專利名稱：抑制襯底渦流效應的微電子機械電感及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明提出了一種基于共面波導傳輸線的能夠抑制襯底渦流效應的微電子機械電感及其制備方法，屬于微電子機械系統(tǒng)的技術領域。
背景技術：
在微波通訊領域中，共面波導傳輸線可以方便的連接外部元器件，如電阻、電容和電感等組成微波電路。此類傳輸線不必像微帶線那樣要在基片上通孔，因而越來越廣泛的應用在微波集成電路中。同時，微波集成電路中高品質因數(shù)的電感是非常重要的，它能大大減小振蕩器和放大器的相位噪聲或功率損耗，使匹配網(wǎng)絡和濾波器具有較低損耗。電感的品質因數(shù)定義為電感存儲的磁能與電感一周期內消耗的能量的比值，平面螺旋電感的損耗主要來自兩個方面螺旋電感金屬導體的歐姆損耗和襯底損耗，其中襯底損耗主要是因為電感器線圈產(chǎn)生的磁場進入非絕緣性襯底引起襯底渦流，即電感和襯底間的容性耦合所導致的傳導和位移電流造成的。由于受到金屬歐姆損耗和襯底損耗的雙重影響，平面螺旋電感的品質因數(shù)一直比較低，尤其在射頻應用中，此時襯底損耗是影響電感性能的主要因素。但是，利用標準的薄膜、平面微電子工藝很難實現(xiàn)射頻工作下的高品質因數(shù)(Q＞10)的片上電感，使電感成為射頻集成電路的主要瓶頸之一。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術超強的微精細加工能力和易與傳統(tǒng)集成電路工藝兼容的特點使之成為實現(xiàn)具有高品質因數(shù)、高諧振頻率和小型化片上電感器的有效途徑。
通過對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，目前具有抑制襯底渦流效應的電感的實現(xiàn)類似于文獻Olive H.Murphy，Kevin G.McCarthy，Design ofMultiple-Metal Stacked Inductors Incorporating an Extended PhysicalModel，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.53，no.6，pp.2063-2072，Jun.2005.(多層金屬互聯(lián)電感的設計和物理模型)中采用的金屬線互連工藝將電感結構下的屏障接地，這增加了成本和設計難度而且電感的品質因數(shù)很難超過15。
發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種抑制襯底渦流效應的微電子機械電感及其制備方法，在減少襯底的渦流損耗的同時減少射頻下電感的其他各種損耗，提高電感的品質因數(shù)，該電感的制作工藝與傳統(tǒng)平面集成電路工藝相兼容，增加了本發(fā)明的實用性。
技術方案本發(fā)明針對基于共面波導傳輸線和標準砷化鎵(GaAs)工藝的片上電感，通過部分延伸共面波導的地線至電感結構下方，形成有效的接地屏障，它相當于將襯底用小電阻短路來減小流向襯底的電流，從而抑制襯底渦流效應，將接地屏障設計成插指形狀可以防止產(chǎn)生鏡像電流；同時通過犧牲層形成和釋放、背面刻蝕襯底等工藝進一步減少損耗，實現(xiàn)該微機械電感的工藝與傳統(tǒng)IC工藝兼容。
本發(fā)明提出的抑制渦流效應的微電子機械電感包括標準砷化鎵GaAs襯底，鋁鎵砷AlGaAs薄膜，氮化硅SiN介質層，電感下層引線，電感器上層線圈，共面波導地線，共面波導信號線和接地屏障。
