一種用于生產(chǎn)的GaN HEMT 器件空氣橋的設(shè)計(jì)

石浩，王雯潔，付登源，梁宗文，王溯源，張良，章軍云

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016）

1 引言

20 世紀(jì)90 年代初，以第三代半導(dǎo)體SiC 和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料取得突破[1-2]。GaN HEMT作為第三代寬禁帶化合物半導(dǎo)體器件，在微波功率器件應(yīng)用領(lǐng)域有著顯著的性能優(yōu)勢，它具有更大的輸出功率密度、大的臨界擊穿電場強(qiáng)度、耐高溫和天然抗輻照等特性[3-4]，因此GaN 單片微波集成電路（MMIC）能滿足國防和宇航領(lǐng)域應(yīng)用的要求。常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT 器件由于異質(zhì)結(jié)材料存在很強(qiáng)的壓電極化和自發(fā)極化，在非故意摻雜的情況下能夠在異質(zhì)結(jié)界面處形成高密度和高電子遷移率的二維電子氣，正是二維電子氣溝道的高導(dǎo)電能力和氮化物材料的高擊穿特性為GaN HEMT 器件在高頻、高溫、大功率等應(yīng)用方面提供了材料基礎(chǔ)[5-6]。

隨著GaN HEMT 器件的不斷發(fā)展，器件的截止頻率和單管最大功率要求越來越高，因此必須把器件制作成多柵的結(jié)構(gòu)，在器件的制作中產(chǎn)生很多獨(dú)立的源端和漏端，引入空氣橋結(jié)構(gòu)可將這些獨(dú)立的源端和漏端連接在一起，形成統(tǒng)一的源或漏[7]?？諝鈽虻募纳娙葜挥薪橘|(zhì)橋的5%～20%[8]，如果采用空氣橋結(jié)構(gòu)可以極大地降低寄生電容對(duì)截止頻率和最大振蕩頻率的影響?？梢?，空氣橋是GaN HEMT 器件的一個(gè)重要組成部分，也是決定器件性能和可靠性的重要因素[9-10]。當(dāng)前MMIC 中已經(jīng)出現(xiàn)大量減少寄生電容的空氣橋，以此來改善其頻率特性[11]。但制作空氣橋的方法大相徑庭，例如采用300 ℃左右的高溫對(duì)金屬橋底光刻膠犧牲層進(jìn)行烘烤，得到拱形光刻膠以提高空氣橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而提高集成電路的可靠性。但對(duì)于如AlGaN/GaN 微波器件這種利用二維電子氣作為導(dǎo)電通道的異質(zhì)結(jié)器件，高溫烘烤會(huì)影響器件的功率和頻率特性，而采用低溫烘烤進(jìn)行光刻膠犧牲層定型需要數(shù)小時(shí)的烘烤才能滿足工藝對(duì)光刻膠犧牲層形貌的要求，降低了生產(chǎn)速度和效率。此外，空氣橋的引入加長了器件的制作流程，提升了器件制作的難度，因而會(huì)造成成品率的下降。因此，開發(fā)出一種工藝簡單、節(jié)約成本且適用于生產(chǎn)的空氣橋是非常必要的[12-13]。

本文設(shè)計(jì)了一種拱形空氣橋結(jié)構(gòu)，通過改變光刻膠的烘膠溫度、烘膠時(shí)間以及曝光焦距，觀察空氣橋的形貌，得出了能夠用于GaN HEMT 器件生產(chǎn)的空氣橋制作的最優(yōu)條件。

2 空氣橋分析及設(shè)計(jì)

犧牲層光刻膠的上層和下層均為金屬結(jié)構(gòu)，因此這2 層重疊的金屬和中間的介質(zhì)組成了電容。假設(shè)2極板面積為S，其間距離為d，且S＞＞d2，以忽略邊緣效應(yīng)的影響。而2 極板間介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)為εr，真空介電常數(shù)為ε0，則2 電容極板間的單位面積電容為

通過采用εr接近1 的空氣作為中間介質(zhì)，可有效減少2 層重疊金屬單位面積的寄生電容。此外，通過增加d亦或者減少S，也可減少單位面積的寄生電容，達(dá)到改善電路和微波大功率器件頻率特性的目的。

