CN101393321A

CN101393321A - 光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法

Info

Publication number: CN101393321A
Application number: CNA2008102328320A
Authority: CN
Inventors: 张智海; 金珠; 张洁; 王宁; 韦玮
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2028-10-09
Also published as: CN101393321B

Abstract

本发明提出一种光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法，其结合当MEMS器件与CMOS电路单片集成的加工工艺，首先利用CMOS电路加工有源矩阵驱动电路，然后利用低温的表面微机械加工工艺得到MEMS光栅光调制器，实现支撑在下电极上的上层可动光栅形成的MEMS光栅光调制器和下层有源矩阵驱动电路的单片集成。利用该工艺加工的光栅光调制器，可以面向高清晰度、高分辨率投影显示。

Description

光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法

技术领域

本发明属于一种光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成的工艺设计技术领域，更具体的说，本发明是先利用CMOS工艺加工有源矩阵驱动电路驱动，然后利用表面微机械加工工艺加工光栅光调制器，实现两者在纵向上的单片集成，由此可以显著提高光栅光调制器作为投影显示器件的性能。

背景技术

近年来，随着MEMS技术的不断发展，对将来MEMS器件的要求是：微型化和集成化；低功耗和低成本；高精度和长寿命；多功能和智能化。将MEMS与CMOS集成电路的单片集成，可以满足上述要求。实现单片集成是实现MEMS器件智能化的关键，特别是单片集成MEMS技术是片上系统芯片能否实现的关键技术之一。将MEMS器件与CMOS驱动电路单片集成，可以降低功耗、信号噪声和芯片成本，减小电路之间的互连线和芯片面积，提高电路传输速率，可以显著的提高MEMS器件的性能。

目前，MEMS器件与CMOS电路的单片集成大部分是采用在MEMS器件周围集成CMOS电路。如，MEMS传感器与CMOS电路单片集成等。在单片集成技术中，分别制造MEMS器件和CMOS电路，然后从各自的晶片切开，固定在一个共同的衬底上，连线键合，这样就实现两者的集成，称为混合法(hybrid)。这种方法不会产生MEMS制造过程对CMOS电路的污染，同时两者生产过程互不干扰。但是，由于信号经过键合点和引线，导致在高频应用时，信号传输质量下降，并且开发两套生产线增加了产品的成本。为了解决某些性能上的问题，也为了突现更低的成本，CMOS和MEMS被制作在同一衬底上。CMOS设计中并入了MEMS器件，而最后的结果是一完整的CMOS-MEMS系统。某些设计在生产线工艺完成之后还需要一至两额外工艺来形成MEMS器件的结构。设计工艺受生产线工艺流程的限制，一般是不允许作变动的。生产线上给出的设计规则可用于CMOS部分的设计，但为了获得MEMS设计部分的版图却常忽略掉这些设计规则。在设计一个系统时，是先做MEMS工艺还是后做MEMS工艺可以权衡其利弊而进行选择。于是便有了Pre-CMOS或Post-CMOS工艺之分。

Pre-CMOS集成方法是：先制造MEMS结构，后制造CMOS电路。虽然克服了MEMS的高温工艺对CMOS电路的影响，但由于存在垂直的微结构，存在MEMS器件与电路互连台阶覆盖性问题。而且，在CMOS电路工艺过程中对微结构的保护也是一个需要考虑的问题。甚至已优化微调的CMOS工艺流程，如：栅氧可能被重掺杂的结构层影响。另外，MEMS工艺过程中不能有任何的金属或其他的材料，如压电材料聚合物等，使得这种方法只适合一些特殊应用。

目前，单片集成MEMS技术主要以Post-CMOS技术为主，该方法是在加工完CMOS电路的硅片上，通过一些附加MEMS微细加工技术以实现单片集成MEMS系统。Post-CMOS方法主要问题是MEMS加工工艺温度会对前面的CMOS电路性能产生影响，更为严重的是后面高温MEMS加工工艺温度与前面CMOS工艺金属化不兼容。以目前研究最多的多晶硅作为结构层的MEMS为例，使磷硅玻璃致密化的退火温度为950℃，而使作为结构层多晶硅的应力退火温度则达到1050℃，这将使CMOS器件结深发生迁移。特别是800℃时浅结器件的结深迁移就会影响器件的性能。另一方面，采用常规铝金属化工艺时，当温度达到400～450℃时，CMOS电路可靠性将受到严重的影响。从以上可以看出：如何克服后面高温MEMS微结构加工温度对前面的已加工完的CMOS电路影响是解决单片集成MEMS系统关键所在。

