CN102515089B - 一种mems集成化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS集成化方法，在基片上先刻蚀出MEMS区域凹槽，在凹槽以外的区域制作CMOS电路，完成除金属互连以外的所有IC工艺；然后淀积IC保护层，在凹槽内采用MEMS表面牺牲层工艺制作MEMS结构；再刻蚀形成IC区域的引线孔，淀积并图形化金属形成金属互连；最后用光刻胶保护凹槽以外的区域，去除牺牲层，释放MEMS可动结构，制得单片集成芯片。本发明采用MEMS-IC-MEMS交叉制作工艺完成MEMS和IC的单片集成，通过凹槽降低了MEMS结构和IC之间的高度差，减小了集成化工艺对光刻的压力，同时通过调整工艺顺序避免了金属脱落，提高了工艺质量和成品率。

Description

一种MEMS集成化方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)和集成电路IC(CMOS)加工工艺领域，涉及MEMS和IC工艺的单片集成方法，采用MEMS-IC-MEMS的混合工艺方法在单个圆片上同时形成MEMS和CMOS部分，特别应用在含有CMOS电路的MEMS芯片制作领域。

背景技术

MEMS和IC单片集成的优点很多，包括减小寄生电容，减小芯片体积，降低成本，减小封装压力，提高可靠性等。MEMS工艺和IC工艺集成的难点主要有以下几点：(一)IC部分完成后，后续的高温工艺会影响到IC的有源区内的杂质分布，影响PN结和MOS管的特性，而MEMS工艺里面不可避免的含有高温工艺，如LPCVD(低压化学气相淀积)多晶硅后高温退火消除残余应力；(二)IC的金属会在某些MEMS工序里遭到破坏，如KOH会腐蚀金属铝和钝化层的磷硅玻璃；(三)MEMS结构往往有2μm以上的厚度，台阶的形成会增加IC区域的光刻的难度。以往的研究发现，对于MEMS表面牺牲层工艺，在牺牲层释放时会出现金属脱落的现象，主要原因在于释放溶液的横向钻蚀，导致金属和结构之间的粘结处被湿法腐蚀掉。金属脱落会严重影响芯片的成品率。一旦MEMS和IC工艺集成，金属互联如果脱落，会造成相当严重的问题，IC和MEMS部分均会失去工作能力。

目前已有的集成方案包括IC-MEMS-IC交叉工艺，先MEMS后IC工艺，先IC后MEMS工艺。这些方案都不能同时很好地解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面微加工工艺的集成化方法，通过调整工艺顺序，采用MEMS-IC-MEMS交叉的集成化工艺，在满足MEMS可动结构和IC单片集成的需求的同时，降低集成化工艺对光刻的压力，避免金属脱落，提高工艺质量和成品率。

本发明提出了一种MEMS集成化方法，采用MEMS-IC-MEMS交叉制作工艺完成MEMS和IC的单片集成，包括下述步骤：

1)在基片上采用MEMS工艺光刻定义并刻蚀出凹陷的MEMS区域凹槽；

2)采用IC工艺在凹槽以外的范围制作CMOS电路，完成除金属互连以外的所有IC工艺；

3)淀积IC区域保护层；

4)在凹槽内采用MEMS表面牺牲层工艺制作MEMS结构；

5)刻蚀形成IC区域的引线孔，淀积并图形化金属形成金属互连；

6)用光刻胶保护凹槽以外的区域，去除牺牲层，释放MEMS可动结构；

7)去除光刻胶，制得单片集成芯片。

上述步骤1)制备MEMS区域凹槽用于预先减少MEMS区域台阶，便于后续金属互连的制作。凹槽的深度优选为2μm。所述基片一般为单晶硅片。

上述步骤3)选用低温淀积方法制作IC区域保护层，如低压化学气相淀积(LPCVD)氧化硅和氮化硅作为保护层。

上述步骤4)主要包括：淀积牺牲层并图形化牺牲层；淀积结构层并图形化结构层。所述牺牲层采用低温淀积方法(如LPCVD)制备，牺牲层的材料优选为磷硅玻璃；所述结构层采用低温淀积方法(如LPCVD)制备，材料优选为多晶硅(Poly-Si)。

上述步骤4)在制作MEMS结构的过程中，凹槽外的牺牲层在淀积结构层之前须全部去除。

上述步骤5)在IC区域采用干法刻蚀保护层，以实现金属互连的引线孔；所述金属采用低温淀积方法制备，如溅射和蒸发等物理气相淀积(PVD)方法；金属材料优选为铝(Al)。

上述步骤6)先在整个基片上涂光刻胶，然后光刻，在MEMS区域凹槽以外的区域形成光刻胶保护层，其中光刻使用的光刻板与步骤1)的光刻板图形相同，即光刻后，除凹槽以外的所有区域均被光刻胶覆盖，节约成本可使用同一张板。

