CN102381680B

CN102381680B - 一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法

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Publication number: CN102381680B
Application number: CN201110386394.5A
Authority: CN
Inventors: 杨振川; 闫桂珍; 郝一龙
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN102381680A

Abstract

本发明涉及一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，将SOI基片的器件层划分成集成电路区、MEMS结构区和隔离区。采用标准集成电路加工方法，在集成电路区加工集成电路，设置跨过隔离区的电极。在器件层表面的由集成电路加工中生成的介质层表面定义MEMS结构图形，进行刻蚀，得到由介质层构成的MEMS结构掩模。然后根据MEMS结构掩模，对器件层进行硅各向异性刻蚀，得到MEMS结构。对MEMS结构中的间隙进行填充保护，然后对隔离区的介质层进行刻蚀；以光刻胶及隔离区处的电极为掩模，对隔离区的器件层进行硅各向异性刻蚀和硅各向同性刻蚀。本发明能够满足集成电路代工厂制造生产的前提条件，且加工成品率较高。

Description

一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法

技术领域

本发明涉及一种集成芯片加工方法，特别是关于一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法。

背景技术

采用微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)技术实现的惯性传感器等电容式传感器具有体积小、重量轻和成本低等优点，在军事、汽车工业和消费类电子产品等领域具有广泛的应用前景。受尺寸限制，MEMS传感器信号一般比较微弱，容易受寄生电容等影响。将MEMS传感器表头结构与信号处理电路集成在同一芯片上，可以有效地降低寄生效应的不利影响，同时还可以减小器件体积和降低制造成本，是目前MEMS技术发展的重要方向之一。在同一芯片上完成集成电路和MEMS结构的加工，需要解决MEMS结构之间以及与集成电路之间的电气隔离和机械连接问题，同时还必须确保MEMS制造工艺与集成电路制造工艺彼此兼容。通过集成电路代工厂完成全部的集成电路加工可以确保电路质量，并能降低制造成本。但在实际生产中，由于集成电路代工厂一般不接受已经经过加工的基片订单，因此需要在集成电路加工完成后进行MEMS结构加工。

美国加州大学发明了一种在SOI(Silicon-on-insulator绝缘体上硅)衬底上集成加工MEMS结构的方法，该方法利用介质填充隔离槽实现各部分的电气隔离，利用跨过隔离槽的金属电极实现必要的电气连接，但是隔离槽必须在加工集成电路之前制作完成，不满足集成电路代工厂制造生产的前提条件。北京大学发明了一种在单晶硅衬底上实现MEMS结构单片集成的加工方法，该方法也是在隔离槽加工完成后方可进行金属互连等集成电路的制作，也不满足集成电路代工厂生产制造的前提条件。美国卡耐基梅隆大学发明了一种类似的加工方法，在该方法中，MEMS结构与集成电路之间通过空气槽实现电气隔离，利用跨过隔离槽的金属电极和介质层实现必要的电气连接和机械支撑，在集成电路全部加工完成后才进行MEMS工艺，满足了在集成电路代工厂制造生产的前提条件。但是这种方法也存在缺陷：在采用硅各向同性刻蚀法去除空气隔离槽中的单晶硅时，MEMS器件结构的一部分也会被横向刻蚀；另一方面，由氧化硅等介质材料和金属构成的悬空电极有较大的应力，会影响器件的可靠性。日本香川大学提出了一种在SOI衬底上用空气隔离槽和悬空电极的集成加工方法，MEMS工艺也是在集成电路全部加工完成后进行，且由于MEMS结构的加工在隔离槽加工之后进行，从而能够避免MEMS结构的横向刻蚀。但是在进行MEMS结构各向异性刻蚀的过程中，已经加工完成的隔离槽侧壁容易生成残留物，影响加工成品率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种满足集成电路代工厂制造生产的前提条件且加工成品率较高的微机械结构与集成电路单片集成的加工方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，包括以下步骤：1)选择基片：选择包括单晶硅器件层、二氧化硅埋氧层和单晶硅衬底层的SOI基片；2)加工集成电路：按照设计要求将SOI基片的器件层划分成集成电路区和MEMS结构区，以及用于分隔集成电路区和MEMS结构区的隔离区；采用标准集成电路加工方法，在集成电路区加工集成电路，在集成电路区和MEMS结构区对应的硅结构之间设置跨过隔离区的电极；3)制作MEMS结构掩模：经过步骤2)，器件层表面生成有一介质层，在介质层表面通过光刻定义MEMS结构图形，然后以光刻胶为掩模，对MEMS结构区上的介质层进行刻蚀，得到由介质层构成的MEMS结构掩模；4)制作MEMS结构：对经步骤3)得到的SOI基片表面，设置除MEMS结构区以外的保护层；然后根据MEMS结构掩模，对器件层进行硅各向异性刻蚀直至埋氧层顶部，完成MEMS结构的加工；5)制作隔离槽：①对由步骤4)得到的MEMS结构中的间隙进行填充保护，然后通过光刻在SOI基片表面定义隔离槽图形，然后以光刻胶为掩模，对隔离区的介质层进行刻蚀直至器件层顶部；②以光刻胶及隔离区处的电极为掩模，对隔离区的器件层进行硅各向异性刻蚀，直至埋氧层顶部；③以光刻胶为掩模，用硅各向同性刻蚀法去除隔离区处电极下方的硅，直至埋氧层顶部；6)释放MEMS结构：①由SOI基片衬底层一侧，依次去除MEMS结构区对应位置处的衬底层和埋氧层；②去除SOI基片表面的保护层以及MEMS结构中的填充物，释放MEMS结构，完成MEMS器件的加工。