該電感以GaAs襯底為襯底，在GaAs襯底的上表面有一層AlGaAs薄膜，在AlGaAs薄膜的上表面有一層SiN介質層，電感的上層線圈(懸空在SiN介質層的上方，電感的上層線圈的中心與通過AlGaAs薄膜上的電感下層引線與第二共面波導信號線連接，電感的上層線圈的外邊緣連接第一共面波導信號線；接地屏障為插指形狀連接在共面波導地線的內側并位于電感上層線圈與SiN介質層之間；第一共面波導信號線、第二共面波導信號線和第一共面波導地線第二共面波導地線共同構成共面波導傳輸線。
其中的接地屏障與共面波導地線連接，從共面波導線的地線部分延伸出來，外形為插指形狀并位于電感上層線圈的下方；其中的電感上層線圈通過犧牲層的釋放得以懸空；其中的標準砷化鎵GaAs襯底為減薄襯底(厚度為100微米)；本發(fā)明的抑制渦流效應的微電子機械電感的制備方法具體包括以下步驟第一步.準備襯底，選用未摻雜的半絕緣砷化鎵作為GaAs襯底；
第二步.外延生長鋁鎵砷AlGaAs薄膜鋁鎵砷作為腐蝕自停止層，并將鋁鎵砷(AlGaAs)自停止層進行半絕緣化處理；第三步.涂光刻膠并光刻刻蝕出共面波導傳輸線、電感下層引線和與地線連接的接地屏障的形狀；第四步.第一次濺射Ti/Au/Ti層，形成用于電鍍的底金種子層；第五步.第一次光刻Ti/Au/Ti層，保留不需要電鍍的地方的光刻膠；第六步.第一次電鍍Au層；第七步.反刻Au層，腐蝕底金種子層，光刻形成共面波導傳輸線、電感器下層引線和接地屏障；第八步.光刻、淀積SiN介質層用PECVD工藝生長SiN絕緣層并光刻；第九步.在SiN介質層上淀積聚酰亞胺犧牲層；第十步.第二次濺射Ti/Au/Ti層在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti層，形成用于電鍍電感器線圈的底金種子層；第十一步.第二次光刻Ti/Au/Ti層，保留不需要電鍍的地方的光刻膠；第十二步.第二次電鍍Au層在55°氰基溶液中電鍍金；第十三步.釋放聚酰亞胺犧牲層丙酮去除殘留的光刻膠，然后用顯影液融解電感線圈下的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，至此步驟電感線圈懸空；第十四步.背面刻蝕GaAs襯底至AlGaAs阻擋層。
本發(fā)明中接地屏障由共面波導傳輸線的地線延伸至電感結構下方，不僅實現(xiàn)方便，而且效果更加明顯，在此基礎上，引入了與傳統(tǒng)微電子工藝兼容的MEMS工藝(犧牲層釋放、襯底背面刻蝕)進一步減小了電感的襯底渦流損耗，獲得了品質因數(shù)大于22的新型微機械電感。
有益效果本發(fā)明由于特殊工藝步驟產(chǎn)生插指形接地屏障，可以有效抑制襯底渦流效應，可在相同工藝步驟的情況下提高品質因數(shù)超過18；同時該工藝通過犧牲層的釋放使得電感線圈得以完全懸空，可以進一步減少常規(guī)電感器的襯底損耗，使得品質因數(shù)能夠超過22，諧振頻率超過12GHz；另外本發(fā)明提供的電感由于使用共面波導傳輸線，其高頻穩(wěn)定的特性更加便于與微波電路連接和測試，也滿足高性能的微波集成電路的應用要求。
圖1是由本發(fā)明方法制備出的微機械電感正面俯視圖；圖2是圖一的微機械電感的A-A面剖視圖；圖3是本發(fā)明方法工藝流程圖；以上圖中有GaAs襯底1，AlGaAs薄膜2，SiN介質層3，電感器下層引線4，電感器上層線圈5，第一共面波導信號線61，第二共面波導信號線62，接地屏障7，第一共面波導地線81，第二共面波導地線82。
