一种用于生产的GaN HEMT 器件空气桥的设计

石浩，王雯洁，付登源，梁宗文，王溯源，张良，章军云

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210016）

1 引言

20 世纪90 年代初，以第三代半导体SiC 和GaN为代表的宽禁带半导体材料取得突破[1-2]。GaN HEMT作为第三代宽禁带化合物半导体器件，在微波功率器件应用领域有着显著的性能优势，它具有更大的输出功率密度、大的临界击穿电场强度、耐高温和天然抗辐照等特性[3-4]，因此GaN 单片微波集成电路（MMIC）能满足国防和宇航领域应用的要求。常规的AlGaN/GaN HEMT 器件由于异质结材料存在很强的压电极化和自发极化，在非故意掺杂的情况下能够在异质结界面处形成高密度和高电子迁移率的二维电子气，正是二维电子气沟道的高导电能力和氮化物材料的高击穿特性为GaN HEMT 器件在高频、高温、大功率等应用方面提供了材料基础[5-6]。

随着GaN HEMT 器件的不断发展，器件的截止频率和单管最大功率要求越来越高，因此必须把器件制作成多栅的结构，在器件的制作中产生很多独立的源端和漏端，引入空气桥结构可将这些独立的源端和漏端连接在一起，形成统一的源或漏[7]。空气桥的寄生电容只有介质桥的5%～20%[8]，如果采用空气桥结构可以极大地降低寄生电容对截止频率和最大振荡频率的影响。可见，空气桥是GaN HEMT 器件的一个重要组成部分，也是决定器件性能和可靠性的重要因素[9-10]。当前MMIC 中已经出现大量减少寄生电容的空气桥，以此来改善其频率特性[11]。但制作空气桥的方法大相径庭，例如采用300 ℃左右的高温对金属桥底光刻胶牺牲层进行烘烤，得到拱形光刻胶以提高空气桥的结构强度，进而提高集成电路的可靠性。但对于如AlGaN/GaN 微波器件这种利用二维电子气作为导电通道的异质结器件，高温烘烤会影响器件的功率和频率特性，而采用低温烘烤进行光刻胶牺牲层定型需要数小时的烘烤才能满足工艺对光刻胶牺牲层形貌的要求，降低了生产速度和效率。此外，空气桥的引入加长了器件的制作流程，提升了器件制作的难度，因而会造成成品率的下降。因此，开发出一种工艺简单、节约成本且适用于生产的空气桥是非常必要的[12-13]。

本文设计了一种拱形空气桥结构，通过改变光刻胶的烘胶温度、烘胶时间以及曝光焦距，观察空气桥的形貌，得出了能够用于GaN HEMT 器件生产的空气桥制作的最优条件。

2 空气桥分析及设计

牺牲层光刻胶的上层和下层均为金属结构，因此这2 层重叠的金属和中间的介质组成了电容。假设2极板面积为S，其间距离为d，且S＞＞d2，以忽略边缘效应的影响。而2 极板间介质材料的相对介电常数为εr，真空介电常数为ε0，则2 电容极板间的单位面积电容为

通过采用εr接近1 的空气作为中间介质，可有效减少2 层重叠金属单位面积的寄生电容。此外，通过增加d亦或者减少S，也可减少单位面积的寄生电容，达到改善电路和微波大功率器件频率特性的目的。

拱形桥是最简单的一种空气桥，这种简单的设计使拱形桥非常适合微型结构制造[14]。图1 为拱形空气桥受力分析图，图中空气桥受到一个力F，这个力主要由2 部分组成。一部分是桥金属自身的重量；另一部分是由于GaN HEMT 器件通常工作在一些极端的环境下，例如飞机、卫星和加速检验测试可靠性的环境中[15]，空气桥会受到一个加速度作用，相当于在桥面上施加一个力。空气桥会同时受到左右2 个桥墩的支撑力F1和F2。

图1 拱形空气桥受力分析

当拱形桥受到向下的力F时金属桥体受压缩，这个力作用到桥面上会沿着拱形空气桥分解为左右2组力Fa1、Fa2、……和Fb1、Fb2、……。金属刚性的存在使得金属受压缩时产生一个弹性力，反作用于拱形桥来平衡金属桥受到的压力。因此，拱形桥的力主要来源于桥体自身结构。这种桥体可以将向下的作用力转移成桥体每一节的支撑力，所以拱形桥相较于平面桥能承受更大的压力。当器件遇到高温时金属桥体膨胀，产生很大的弹性力，由于拱形桥的对称性，水平方向上的力会被抵消而产生一个垂直向上的力，使得桥体向上拱起而不会塌陷，确保了空气桥在高温下的可靠性。

本文设计的空气桥的主要制作步骤如图2 所示：（a）光刻出需要跨接空气桥的部分并通过烘胶方式制作出拱形光刻胶定型桥；（b）蒸发一层金属作为后续电镀种子层；（c）光刻出需电镀部分并电镀上桥金属；（d）去除光刻胶定型桥和多余的种子层，最终得到一个跨接源或漏的空气桥。