上述步骤4)中，保护层采用光刻胶材料制作而成。

上述步骤4)中，在完成MEMS结构的加工后，对MEMS结构区的介质层进行刻蚀，从而去除MEMS结构掩模。

对介质层的刻蚀，采用各向异性反应离子刻蚀法。

上述步骤5)中，MEMS结构中的间隙填充光刻胶材料进行保护。

上述步骤5)中，MEMS结构中的间隙填充聚对二甲苯材料进行保护。

上述步骤6)中，采用干法刻蚀工艺依次去除与MEMS结构区位置对应处的衬底层和埋氧层。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明中MEMS结构加工是在集成电路全部完成之后进行，因此满足在集成电路代工厂制造生产的前提条件。2、由于本发明中隔离槽各向同性刻蚀在MEMS结构各向异性刻蚀之后进行，因此可以避免隔离槽侧壁留有残留物。3、由于本发明中隔离槽各向同性刻蚀时MEMS结构已做保护，因此避免了MEMS结构被横向刻蚀。

附图说明

图1是本发明实施例的三维示意图

图2是本发明实施例制作集成电路的示意图

图3是本发明实施例制作MEMS结构掩模的示意图

图4是本发明实施例制作MEMS结构的示意图

图5是本发明实施例制作隔离槽的示意图

图6是本发明实施例释放MEMS结构的示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明在SOI基片10上集成加工MEMS器件。SOI基片10包括单晶硅器件层11、二氧化硅埋氧层12和单晶硅衬底层13。器件层11划分为集成电路区20和MEMS结构区30，以及用于分隔集成电路区20和MEMS结构区30的隔离区40。隔离区40中的硅被去除，形成隔离槽，使集成电路区20、各MEMS结构区30对应的硅结构之间相互独立，实现电气隔离。集成电路区20、各MEMS结构区30对应的硅结构之间通过埋氧层12和衬底层13实现机械连接。集成电路区20、各MEMS结构区30对应的硅结构之间通过跨过隔离区40的电极41实现必要的电气连接。本发明包括以下步骤：

1)选择基片：

选择包括单晶硅器件层11、二氧化硅埋氧层12和单晶硅衬底层13的SOI基片10。

2)制作集成电路：

如图2所示，首先按照设计要求将SOI基片10的器件层11划分为集成电路区20和MEMS结构区30和用于分隔集成电路区20和MEMS结构区30的隔离区40；然后采用如CMOS工艺、BiCMOS工艺或双极电路工艺等标准集成电路加工方法，在集成电路区20内加工集成电路，并在集成电路区20和MEMS结构区30对应的硅结构之间设置跨过隔离区40的电极41，电极41可以是单层金属电极，也可以是多层金属电极。

3)制作MEMS结构掩模：

经过步骤2)，器件层11表面生成有一介质层14，介质层14的成分通常为氧化硅或氮化硅。如图3所示，对介质层14表面通过光刻定义MEMS结构图形，然后以光刻胶为掩模，对MEMS结构区上的介质层14进行刻蚀，得到由介质层14构成的MEMS结构掩模31。

4)制作MEMS结构：

如图4所示，对经步骤3)得到的SOI基片10表面，设置除MEMS结构区30以外的保护层15，然后根据MEMS结构掩模31，对器件层11进行硅各向异性刻蚀直至埋氧层12顶部，完成MEMS结构32的加工。

