiOx)，如前所述)覆盖晶体管，并进行集成电路(IC)的后端工艺(BEOL)形成，图1。第一过孔层级(V0)形成在基底电介质叠置体中以提供到第一金属层级M1的电连接。接下来，沉积另一基底电介质叠置体，并且其用于形成提供接地平面导体即电容器的底板的第一金属层级M1。接下来，沉积另一基底电介质叠置体，并且形成电容器顶部和过孔1，然后同时进行金属化。随后是另一基底电介质叠置体的沉积和第二金属层M2的形成。值得注意的是，V1提供了：电容器的上板；提供了输入微波传输线的带状导体与电容器的底板之间的连接的一部分；提供了栅电极(G)和电容器的顶板之间的连接的一部分；并且提供了输出微波传输线的带状导体和漏(D)电极之间的连接的一部分。该过程继续进行具有开放过孔的下一基底电介质层叠置体以形成过孔V2。这之后又是另一基底电介质叠置体和沟槽形成以及金属沉积以形成第三金属层M3。值得注意的是，V2提供了：输入微波传输线的带状导体与电容器的底板之间的连接的一部分；提供了栅电极(G)和电容器的顶板之间的连接的一部分；并且提供了漏(D)电极和输出微波传输线的带状导体之间的连接的一部分。如图所示，第三金属层提供带状导体。应该注意，可以使用金属层级M2和M3形成未示出的其它无源器件，例如薄膜电阻器和螺旋电感器。此外，不同的电路拓扑结构(例如，通过晶圆键合与SiCMOS电路集成的GaNMMIC)可能需要比此处所示更多或更少的金属层级。最后，在最终的金属沉积之后，通常执行SiNx和SiOx覆盖层沉积，接着形成最终互连用于封装或测试。专利技术人已经认识到，将上层金属用于无源RF电路的一个原因是它们通常是在镶嵌工艺期间形成的最厚的金属，例如3微米厚。使用这些较厚的金属，与下部较薄的金属相比，除了处理高功率之外，RF或微波传输线路损耗可以更低。例如，在RF功率放大器IC中，若干晶体管的AC功率输出通常在离开芯片之前被合成到单个点。这种功率合成是通过连接若干微波传输线实现的。用于M3层级(或级)的这种厚金属互连层或层级(微波传输线)通常为3至7微米厚的不间断铜，其由镶嵌工艺中用于M3级或层级的金属的底部和顶部上使用的阻挡层界定。原因之一是金属互连层的最厚的可用的不间断导电体将处理大部分的功率，这将降低高功率微波传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波传输线结构，包括：电介质结构；带状导体，所述带状导体设置在所述电介质结构上方，所述电介质结构中具有端部开口的沟槽；其中，所述带状导体设置在所述沟槽中；其中，所述带状导体包括设置在所述沟槽中的多个叠置金属层；并且其中，该叠置金属层在其底部和侧壁上设置有导电阻挡金属层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.08 US 14/733,4651.一种微波传输线结构，包括：电介质结构；带状导体，所述带状导体设置在所述电介质结构上方，所述电介质结构中具有端部开口的沟槽；其中，所述带状导体设置在所述沟槽中；其中，所述带状导体包括设置在所述沟槽中的多个叠置金属层；并且其中，该叠置金属层在其底部和侧壁上设置有导电阻挡金属层。2.根据权利要求1所述的微波传输线结构，其中，所述金属层是铜。3.根据权利要求2所述的微波传输线结构，其中，所述阻挡层是Ta、TaN、TiN或其组合。4.一种电互连结构，包括：垂直定位的水平设置的电介质结构对，所述电介质结构中的每一个电介质结构中具有端部开口的多个沟槽，所述电介质结构中的至少一个电介质结构中的所述沟槽中的每一个沟槽中包括电互连层级，所述电互连层级的下部终止于导电过孔的上部，所述导电过孔穿过所述电介质结构中的下部电介质结构，以与所述电介质结构中的所述下部电介质结构中的沟槽中的电互连层级进行互连，并且其中，所述电介质结构中的所述至少一个电介质结构中的所述电互连层级包括多个金属层，所述金属层中的每一个金属层在其侧壁上具有阻挡金属。5.一种结构，包括：垂直定位的电介质结构对，所述电介质结构中的上部电介质结构中具有端部开口的沟槽，并且所述电介质结构对中的下部电介质结构具有穿过其的导电过孔；以及电互连，所述电互连设置在所述端部开口的沟槽中，所述电互连层级的下部终止于所述导电过孔的上部，所述电互连层级...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·R·拉罗什，J·P·贝当古，T·E·卡齐奥，K·P·叶，
申请(专利权)人：雷声公司，
类型：发明
国别省市：美国,US