圖4是傳統(tǒng)平面電感與本發(fā)明方法制備出的微機械電感的品質因數(shù)比較。自下而上分別是1)現(xiàn)有技術制成的平面電感的品質因數(shù)曲線；2)按照本發(fā)明方法制成的未釋放犧牲層的微機械電感，即進行至本方法第十二步的工藝下制成的微機械電感的品質因數(shù)曲線；3)按照本發(fā)明方法最終制成的襯底掏空后的微電子機械電感的品質因數(shù)曲線。
具體實施方案以下結合附圖對本發(fā)明步驟的實際應用進行詳細說明。
如圖1和圖2所示為本發(fā)明方法制備出的微機械電感的示意圖，包括砷化鎵(GaAs)襯底1，鋁鎵砷(AlGaAs)薄膜2，氮化硅(SiN)介質層3，電感下層引線4，電感上層線圈5，第一共面波導信號線61，第二共面波導信號線62，接地屏障7和第一共面波導地線81，第二共面波導地線82；該電感以GaAs襯底1為襯底，在GaAs襯底1的上表面有一層AlGaAs薄膜2，在AlGaAs薄膜2的上表面有一層SiN介質層3，電感的上層線圈5懸空在SiN介質層3的上方，電感的上層線圈5的中心通過AlGaAs薄膜2上電感的下層引線4與第二共面波導信號線62連接，電感的上層線圈5的外邊緣連接第一共面波導信號線61；接地屏障7為插指形狀連接在共面波導地線8的內側并位于電感器上層線圈5與SiN介質層3之間；第一共面波導信號線61，第二共面波導信號線62和第一共面波導地線81，第二共面波導地線82共同構成共面波導傳輸線。
其中的接地屏障7從共面波導線的地線部分延伸出，外形為插指形并位于電感上層線圈5下方；
其中的電感上層線圈5通過聚酰亞胺犧牲層的釋放得以懸空；其中的砷化鎵GaAs襯底1為減薄襯底(厚度為100微米)；背面掏空電感線圈5下方的GaAs襯底至AlGaAs薄膜；如圖3所示，本發(fā)明具體的應現(xiàn)工藝包括以下步驟(圖3為簡單電感結構的工藝流程圖，并非對應圖2中結構)第一步.準備襯底選用未摻雜的半絕緣砷化鎵(GaAs，100微米)作為襯底(1)；第二步.外延生長鋁鎵砷(AlGaAs)薄膜2鋁鎵砷作為腐蝕自停止層，并將鋁鎵砷(AlGaAs)自停止層進行半絕緣化處理；第三步.光刻共面波導、接地屏障及下層引線的形狀涂光刻膠9并光刻刻蝕出第一共面波導信號線61、第二共面波導信號線62、第一共面波導地線81、第二共面波導地線82，電感下層引線4和與地線連接的接地屏障7的形狀；第四步.第一次濺射Ti/Au/Ti層10濺射800/300/2200厚的鈦/金/鈦(Ti/Au/Ti)層，形成用于電鍍的底金種子層；第五步.第一次光刻Ti/Au/Ti層光刻鈦/金/鈦(Ti/Au/Ti)層，保留不需要電鍍的地方的光刻膠9；第六步.第一次電鍍Au層11電鍍金(Au)，厚度為0.3微米；第七步.反刻Au層，腐蝕底金種子層反刻金(Au)層，腐蝕底金種子層，形成共面波導傳輸線、電感下層引線和接地屏障；第八步.光刻、淀積SiN介質層3用PECVD工藝生長1000的SiN絕緣層并光刻；第九步.淀積聚酰亞胺犧牲層12淀積1.6微米厚的聚酰亞胺犧牲層；第十步.第二次濺射Ti/Au/Ti層10在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300，形成用于電鍍電感線圈的底金種子層；第十一步.第二次光刻Ti/Au/Ti層10光刻鈦/金/鈦(Ti/Au/Ti)層，保留不需要電鍍的地方的光刻膠；第十二步.第二次電鍍Au層11在55°氰基溶液中電鍍金，電鍍金層的厚度為2微米；第十三步.釋放聚酰亞胺犧牲層12丙酮去除殘留的光刻膠，然后用顯影液融解電感線圈下的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水；
第十四步.背面刻蝕至AlGaAs阻擋層2背面刻蝕砷化鎵襯底1至鋁鎵砷(AlGaAs)阻擋層。