上述步骤6)采用湿法腐蚀牺牲层，释放MEMS结构。

采用上述工艺能够完成MEMS和IC的单片集成，由于预先开了MEMS区域凹槽，降低了MEMS结构和IC之间的高度差，从而降低了对IC区域光刻的压力。同时由于释放MEMS结构时金属被光刻胶保护，不存在IC区域的金属互连脱落的问题，为IC设计提供了更大的空间。

本发明提出的表面牺牲层工艺集成化方法，采用MEMS-IC-MEMS交叉工艺实现了MEMS和IC的单片集成，具有以下优势：

1.微机械与IC单片集成，处理电路靠近微结构，减小了寄生电容和分布电容，提高检测信号的精度。

2.本发明设计的工艺流程IC部分几乎不受MEMS工序的影响，保证了IC部分的性能。

3.本发明设计的工艺通过MEMS区域凹槽减少了不必要的台阶，降低了光刻的难度。

4.重复利用光刻板，利用光刻胶作为释放掩膜，解决了表面牺牲层工艺中普遍存在的金属脱落问题。

5.本发明设计的工艺不需要平整，不需要填平材料以及化学机械抛光(CMP)工艺，不会引入不必要的残余应力问题，提高了工艺的可靠性。

6.本发明设计的工艺流程保证了MEMS和IC区域互连实现了直接金属连接，不需要在MEMS工艺之前预先在MEMS区域下方完成互连。

7.本发明的工艺流程包含的工序都属于成熟的技术，工艺难度比较低，易获得较高的成品率。

8.本发明简化了以往的集成化制作过程，并不会引入不平整表面给光刻带来的困难。

附图说明

图1(a)～图1(h)为具体实施例中集成化工艺流程示意图，其中：

图1(a)为在基片上制作MEMS区域凹槽的示意图；

图1(b)为使用CMOS工艺制作完成IC区域并填充保护绝缘层的示意图；

图1(c)～图1(e)为采用MEMS工艺制作谐振器的示意图；

图1(f)为刻蚀互连引线孔的示意图；

图1(g)为淀积金属和形成金属互联的示意图；

图1(h)为MEMS可动结构释放的示意图。

图中：1-MEMS区域凹槽；2-氧化硅层；3-氮化硅层；4-磷硅玻璃牺牲层；5-多晶硅结构层；6-引线孔；7-金属互连引线；8-多晶硅可动结构。

具体实施方式

本发明的MEMS集成化方法主要适用于制作于硅衬底上的，包含IC部分和由牺牲层工艺实现可动结构的MEMS器件芯片，如：加速度计，陀螺等传感器，可调电容结构等执行器。下面以单片集成梳齿状谐振器的制备为例进行具体说明，制作步骤如下：

1、以单晶硅基片作为芯片的基片1，在基片1上采用MEMS工艺光刻定义并刻蚀出凹陷的MEMS区域凹槽2，如图1(a)所示；

2、采用IC工艺在MEMS区域以外的范围制作CMOS电路，完成除金属互连以外的所有工艺，然后淀积IC区域保护层，包括：LPCVD氧化硅LPCVD氮化硅 在整个基片1上形成氧化硅层2和氮化硅层3，如图1(b)所示；

3、采用MEMS表面牺牲层工艺制作可动结构，包括：

a)LPCVD磷硅玻璃1μm，形成磷硅玻璃牺牲层4，见图1(c)；然后光刻定义锚点图形，RIE(反应离子刻蚀)磷硅玻璃牺牲层7，露出锚点区域；

b)LPCVD多晶硅2μm，得多晶硅结构层5，如图1(d)所示，并对多晶硅结构层5进行掺杂注入，950℃致密退火激活；

c)光刻定义谐振体结构，RIE多晶硅2μm，得谐振体结构，如图1(e)所示；

4、刻蚀引线孔，淀积并图形化金属：

a)光刻定义引线孔图形，RIE氮化硅层3和氧化硅层2，氧化硅层余厚再用BHF(缓冲氢氟酸溶液)过腐蚀氧化硅，形成引线孔6，如图1(f)所示；

b)溅射电极铝1.0-1.2μm；光刻定义引线图形，刻蚀铝1.0-1.2μm形成引线7，见图1(g)；

5、用光刻胶保护MEMS区域凹槽以外的金属线，BHF腐蚀磷硅玻璃释放结构，去除牺牲层，得到多晶硅可动结构8，如图1(h)所示，制得单片集成芯片。

上述制备方法中，用于谐振器的结构层材料除了多晶硅以外，可以选用别的材料；相应的，牺牲层的材料也可以用别的材料；金属引线除Al以外，也可以使用Cu等导电材料(非重金属)。

