CN102431956A

CN102431956A - 一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法

Info

Publication number: CN102431956A
Application number: CN2011103863818A
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: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN102431956B

Abstract

本发明涉及一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其步骤为：(1)选用包括器件层、埋氧层和衬底层的SOI基片；(2)在器件层进行集成电路加工并生成介质层；(3)对介质层第一次刻蚀形成介质层浅槽，制成高度被降低的掩模区域；(4)制作与MEMS结构掩模区域对应的光刻胶图形；(5)刻蚀介质层直至器件层制成MEMS结构掩模；(6)利用MEMS结构掩模对器件层进行第一次硅各向异性刻蚀但不穿通；(7)利用各向异性反应离子刻蚀方法去除减高结构掩模，并减薄标准结构掩模；(8)第二次硅各向异性刻蚀直至埋氧层得到不等高MEMS硅结构；(9)在器件层制作隔离槽；(10)去除与不等高MEMS硅结构对应的衬底层和埋氧层完成不等高MEMS器件加工。本发明能广泛应用于微机电系统加工领域中。

Description

一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法

技术领域

本发明涉及一种硅结构与集成电路的单片集成加工方法，特别是关于一种微机电系统(MEMS)领域中不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法。

背景技术

MEMS(Microelectromechanical Systems微机电系统)是指采用与集成电路(IC)工艺相兼容的制造工艺，实现集信息获取、信息存储、信息处理和执行为一体的微型集成系统，具有成本低、体积小，重量轻，低功耗等优点。将信号处理电路和MEMS机械结构制作在同一芯片上实现单一芯片集成，将会大幅度地降低整个系统的体积、重量以及功耗，提高系统的可靠性。更为重要的是，机械结构和信号处理电路集成在同一芯片上可以减小寄生电容等因素影响，在减小系统的体积、降低封装成本的同时还会提高器件的性能，更能体现出MEMS技术的特点和优势。各种集成方法中，利用集成电路代工厂完成全部的电路加工之后再进行MEMS工艺的集成加工方法，可以充分利用电路代工厂的加工优势保证电路质量且降低制造成本，是集成技术发展的重要方向。

目前，有多种集成加工方法，例如采用SOI(Silicon-on-insulator绝缘体上硅)衬底和介质填充隔离槽的硅结构集成加工方法、利用介质填充隔离槽在普通单晶硅衬底上实现硅结构集成加工的方法以及在SOI基片上实现的采用空气隔离槽和悬空电极的集成加工方法等等。但利用上述集成方法中实现的MEMS梳齿电容等结构高度相同，一般只能用于面内运动(运动方向平行于衬底表面)的驱动或检测，很难实现离面运动(运动方向垂直于衬底表面)的驱动或检测。如果能在同一芯片上制造出可同时实现面内和离面运动的驱动和检测MEMS结构，则可以实现MEMS器件的多功能集成，如单片集成的三轴加速度计等，这对于实现MEMS器件的多功能和低成本制造尤为重要。

美国卡耐基梅隆大学研究了一种利用电路中的互连电极构成电容结构的集成加工方法，能同时实现面内运动和离面运动的驱动和检测。该加工方法中MEMS结构及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实现机械支撑和必要的电气连接，MEMS工艺可以在全部集成电路之后进行。但是这种加工方法中利用硅各向同性刻蚀实现空气隔离槽时器件结构部分也会被横向刻蚀，同时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，MEMS结构并非全部由单晶硅构成，影响了器件的性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能同时实现面内和离面运动的驱动和检测的不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其包括如下步骤：(1)选用SOI基片，其包括器件层、埋氧层和衬底层，所述器件层由集成电路区和MEMS结构区构成；所述集成电路区对应的硅结构与所述MEMS结构区对应的硅结构之间通过所述埋氧层和衬底层实现机械连接；(2)在集成电路区进行集成电路加工，在MEMS结构区上生成氧化硅或氮化硅的介质层，并在集成电路区对应的硅结构与MEMS结构区对应的硅结构之间设置用于实现电气连接的电极；(3)在MEMS结构区表面进行光刻，同时以光刻胶为掩模对介质层进行第一次刻蚀形成介质层浅槽，制成与不等高MEMS结构对应的高度被降低的掩模区域；(4)在MEMS结构区表面再次进行光刻，形成对应MEMS结构掩模区域的光刻胶图形；(5)再以光刻胶为掩模刻蚀MEMS结构区上的介质层直至器件层，制成MEMS结构掩模；(6)继续以光刻胶保护MEMS结构区之外的器件层表面，利用MEMS结构掩模对器件层进行第一次硅各向异性刻蚀但不穿通；(7)仍以光刻胶保护MEMS结构区之外的器件层表面，利用各向异性反应离子刻蚀方法去除减高结构掩模，同时标准结构掩模被减薄；(8)仍以光刻胶保护MEMS结构区之外的器件层表面，进行第二次硅各向异性刻蚀直至埋氧层，减高结构被刻蚀而高度降低，与标准结构形成高度差，得到不等高MEMS硅结构；(9)不等高MEMS硅结构中的间隙由保护层填充保护，并在器件层表面进行光刻形成隔离槽区域，依次进行硅各向异性刻蚀和硅各向同性刻蚀至埋氧层，制成隔离槽，完成电气隔离加工；(10)仍以保护层保护器件层内的不等高MEMS硅结构和集成电路，由衬底层一侧去除与不等高MEMS硅结构对应位置的衬底层和埋氧层，最后去除保护层，完成不等高MEMS器件加工。