拱形橋是最簡單的一種空氣橋，這種簡單的設(shè)計(jì)使拱形橋非常適合微型結(jié)構(gòu)制造[14]。圖1 為拱形空氣橋受力分析圖，圖中空氣橋受到一個(gè)力F，這個(gè)力主要由2 部分組成。一部分是橋金屬自身的重量；另一部分是由于GaN HEMT 器件通常工作在一些極端的環(huán)境下，例如飛機(jī)、衛(wèi)星和加速檢驗(yàn)測試可靠性的環(huán)境中[15]，空氣橋會(huì)受到一個(gè)加速度作用，相當(dāng)于在橋面上施加一個(gè)力?？諝鈽驎?huì)同時(shí)受到左右2 個(gè)橋墩的支撐力F1和F2。

圖1 拱形空氣橋受力分析

當(dāng)拱形橋受到向下的力F時(shí)金屬橋體受壓縮，這個(gè)力作用到橋面上會(huì)沿著拱形空氣橋分解為左右2組力Fa1、Fa2、……和Fb1、Fb2、……。金屬剛性的存在使得金屬受壓縮時(shí)產(chǎn)生一個(gè)彈性力，反作用于拱形橋來平衡金屬橋受到的壓力。因此，拱形橋的力主要來源于橋體自身結(jié)構(gòu)。這種橋體可以將向下的作用力轉(zhuǎn)移成橋體每一節(jié)的支撐力，所以拱形橋相較于平面橋能承受更大的壓力。當(dāng)器件遇到高溫時(shí)金屬橋體膨脹，產(chǎn)生很大的彈性力，由于拱形橋的對(duì)稱性，水平方向上的力會(huì)被抵消而產(chǎn)生一個(gè)垂直向上的力，使得橋體向上拱起而不會(huì)塌陷，確保了空氣橋在高溫下的可靠性。

本文設(shè)計(jì)的空氣橋的主要制作步驟如圖2 所示：（a）光刻出需要跨接空氣橋的部分并通過烘膠方式制作出拱形光刻膠定型橋；（b）蒸發(fā)一層金屬作為后續(xù)電鍍種子層；（c）光刻出需電鍍部分并電鍍上橋金屬；（d）去除光刻膠定型橋和多余的種子層，最終得到一個(gè)跨接源或漏的空氣橋。

圖2 空氣橋的主要制作步驟

3 空氣橋的工藝及分析結(jié)果

在實(shí)際生產(chǎn)中，空氣橋的高度越高，寄生電容就越小?？諝鈽虻母叨扔芍谱鬟^程中光刻膠定型橋的橋高決定，而定型橋的橋高又與所選擇的光刻膠性質(zhì)、光刻機(jī)分辨率和光刻工藝有極大關(guān)系。本文設(shè)計(jì)的用于GaN HEMT 器件生產(chǎn)的空氣橋選擇勻膠3.7 μm，光刻出空氣橋圖形后，高溫烘膠堅(jiān)膜，光刻膠在高溫下膨脹橢圓化，形成拱形定型橋。

圖3 為不同溫度下光刻膠定型橋的剖面圖，表1為不同烘膠溫度下光刻膠定型橋參數(shù)。不烘膠時(shí)，橋膠呈對(duì)稱的梯形，由于顯影液的作用，其高度與涂膠厚度相比略有下降；當(dāng)烘膠溫度達(dá)到130 ℃時(shí)，光刻膠在高溫下變軟，在水平方向上流淌并在表面張力的作用下向上凸起，形成一個(gè)拱形，橋膠高度從3.30 μm 上升到4.02 μm；烘膠溫度繼續(xù)升高至165 ℃，光刻膠定型橋剖面的各項(xiàng)參數(shù)未發(fā)生明顯變化；當(dāng)烘膠溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，定型橋橋高開始回縮，左/右起橋角度也有明顯回落，且過高的烘膠溫度會(huì)嚴(yán)重增加后期光刻膠定型橋的去膠難度。因此，當(dāng)烘膠溫度在130～165 ℃時(shí)烘膠充分，光刻膠定型橋有著良好的拱形，且表面光滑，是制作拱形空氣橋的理想條件。為了便于生產(chǎn)，兼容其他工藝條件，減少熱板升降溫的時(shí)間，本文選擇烘膠145 ℃作為實(shí)際生產(chǎn)條件。

表1 不同烘膠溫度下光刻膠定型橋參數(shù)