上述制备工艺中，步骤3的IC工艺完成之后，后续的MEMS高温工艺的温度都不超过950℃，LPCVD氮化硅的温度为780℃，LPCVD磷硅玻璃为610℃；LPCVD多晶硅为610℃；LPCVD氧化硅的温度为680℃，退火温度为950℃。因此MEMS工艺不会对MOS管的特性造成致命的影响。

常用的表面牺牲层集成化选用的CMOS-MEMS方案，在MEMS阶段会产生很大的台阶。影响CMOS部分光刻的的台阶是由两个工序形成：刻蚀牺牲层做锚点区域时形成的台阶，此台阶高度为牺牲层厚度；刻蚀多晶硅结构层时形成的台阶，此台阶厚度为多晶硅厚度。若MEMS部分在设计时还包含下电极，总的台阶厚度需要计算下电极的厚度。通常的表面牺牲层工艺，在做金属互连之前，台阶高度大约4μm，这个台阶对于集成电路级别的金属互连的制作将造成极大的难度。对于光刻工艺来说，大于2μm的台阶存在就会影响光刻的曝光精度和线条宽度。对于溅射金属工艺来说，大的台阶的侧壁往往不能很好的覆盖金属，可能造成金属线断开。为了预先降低台阶，所以本发明方法一开始预先制作凹槽，从而减少台阶高度，降低制作金属互连的难度。

为了降低不必要的台阶，需要配合结构设计特征：在上述步骤3a)刻蚀牺牲层形成锚点区域时，凹槽外的所有部分的牺牲层都需要刻蚀掉。

重复利用刻蚀MEMS区域凹槽的光刻板在MEMS可动结构释放前做一次光刻，用光刻胶保护IC金属互连区域，这样MEMS表面牺牲层工艺中常出现的在释放工程中金属脱落问题也得到了解决。

采用本发明的工艺方法，在工序一开始就刻蚀了MEMS部分的凹槽，来降低做金属互联时的台阶高度，并通过合适的结构设计特征，避免不必要的台阶，凹槽的优选深度为2μm，从而保证整个工艺过程中的台阶高度在2μm左右，大大降低了集成化工艺的光刻难度。

本发明同样适用于别的MEMS与CMOS相互集成的传感器系统的制备，作为一种标准化的集成工艺来实现各种功能的MEMS器件系统。实施例中的MEMS牺牲层工艺仅是选用了单层牺牲层工艺，并选择以集成谐振器来作例子说明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本专利实质的范围内，可以针对本专利中器件结构和材料选择做一定的变化和修改，其制备方法也不限于实施例中所公开的内容，MEMS牺牲层工艺选用更复杂的多层牺牲层工艺(包含淀积多个电极、多层结构)也依然适用。

Claims (9)

1.一种MEMS集成化方法，包括以下步骤：

1)在基片上采用MEMS工艺光刻定义并刻蚀出MEMS区域凹槽，用于预先减少MEMS区域的台阶；

2)在凹槽以外的区域制作CMOS电路，完成除金属互连以外的所有IC工艺；

3)淀积IC区域保护层；

4)在凹槽内采用MEMS表面牺牲层工艺制作MEMS结构；首先淀积牺牲层并图形化牺牲层，然后将凹槽外的牺牲层全部去除后再淀积结构层并图形化结构层，得到MEMS结构；

5)刻蚀形成IC区域的引线孔，淀积并图形化金属形成金属互连；

6)用光刻胶保护凹槽以外的区域，去除牺牲层，释放MEMS可动结构；

7)去除光刻胶，制得单片集成芯片。

2.如权利要求1所述的MEMS集成化方法，其特征在于，步骤1)所述基片为单晶硅片。

3.如权利要求1所述的MEMS集成化方法，其特征在于，步骤1)所述凹槽的深度为2μm。

4.如权利要求1所述的MEMS集成化方法，其特征在于，步骤3)低压化学气相淀积氧化硅和氮化硅作为保护层。

5.如权利要求1所述的MEMS集成化方法，其特征在于，步骤4)所述牺牲层和结构层均采用低压化学气相淀积方法制备，所述牺牲层的材料为磷硅玻璃，所述结构层的材料为多晶硅。

6.如权利要求1所述的MEMS集成化方法，其特征在于，步骤5)在IC区域干法刻蚀保护层，形成引线孔。

7.如权利要求1所述的MEMS集成化方法，其特征在于，步骤5)中采用溅射或蒸发的方法淀积金属。

8.如权利要求1所述的MEMS集成化方法，其特征在于，步骤6)在整个基片上涂光刻胶，然后光刻，在凹槽以外的区域形成光刻胶保护层，其中光刻使用的光刻板是步骤1）所用的光刻板。

9.如权利要求1所述的MEMS集成化方法，其特征在于，步骤6)采用湿法腐蚀去除牺牲层。