所述器件层和衬底层均采用单晶硅材料，所述埋氧层采用二氧化硅材料。

所述步骤(2)中，所述电极采用单层金属电极或多层金属电极。

所述步骤(2)中，集成电路加工方法采用CMOS工艺、BiCMOS工艺或双极电路工艺标准集成电路加工方法。

所述步骤(3)中，所述介质层的刻蚀方法采用各向异性反应离子刻蚀方法。

所述步骤(9)和步骤(10)中，所述保护层采用光刻胶或聚对二甲苯。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用在集成电路加工完成之后加工MEMS结构，利用硅各向异性刻蚀和各向异性反应离子刻蚀方法制成不等高MEMS结构，因此可同时实现面内和离面运动的驱动和检测。2、本发明由于制作隔离槽时，采用以电极及电极之外的光刻胶为掩模进行硅各向异性刻蚀至埋氧层，然后以硅各向同性刻蚀去除电极下的硅制成隔离槽，不会影响器件层结构，保证了MEMS器件的性能。本发明可以广泛应用于微机电系统加工领域中。

附图说明

图1是本发明在SOI基片上进行集成电路加工示意图；

图2是本发明制作介质层浅槽示意图；

图3是本发明制作与高度被降低的掩模区域对应的光刻胶图形示意图；

图4是本发明制作制成MEMS结构掩模示意图；

图5是本发明对器件层进行第一次硅各向异性刻蚀示意图；

图6是本发明去除减高结构掩模示意图；

图7是本发明制作不等高MEMS结构示意图；

图8是本发明制作隔离槽示意图；

图9是本发明制作不等高MEMS器件示意图；

图10是本发明制成的不等高MEMS器件立体示意图。

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，本发明采用在SOI(Silicon-on-insulator绝缘体上硅)衬底上实现集成电路加工，其包括如下步骤：

1)选用SOI基片1，SOI基片1包括器件层2、埋氧层3和衬底层4，其中，器件层2由集成电路区5和MEMS(微机电系统)结构区6构成；其中，集成电路区5对应的硅结构与MEMS结构区6对应的硅结构之间通过埋氧层3和衬底层4实现机械连接。

2)在SOI基片1的集成电路区5上进行集成电路加工，加工过程中在MEMS结构区6上生成氧化硅或氮化硅的介质层7，并在集成电路区5对应的硅结构与MEMS结构区6对应的硅结构之间设置电极8，以实现电气连接(如图1所示)。

3)完成集成电路加工后，在器件层2的MEMS结构区6表面进行光刻，同时，以光刻胶为掩模对介质层7进行第一次刻蚀形成介质层浅槽9，进而制成与不等高MEMS结构对应的高度被降低的掩模区域(如图2所示)。

4)在MEMS结构区6表面再次进行光刻，形成对应MEMS结构掩模区域的光刻胶图形(如图3所示)。其中，介质层浅槽9中的光刻胶10对应减高结构掩模11，非介质层浅槽中的光刻胶10对应标准结构掩模12(如图3、图4所示)。

5)再以光刻胶10为掩模刻蚀MEMS结构区6上的介质层7直至器件层2，制成MEMS结构掩模(如图4所示)。

其中，减高结构掩模11薄于标准结构掩模12，两者厚度差由步骤3)中刻蚀的介质层浅槽9深度决定。减高结构掩模11与标准结构掩模12由步骤4)中的同一次光刻掩模决定，因而实现了减高结构和标准结构的自对准加工。

6)继续以光刻胶10保护MEMS结构区6之外的器件层2表面，利用MEMS结构掩模对器件层2进行第一次硅各向异性刻蚀但不穿通(如图5所示)，其刻蚀深度由减高结构的最终高度决定，但不完全一致。

7)仍以光刻胶10保护MEMS结构区6之外的器件层2表面，利用各向异性反应离子刻蚀(RIE)方法去除减高结构掩模11，露出减高结构掩模11下的硅结构，同时标准结构掩模12被减薄(如图6所示)。