重庆大学提出的MEMS光栅光调制器，其专利号为ZL200510020186.8。该器件是用于投影显示的器件。目前，加工的光栅光调制器芯片中没有单片集成有源矩阵驱动电路。这样，光栅光调制器阵列只能利用无源矩阵驱动方式进行显示。由于矩阵电容的耦合效应，无源矩阵驱动的光栅光调制器阵列明显的存在交叉效应，导致光学对比度较低。交叉效应表现为当选通某个像素时，该像素会引起周围像素电压的变化，可能导致暗态的像素显示亮态。并且，无源矩阵驱动的光栅光调制器阵列进行逐行扫描时，每一时刻只有一行能够显示，光利用率只有1/N(N为行数)。这些都限制了GLM器件面向高分辨率、高清晰度的投影显示的发展。

发明内容

为了进一步提高MEMS光栅光调制器的投影显示性能，并结合当MEMS器件与CMOS电路单片集成的加工工艺。本发明的提出一种MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路单片集成方法。首先，利用CMOS电路加工有源矩阵驱动电路，然后利用低温的表面微机械加工工艺得到MEMS光栅光调制器。利用该工艺加工的光栅光调制器，可以面向高清晰度、高分辨率投影显示。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发面提出一种MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路单片集成方法，用以实现支撑在下电极上的上层可动光栅形成的MEMS光栅光调制器和下层有源矩阵驱动电路的单片集成，其加工步骤如下：

a.在一硅衬底上利用CMOS工艺加工出有源矩阵驱动电路，有源矩阵驱动电路加工时，所有金属层之间的二氧化硅介质层在淀积后，对介质层进行化学机械抛光(CMP)处理；

b.光栅光调制器的下电极直接由CMOS工艺中的顶层金属溅射、刻蚀形成，利用通孔将有源矩阵驱动电路的电压输出端和光栅光调制器的下电极连接起来；

c.在光栅光调制器的下电极上进行等离子体增强化学气象淀积(PECVD)，淀积一层二氧化硅绝缘层，并对二氧化硅绝缘层进行CMP打磨；

d.在二氧化硅绝缘层上旋涂聚酰亚胺(PI)牺牲层，对PI进行干法腐蚀，并剥离，从而在对应于上层光栅光调制器的支撑位置形成四个铝柱孔；

e.在牺牲层上低温溅射一层铝膜，并对铝膜进行干法刻蚀，形成上层可动光栅图案；

f.用氧等离子体刻蚀掉牺牲层，释放三维光栅光调制器结构，实现有源驱动电路与光栅光调制器的单片集成工艺。

光栅光调制器与有源矩阵驱动电路是纵向上的单片集成，即光栅光调制器位于有源矩阵驱动电路的正上方。通孔将有源矩阵驱动电路的输出端与光栅光调制器下电极在电学上相连。光栅光调制器的加工温度低于400℃，这样不会破坏下层的有源矩阵驱动电路。利用光栅光调制器下极板和各层金属布线，对下层有源矩阵驱动电路进行遮光保护。光栅光调制器阵列的全部可动光栅连接在一起，并且连接到一个电压源或接地。

本发明解决了MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路单片集成的工艺加工。同时，加工的集成芯片可以降低芯片功耗，减小电路之间的互连线，降低信号噪声，提高电路传输速率，减小了芯片的面积，同时降低芯片生产成本，可以显著的提高MEMS光栅光调制器的投影显示性能。利用该单片集成工艺加工得到的MEMS光栅光调制器可以消除交叉效应，从而提高投影显示的光学对比度和光利用率，可以面向HDTV和大屏幕投影显示。

附图说明

图1MEMS光栅光调制器与DRAM单片集成的工艺流程；

图2MEMS光栅光调制器与SRAM单片集成的工艺流程；

图3MEMS光栅光调制器与DRAM单片集成的剖析图；

图4MEMS光栅光调制器与SRAM单片集成的剖析图；

图5MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路单片集成的阵列；

图中：1.衬底；2.掺磷扩散区；3.NMOS衬底接触区；4.栅氧化层；5.多晶硅栅；6.绝缘层1；7.接触孔；8.行线(金属1)；9.介质层1；10.通孔1；11.列线(金属2)；12.MIM电容下极板(金属2)；13.介质层2；14.通孔2；15.MIM电容上极板(附加金属层)；16.介质层3；17.通孔3；18.光栅光调制器下电极(顶层金属)；19.绝缘层2；20.PI牺牲层；21.铝柱孔；22.可动光栅；23.N阱；24.掺硼扩散区；25.PMOS衬底接触区；26.场氧区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