5)制作隔离槽：①如图5所示，对由步骤4)得到的MEMS结构32中的间隙进行填充保护，然后通过光刻在SOI基片10表面定义隔离槽图形，然后以光刻胶为掩模，对隔离区40的介质层14进行刻蚀直至器件层11顶部(图中未示出)；②以光刻胶及隔离区处的电极41为掩模，对隔离区40的器件层11进行硅各向异性刻蚀，直至埋氧层12顶部；③以光刻胶为掩模，用硅各向同性刻蚀法去除隔离区40处电极41下方的硅，直至埋氧层12顶部，完成隔离槽42的加工。如果步骤②的硅各向异性刻蚀使隔离槽42的侧壁引入残留物，那么步骤③的硅各向同性刻蚀可以去除这些残留物。

6)释放MEMS结构：

①由SOI基片10衬底层13一侧，依次去除与MEMS结构区30位置对应处的衬底层13和埋氧层12；②去除SOI基片10表面的保护层15以及MEMS结构32中的填充物，释放MEMS结构32，完成MEMS器件的加工。

上述实施例中，步骤4)中，所述保护层15可以采用光刻胶材料制作完成。

上述实施例中，步骤4)中，可在完成MEMS结构32的加工后，对MEMS结构区30的介质层14进行刻蚀，从而去除MEMS结构掩模31。

上述实施例中，步骤5)中，MEMS结构32中的间隙可以采用光刻胶或聚对二甲苯材料填充保护。

上述实施例中，步骤6)中，可以采用干法刻蚀工艺依次去除与MEMS结构区30位置对应处的衬底层13和埋氧层12。

上述实施例中，对介质层的刻蚀可以优先采用各向异性反应离子刻蚀法

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，包括以下步骤：

1)选择基片：

选择包括单晶硅器件层、二氧化硅埋氧层和单晶硅衬底层的SOI基片；

2)加工集成电路：

按照设计要求将SOI基片的器件层划分成集成电路区和MEMS结构区，以及用于分隔集成电路区和MEMS结构区的隔离区；采用标准集成电路加工方法，在集成电路区加工集成电路，在集成电路区和MEMS结构区对应的硅结构之间设置跨过隔离区的电极；

3)制作MEMS结构掩模：

经过步骤2)，器件层表面生成有一介质层，在介质层表面通过光刻定义MEMS结构图形，然后以光刻胶为掩模，对MEMS结构区上的介质层进行刻蚀，得到由介质层构成的MEMS结构掩模；

4)制作MEMS结构：

对经步骤3)得到的SOI基片表面，设置除MEMS结构区以外的保护层；然后根据MEMS结构掩模，对器件层进行硅各向异性刻蚀直至埋氧层顶部，完成MEMS结构的加工；

5)制作隔离槽：

①对由步骤4)得到的MEMS结构中的间隙进行填充保护，然后通过光刻在SOI基片表面定义隔离槽图形，然后以光刻胶为掩模，对隔离区的介质层进行刻蚀直至器件层顶部；

②以光刻胶及隔离区处的电极为掩模，对隔离区的器件层进行硅各向异性刻蚀，直至埋氧层顶部；

③以光刻胶为掩模，用硅各向同性刻蚀法去除隔离区处电极下方的硅，直至埋氧层顶部；

6)释放MEMS结构：

①由SOI基片衬底层一侧，依次去除MEMS结构区对应位置处的衬底层和埋氧层；

②去除SOI基片表面的保护层以及MEMS结构中的填充物，释放MEMS结构，完成MEMS器件的加工。

2.如权利要求1所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤4)中，保护层采用光刻胶材料制作而成。

3.如权利要求1所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤4)中，在完成MEMS结构的加工后，对MEMS结构区的介质层进行刻蚀，从而去除MEMS结构掩模。

4.如权利要求2所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤4)中，在完成MEMS结构的加工后，对MEMS结构区的介质层进行刻蚀，从而去除MEMS结构掩模。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：对介质层的刻蚀，采用各向异性反应离子刻蚀法。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤5)中，MEMS结构中的间隙填充光刻胶材料进行保护。

7.如权利要求5所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤5)中，MEMS结构中的间隙填充光刻胶材料进行保护。

8.如权利要求1或2或3或4所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤5)中，MEMS结构中的间隙填充聚对二甲苯材料进行保护。

9.如权利要求5所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤5)中，MEMS结构中的间隙填充聚对二甲苯材料进行保护。

10.如权利要求1或2或3或4或7或9任一项所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤6)中，采用干法刻蚀工艺依次去除与MEMS结构区位置对应处的衬底层和埋氧层。