其中，刻蚀时间要求保证减高结构掩模11被完全去除，而标准结构掩模12的厚度仍满足后续硅各向异性刻蚀掩模需求。

8)仍以光刻胶10保护MEMS结构区6之外的器件层2表面，进行第二次硅各向异性刻蚀直至埋氧层3，减高结构因无掩模保护而同时被刻蚀而高度降低，与标准结构形成高度差，利用各向异性反应离子刻蚀(RIE)方法去除标准结构掩模12后，得到不等高MEMS硅结构(如图7所示)。

其中，减高结构与标准结构的高度差由硅各向异性刻蚀的时间决定。

9)不等高MEMS硅结构中的间隙由保护层13填充保护，在对不等高MEMS硅结构进行保护后，在器件层2表面进行光刻形成隔离槽区域14，并以该隔离槽区域14中的电极8及电极8之外的光刻胶为掩模进行硅各向异性刻蚀至埋氧层3，然后以硅各向同性刻蚀去除隔离槽区域14中电极8下的硅制成隔离槽15，隔离槽15使集成电路区5与MEMS结构区6之间相互分离，形成电气隔离(如图8所示)。

10)仍以保护层13保护器件层2内的不等高MEMS硅结构和集成电路，由衬底层4的一侧去除与不等高MEMS硅结构对应位置的衬底层4和埋氧层3，最后去除保护层13，释放不等高MEMS硅结构，完成不等高MEMS器件加工(如图9、图10所示)。

上述步骤1)中，器件层2和衬底层4均采用单晶硅材料，埋氧层3采用二氧化硅材料。

上述步骤2)中，集成电路加工方法可以采用CMOS工艺、BiCMOS工艺或双极电路工艺等标准集成电路加工方法；电极8可以采用单层金属电极或多层金属电极。

上述步骤3)中，介质层7的刻蚀方法本发明优先采用各向异性反应离子刻蚀(RIE)方法。

上述步骤9)和步骤10)中，保护层13采用光刻胶或聚对二甲苯(Parylene)。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及各步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件或个别不走进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其包括如下步骤：

(1)选用SOI基片，其包括器件层、埋氧层和衬底层，所述器件层由集成电路区和MEMS结构区构成；所述集成电路区对应的硅结构与所述MEMS结构区对应的硅结构之间通过所述埋氧层和衬底层实现机械连接；

(2)在集成电路区进行集成电路加工，在MEMS结构区上生成氧化硅或氮化硅的介质层，并在集成电路区对应的硅结构与MEMS结构区对应的硅结构之间设置用于实现电气连接的电极；

(3)在MEMS结构区表面进行光刻，同时以光刻胶为掩模对介质层进行第一次刻蚀形成介质层浅槽，制成与不等高MEMS结构对应的高度被降低的掩模区域；

(4)在MEMS结构区表面再次进行光刻，形成对应MEMS结构掩模区域的光刻胶图形；

(5)再以光刻胶为掩模刻蚀MEMS结构区上的介质层直至器件层，制成MEMS结构掩模；

(6)继续以光刻胶保护MEMS结构区之外的器件层表面，利用MEMS结构掩模对器件层进行第一次硅各向异性刻蚀但不穿通；

(7)仍以光刻胶保护MEMS结构区之外的器件层表面，利用各向异性反应离子刻蚀方法去除减高结构掩模，同时标准结构掩模被减薄；

(8)仍以光刻胶保护MEMS结构区之外的器件层表面，进行第二次硅各向异性刻蚀直至埋氧层，减高结构被刻蚀而高度降低，与标准结构形成高度差，得到不等高MEMS硅结构；

(9)不等高MEMS硅结构中的间隙由保护层填充保护，并在器件层表面进行光刻形成隔离槽区域，依次进行硅各向异性刻蚀和硅各向同性刻蚀至埋氧层，制成隔离槽，完成电气隔离加工；

(10)仍以保护层保护器件层内的不等高MEMS硅结构和集成电路，由衬底层一侧去除与不等高MEMS硅结构对应位置的衬底层和埋氧层，最后去除保护层，完成不等高MEMS器件加工。

2.如权利要求1所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述器件层和衬底层均采用单晶硅材料，所述埋氧层采用二氧化硅材料。

3.如权利要求1所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述电极采用单层金属电极或多层金属电极。

4.如权利要求2所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述电极采用单层金属电极或多层金属电极。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述步骤(2)中，集成电路加工方法采用CMOS工艺、BiCMOS工艺或双极电路工艺标准集成电路加工方法。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述介质层的刻蚀方法采用各向异性反应离子刻蚀方法。

7.如权利要求5所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述介质层的刻蚀方法采用各向异性反应离子刻蚀方法。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述步骤(9)和步骤(10)中，所述保护层采用光刻胶或聚对二甲苯。

9.如权利要求5所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述步骤(9)和步骤(10)中，所述保护层采用光刻胶或聚对二甲苯。

10.如权利要求6所述的一种不等高硅结构与集成电路的单片集成加工方法，其特征在于：所述步骤(9)和步骤(10)中，所述保护层采用光刻胶或聚对二甲苯。