带有源矩阵驱动电路的光栅调制器的结构是是基于现有的IC工艺，在硅片上分层构造的MEMS器件。包括以下结构：

一硅基底，其上用CMOS工艺形成有源矩阵驱动电路；

一位于有源矩阵驱动电路之上的光栅调制器下电极，其上淀积绝缘层；

一位于绝缘层之上，四边与悬臂梁连接而被支撑的上层可动光栅。

随着在上层可动光栅和下电极间施加电压的不同，上层可动光栅和下电极之间的间距可变，形成深度可调的矩形槽相位光栅，对入射光产生调制效果。

本发明设计两种有源矩阵驱动电路驱动，包括：DRAM和SRAM。基于动态随机存储器DRAM的有源矩阵驱动电路，该有源矩阵单元由一个NMOS开关管和一个存储电容组成，结构简单，但存在电压保持性能较差的问题；基于静态随机存储器SRAM的有源矩阵驱动电路，有源矩阵单元由一个NMOS开关管和两个反相器组成，电压保持能力强，但电路较复杂。基于这两种CMOS驱动与光栅光调制器单片集成的工艺整体上是一致的，都是先利用CMOS工艺加工有源矩阵驱动电路，然后利用低温表面微机械加工工艺得到上层光栅光调制器。

图1是带有基于动态随机存储器DRAM的有源矩阵驱动电路的光栅调制器的制作：

(a)、(b)利用光刻、干法等离子体刻蚀在衬底1上形成NMOS晶体管的有源区。离子注入磷原子后，进行退火处理，形成掺磷扩散区2(源、漏区)和NMOS衬底接触区3。通过热氧化形成栅氧化层4，接着利用低压化学气相淀积(LPCVD)形成多晶硅栅5。接着，LPCVD得到二氧化硅形成的绝缘层6，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理，得到平整度较好的平面。

(c)(d)(e)利用光刻、干法等离子体刻蚀形成接触孔7和通孔10，并用钨塞填充。然后溅射铝，利用干法等离子体刻蚀形成行线8和列线11，从而将栅极引出到金属1层，将源极、漏极和衬底引出到金属2层。在金属1层刻蚀后，利用LPCVD得到二氧化硅介质层9，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理，得到平整度较好的平面。在金属2中形成MIM电容下极板12，并与衬底1相连接。

(f)(g)利用低压化学气相淀积LPCVD形成二氧化硅介质层13，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理。利用光刻、干法等离子体刻蚀形成通孔14，并用钨塞填充。然后溅射、干法等离子刻蚀形成MIM电容上极板15，该金属层为附加层。

(h)(i)LPCVD形成二氧化硅介质层16，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理。利用光刻、干法等离子体刻蚀形成通孔17，并用钨塞填充。然后溅射、干法等离子刻蚀形成光栅光调制器的下电极18，下电极由金属3形成。

(j)LPCVD或等离子体增强化学气相淀积(PECVD)形成二氧化硅绝缘层19，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理。至此，下层有源矩阵驱动电路加工完成。

(k)在有源矩阵驱动电路上旋涂一定厚度的PI牺牲层20，利用干法等离子体刻蚀在牺牲层中形成四个铝柱孔21。

(m)利用低温PVD溅射铝膜，四个铝柱孔21被铝填充。利用干法等离子体刻蚀铝膜，形成光栅光调制器上电极，形成上层可动光栅22图案。

(n)干法等离子体刻蚀掉牺牲层，释放三维光栅光调制器结构，实现MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路驱动单片集成的工艺。

图2带有基于静态随机存储器SRAM的有源矩阵驱动电路的光栅调制器的制做：

(a)(b)利用光刻、干法等离子体刻蚀分别得到NMOS晶体管的有源区和PMOS晶体管的N阱区。然后N阱区离子注入磷，进行退火处理，形成N阱23。接着，利用相似的工艺形成NMOS和PMOS晶体管的源、漏区(掺磷扩散区2与掺硼扩散区24)和衬底接触区3与25。形成场氧区26后，通过热氧化形成两种晶体管的栅氧化层4，接着利用低压化学气相淀积(LPCVD)形成多晶硅栅5。接着，LPCVD得到二氧化硅绝缘层6，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理，得到平整度较好的平面。

(c)(d)(e)(f)利用光刻、干法等离子体刻蚀形成接触孔7、通孔10，并用钨塞填充。然后溅射铝，利用干法等离子体刻蚀形成行线8和列线11。将栅极、源极、漏极和衬底引出到金属1或金属2。接着，LPCVD得到二氧化硅介质层9和13，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理。