图2 空气桥的主要制作步骤

3 空气桥的工艺及分析结果

在实际生产中，空气桥的高度越高，寄生电容就越小。空气桥的高度由制作过程中光刻胶定型桥的桥高决定，而定型桥的桥高又与所选择的光刻胶性质、光刻机分辨率和光刻工艺有极大关系。本文设计的用于GaN HEMT 器件生产的空气桥选择匀胶3.7 μm，光刻出空气桥图形后，高温烘胶坚膜，光刻胶在高温下膨胀椭圆化，形成拱形定型桥。

图3 为不同温度下光刻胶定型桥的剖面图，表1为不同烘胶温度下光刻胶定型桥参数。不烘胶时，桥胶呈对称的梯形，由于显影液的作用，其高度与涂胶厚度相比略有下降；当烘胶温度达到130 ℃时，光刻胶在高温下变软，在水平方向上流淌并在表面张力的作用下向上凸起，形成一个拱形，桥胶高度从3.30 μm 上升到4.02 μm；烘胶温度继续升高至165 ℃，光刻胶定型桥剖面的各项参数未发生明显变化；当烘胶温度达到200 ℃时，定型桥桥高开始回缩，左/右起桥角度也有明显回落，且过高的烘胶温度会严重增加后期光刻胶定型桥的去胶难度。因此，当烘胶温度在130～165 ℃时烘胶充分，光刻胶定型桥有着良好的拱形，且表面光滑，是制作拱形空气桥的理想条件。为了便于生产，兼容其他工艺条件，减少热板升降温的时间，本文选择烘胶145 ℃作为实际生产条件。

表1 不同烘胶温度下光刻胶定型桥参数

图3 不同温度下光刻胶定型桥的剖面图

表2 为不同烘胶时间下光刻胶定型桥参数，当烘胶时间在30 s 以内时，桥胶宽度较大，桥高较小，左/右起桥角度较大，这是由于烘胶时间较短，光刻胶还未完全受热均匀，此时的光刻胶定型桥角度和高度都不稳定，片内和片间重复性差；当烘胶时间在60～120 s时，光刻胶受热均匀，桥胶充分膨胀形成对称、光滑的拱形，在这一时间段内桥胶的宽度、高度和角度都很稳定，片内和片间重复性好；当烘胶时间达到180 s时，桥胶受热过度，高度回缩，出现胶条老化现象，不利于后期定型桥去胶。因此，烘胶时间选择在60～120 s之间较为合理，本文考虑到后续偏压溅射种子层的温度影响，烘胶时间不宜太短，因此选择120 s 作为实际生产时的烘胶时间。

表2 不同烘胶时间下光刻胶定型桥参数

在实际生产中，光刻胶胶型除了与烘胶温度和时间相关外，还和曝光焦距强相关，要想使光刻胶定型桥的各项参数均达到最优还需要选择一个最优的曝光焦距。通过控制变量法，在保证光刻后烘胶条件145 ℃、120 s 不变的前提下，改变曝光焦距，得到不同曝光焦距下的光刻胶定型桥参数，如表3 所示。由表3可知，光刻胶桥胶的各项参数均在曝光焦距为0 μm时达到最大值，并向两端逐渐递减。本试验中光刻掩模版的尺寸为30 μm，当曝光焦距为0 μm 时，桥胶宽度更接近掩模版尺寸，且焦距为0 μm 时桥高最高，寄生电容最小。

表3 不同曝光焦距下光刻胶定型桥参数对比

从以上的分析结果可以看出，当光刻焦距为0 μm，烘胶条件为145 ℃、120 s 时，可以得到一种寄生电容小、适用于日常生产的GaN HEMT 器件空气桥。图4 为上述条件下制作出的光刻胶定型桥剖面SEM图，可以看出定型桥有着良好的拱形，且表面光滑、对称。在AlGaN/GaN HEMT 器件上运用该设计得到跨接有源区的空气桥和跨接无源区的空气桥，GaN HEMT 器件空气桥SEM 图如图5 所示。

图4 光刻胶定型桥剖面SEM 图

图5 GaN HEMT 器件空气桥SEM 图

当前生产中使用上述条件制作的光刻胶定型桥，在良率测试时，主要关注空气桥和下层金属的隔离电阻和击穿电压。大量流片结果显示，空气桥和下层金属的隔离电阻和击穿电压良率均接近100%，说明该方法制作的空气桥有着极高的稳定性，可用于生产使用。

4 结论

本文主要研究了一种GaN HEMT 器件空气桥的设计，要在减少寄生电容的前提下满足日常生产的要求。通过研究发现，寄生电容主要由空气桥的高度决定，而空气桥高度又是由制作过程中光刻胶定型桥的桥高决定的。本文对比了不同烘胶温度、烘烤时间和曝光焦距的桥胶参数，最终选择光刻焦距为0 μm、烘胶条件为145 ℃、120 s 作为生产条件，得到了具有良好拱形且表面光滑的质量稳定的空气桥。