權利要求
1.一種抑制襯底渦流效應的微電子機械電感，其特征在于該電感以GaAs襯底(1)為襯底，在GaAs襯底(1)的上表面有一層AlGaAs薄膜(2)，在AlGaAs薄膜(2)的上表面有一層SiN介質層(3)，電感的上層線圈(5)懸空在SiN介質層(3)的上方，電感的上層線圈(5)的中心與通過AlGaAs薄膜(2)上的電感下層引線(4)與第二共面波導信號線(62)連接，電感的上層線圈(5)的外邊緣連接第一共面波導信號線(61)；接地屏障(7)為插指形狀連接在第一共面波導地線(81)、第二共面波導地線(82)的內側并位于電感上層線圈(5)與SiN介質層(3)之間；第一共面波導信號線(61)、第二共面波導信號線(62)和第一共面波導地線(81)、第二共面波導地線(82)共同構成共面波導傳輸線。
2.一種如權利要求1所述的抑制襯底渦流效應的微電子機械電感的制備方法，其特征在于該方法具體包括以下步驟第一步.準備襯底，選用未摻雜的半絕緣砷化鎵作為GaAs襯底(1)；第二步.外延生長AlGaAs薄膜(2)AlGaAs作為腐蝕自停止層，并將鋁鎵砷(AlGaAs)自停止層進行半絕緣化處理；第三步.涂光刻膠(9)并光刻共面波導傳輸線、接地屏障及下層引線光刻刻蝕出共面波導傳輸線、電感下層引線(4)和與地線連接的接地屏障(7)；第四步.第一次濺射Ti/Au/Ti層(10)，形成用于電鍍的底金種子層；第五步.第一次光刻Ti/Au/Ti層，保留不需要電鍍的地方的光刻膠(9)；第六步.第一次電鍍Au層(11)；注圖3中Au層(11)和Ti/Au/Ti層(10)都采用黑色線條；第七步.反刻Au層(11)，腐蝕底金種子層，光刻形成共面波導傳輸線，電感下層引線(4)和接地屏障(7)；第八步.光刻、淀積SiN介質層(3)用PECVD工藝生長SiN絕緣層并光刻；第九步.在SiN介質層(3)上淀積聚酰亞胺犧牲層(12)；第十步.第二次濺射Ti/Au/Ti層(13)在聚酰亞胺層(12)上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti層(13)，形成用于電鍍電感線圈的底金種子層；第十一步.第二次光刻Ti/Au/Ti層(13)，保留不需要電鍍的地方的光刻膠；第十二步.第二次電鍍Au層(14)在55°氰基溶液中電鍍金；第十三步.釋放聚酰亞胺犧牲層(12)丙酮去除殘留的光刻膠，然后用顯影液融解電感線圈下的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，至此步驟電感線圈懸空；第十四步.背面刻蝕GaAs襯底(1)至AlGaAs阻擋層(2)。
全文摘要
抑制襯底渦流效應的微電子機械電感以GaAs(1)為襯底，在GaAs襯底(1)的上表面有一層AlGaAs薄膜(2)，在AlGaAs薄膜(2)的上表面有一層SiN介質層(3)，電感的上層線圈(5)懸空在SiN介質層(3)的上方，電感的上層線圈(5)的中心與位于AlGaAs薄膜(2)上的電感的下層引線(4)連接，電感的上層線圈(5)的外邊緣連接第一共面波導信號線(61)；接地屏障(7)為插指形狀連接在共面波導地線的內側并位于電感器上層線圈(5)與SiN介質層(3)之間；第一共面波導信號線(61)、第二共面波導信號線(62)和第一共面波導地線(81)、第二共面波導地線(82)共同構成共面波導傳輸線。
文檔編號H01L27/00GK101060027SQ200710022360
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月15日 優(yōu)先權日2007年5月15日
發(fā)明者廖小平, 武銳 申請人:東南大學