(g)(h)光刻、干法等离子体刻蚀形成通孔17，钨塞填充通孔17，溅射铝(金属3)，干法刻蚀形成光栅光调制器的下电极18。LPCVD或等离子体增强化学气相淀积(PECVD)形成二氧化硅绝缘层19，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理。至此，下层有源矩阵驱动电路加工完成。

(i)在有源矩阵驱动电路上旋涂一定厚度的PI牺牲层20，利用干法等离子体刻蚀在牺牲层中形成四个铝柱孔21。

(j)利用低温PVD溅射铝膜，四个铝柱孔21被铝填充。利用干法等离子体刻蚀铝膜，形成光栅光调制器上电极，形成上层可动光栅22图案。

(k)干法等离子体刻蚀掉牺牲层，释放三维光栅光调制器结构，实现MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路驱动单片集成的工艺。

在图3、图4显示了MEMS光栅光调制器与不同有源矩阵驱动电路单片集成的结构。有源矩阵驱动电路位于光栅光调制器的正下方。图3显示了基于动态态随机存储器DRAM的有源矩阵驱动电路，该有源矩阵驱动电路位于衬底1和介质层16之间，由一个NMOS开关管和一个存储电容组成。它结构简单，但存在电压保持性能较差的问题。图4显示了基于静态随机存储器SRAM的有源矩阵驱动电路，该有源矩阵驱动电路位于衬底1和介质层16之间，有源矩阵单元由一个NMOS开关管和两个反相器组成，电压保持能力强，但电路较复杂。基于这两种CMOS驱动与光栅光调制器单片集成的工艺整体上是一致的，都是先利用CMOS工艺在衬底1上加工有源矩阵驱动电路，然后LPCVD形成二氧化硅介质层16，并对其进行化学机械抛光(CMP)处理。最后利用低温表面微机械加工工艺得到上层光栅光调制器。下层有源矩阵驱动电路都是通过通孔17与上层光栅光调制器下电极18相连，为光栅光调制器下电极18提供驱动电压，使可动光栅22下拉，实现对入射光的调制。绝缘层19可以防止可动光栅22下拉到下电极18上引起短路。

图5中，显示了MEMS光栅光调制器与CMOS有源矩阵驱动电路单片集成的阵列。使用本发明的光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成的工艺设计方法，在形成的光栅光调制器阵列的下方，每一个光栅光调制器都对应一个DRAM或SRAM有源矩阵驱动电路单元。由此可以通过对有源矩阵驱动电路DRAM或SRAM的寻址驱动，形成对光栅光调制器阵列中每一个光栅光调制器的加压驱动，形成衍射效果不同的点阵。

以上采用实施例对本发明进行了描述。那些只有在本领域的技术人员阅读了本公开文件之后才变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的精神和范畴。

Claims

1、一种光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法，用以实现支撑在下电极上的上层可动光栅形成的MEMS光栅光调制器和下层有源矩阵驱动电路的单片集成，其特征在于，首先，利用CMOS工艺加工下层有源矩阵驱动电路；然后，利用微表面机械加工工艺得到上层光栅光调制器，该方法包括以下步骤：

a.在一硅衬底上利用CMOS工艺加工出有源矩阵驱动电路，有源矩阵驱动电路加工时，所有金属层之间的二氧化硅介质层在淀积后，对介质层进行化学机械抛光CMP处理；

c.在光栅光调制器的下电极上进行等离子体增强化学气象淀积PECVD，淀积一层二氧化硅绝缘层，并对二氧化硅绝缘层进行CMP打磨；

d.在二氧化硅绝缘层上旋涂聚酰亚胺PI牺牲层，对PI进行干法腐蚀，并剥离，从而在对应于上层光栅光调制器的支撑位置形成四个铝柱孔；

f.用氧等离子体刻蚀掉牺牲层，释放三维光栅光调制器结构，实现有源驱动电路与光栅光调制器的纵向单片集成。

2、根据权利要求1所述的光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法，其特征在于：光栅光调制器的加工温度低于400摄氏度。

3、根据权利要求1或2所述的光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法，其特征在于：利用光栅光调制器下极板和各层金属布线，对下层有源矩阵驱动电路进行遮光保护。

4、根据权利要求1或2所述的光栅光调制器与有源矩阵驱动电路单片集成方法，其特征在于：所述光栅光调制器阵列的全部可动光栅连接在一起，并且连接到一个电压源或接地。