圖3 不同溫度下光刻膠定型橋的剖面圖

表2 為不同烘膠時(shí)間下光刻膠定型橋參數(shù)，當(dāng)烘膠時(shí)間在30 s 以內(nèi)時(shí)，橋膠寬度較大，橋高較小，左/右起橋角度較大，這是由于烘膠時(shí)間較短，光刻膠還未完全受熱均勻，此時(shí)的光刻膠定型橋角度和高度都不穩(wěn)定，片內(nèi)和片間重復(fù)性差；當(dāng)烘膠時(shí)間在60～120 s時(shí)，光刻膠受熱均勻，橋膠充分膨脹形成對(duì)稱、光滑的拱形，在這一時(shí)間段內(nèi)橋膠的寬度、高度和角度都很穩(wěn)定，片內(nèi)和片間重復(fù)性好；當(dāng)烘膠時(shí)間達(dá)到180 s時(shí)，橋膠受熱過度，高度回縮，出現(xiàn)膠條老化現(xiàn)象，不利于后期定型橋去膠。因此，烘膠時(shí)間選擇在60～120 s之間較為合理，本文考慮到后續(xù)偏壓濺射種子層的溫度影響，烘膠時(shí)間不宜太短，因此選擇120 s 作為實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的烘膠時(shí)間。

表2 不同烘膠時(shí)間下光刻膠定型橋參數(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，光刻膠膠型除了與烘膠溫度和時(shí)間相關(guān)外，還和曝光焦距強(qiáng)相關(guān)，要想使光刻膠定型橋的各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到最優(yōu)還需要選擇一個(gè)最優(yōu)的曝光焦距。通過控制變量法，在保證光刻后烘膠條件145 ℃、120 s 不變的前提下，改變曝光焦距，得到不同曝光焦距下的光刻膠定型橋參數(shù)，如表3 所示。由表3可知，光刻膠橋膠的各項(xiàng)參數(shù)均在曝光焦距為0 μm時(shí)達(dá)到最大值，并向兩端逐漸遞減。本試驗(yàn)中光刻掩模版的尺寸為30 μm，當(dāng)曝光焦距為0 μm 時(shí)，橋膠寬度更接近掩模版尺寸，且焦距為0 μm 時(shí)橋高最高，寄生電容最小。

表3 不同曝光焦距下光刻膠定型橋參數(shù)對(duì)比

從以上的分析結(jié)果可以看出，當(dāng)光刻焦距為0 μm，烘膠條件為145 ℃、120 s 時(shí)，可以得到一種寄生電容小、適用于日常生產(chǎn)的GaN HEMT 器件空氣橋。圖4 為上述條件下制作出的光刻膠定型橋剖面SEM圖，可以看出定型橋有著良好的拱形，且表面光滑、對(duì)稱。在AlGaN/GaN HEMT 器件上運(yùn)用該設(shè)計(jì)得到跨接有源區(qū)的空氣橋和跨接無源區(qū)的空氣橋，GaN HEMT 器件空氣橋SEM 圖如圖5 所示。

圖4 光刻膠定型橋剖面SEM 圖

圖5 GaN HEMT 器件空氣橋SEM 圖

當(dāng)前生產(chǎn)中使用上述條件制作的光刻膠定型橋，在良率測試時(shí)，主要關(guān)注空氣橋和下層金屬的隔離電阻和擊穿電壓。大量流片結(jié)果顯示，空氣橋和下層金屬的隔離電阻和擊穿電壓良率均接近100%，說明該方法制作的空氣橋有著極高的穩(wěn)定性，可用于生產(chǎn)使用。

4 結(jié)論

本文主要研究了一種GaN HEMT 器件空氣橋的設(shè)計(jì)，要在減少寄生電容的前提下滿足日常生產(chǎn)的要求。通過研究發(fā)現(xiàn)，寄生電容主要由空氣橋的高度決定，而空氣橋高度又是由制作過程中光刻膠定型橋的橋高決定的。本文對(duì)比了不同烘膠溫度、烘烤時(shí)間和曝光焦距的橋膠參數(shù)，最終選擇光刻焦距為0 μm、烘膠條件為145 ℃、120 s 作為生產(chǎn)條件，得到了具有良好拱形且表面光滑的質(zhì)量穩(wěn)定的空氣橋。