CN102649537B

CN102649537B - 一种soi mems单片集成方法

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Publication number: CN102649537B
Application number: CN201210110743.5A
Authority: CN
Inventors: 张照云; 彭勃; 施志贵; 高杨; 苏伟
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102649537A

Abstract

本发明提供了一种SOI MEMS单片集成方法，本发明的方法包括：在硅片上采用常规标准的CMOS工艺完成集成电路部分的制作；在硅片上淀积钝化层保护集成电路部分；在硅片正面溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到铝掩膜图形和MEMS结构与电路之间的连线；在CMOS电路和MEMS结构之间采用深槽刻蚀，形成隔离槽；在硅片背面形成掩膜，刻蚀硅片，直至暴露出SOI硅片中的绝缘层；刻蚀硅片背面暴露出的绝缘层；利用硅片正面的金属掩膜，采用DRIE各向异性刻蚀释放微结构；裂片、封装、测试。本发明提出的SOI MEMS单片集成方法不仅综合了表面Post-CMOS和体硅MEMS加工的优点，具有大的质量块和检测电容，能够制造高性能的惯性传感器，且在MEMS结构跟电路的隔离以及MEMS结构区厚度均与性的控制等方面具有很好的优势。

Description

一种SOI MEMS单片集成方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统微加工技术领域，特别涉及一种绝缘体上的硅（Silicon on insulator，SOI）微电子机械系统（Micro-electromechanical Systems，MEMS）的单片集成方法。

背景技术

近几年，MEMS技术得到了快速的发展，在很多领域都具有广阔的应用空间。将MEMS结构与驱动、检测、信号处理电路集成在一块芯片上能够减小信号传输损耗，降低电路噪声，抑制电路寄生电容的干扰，能够实现高信噪比，提高测量精度，也能有效减小功耗和体积。国外采用表面工艺已经成功将电路与MEMS结构集成到单芯片上，但表面工艺质量块厚度小，薄膜应力大、牺牲层结构释放困难，很难满足高性能惯性传感器的要求。体硅MEMS工艺质量块大，结构深宽比高，能够实现高性能的MEMS传感器，但体硅MEMS工艺与CMOS工艺集成困难，国际上尚没有成熟的体硅MEMS与电路的单芯片集成方案。

北京大学的王成伟、阎桂珍等人提出了“一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法”（专利申请号为：200410049792.8），在采用Post-CMOS技术的同时又采用了体硅MEMS做结构，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了MEMS传感器的灵敏度，对MEMS集成的发展和产业化具有重要的意义。但是采用上述方法，MEMS结构跟电路的隔离比较困难，且MEMS结构区厚度均匀性很难控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种SOI MEMS单片集成方法。

本发明是通过如下方式实现的：

一种SOI MEMS单片集成方法，其步骤包括：（a）利用SOI硅片，在硅片上采用常规标准的CMOS工艺完成集成电路部分的制作；（b）在硅片上淀积钝化层保护所述的集成电路部分；（c）在硅片正面溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到铝掩膜图形和MEMS结构与电路之间的连线；（d）在CMOS电路和MEMS结构之间采用深槽刻蚀至绝缘层，形成隔离槽；（e）采用各向同性刻蚀，去掉隔离槽中MEMS结构与电路金属连线下的硅墙；（f）在硅片背面形成掩膜，刻蚀硅片，直至暴露出SOI硅片中的绝缘层；（g）刻蚀硅片背面暴露出的绝缘层；（h）利用硅片正面的金属掩膜，采用DRIE各向异性刻蚀释放微结构；（i）裂片、封装、测试。

其特点是所述步骤（a）中的硅片为SOI硅片，包括硅结构层、硅衬底层以及位于硅结构层和硅衬底层之间的绝缘层，绝缘层包括二氧化硅。

步骤（d）和（e）中形成的隔离槽为空气隔离槽。

步骤（e）中采用的各向同性刻蚀为干法刻蚀。

步骤（f）中硅片刻蚀采用干法刻蚀。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：综合了表面Post-CMOS和体硅MEMS加工的优点，在采用Post-CMOS技术的同时又采用了体硅MEMS做结构，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了MEMS传感器的灵敏度；采用SOI材料，中间的绝缘层能够更好的实现MEMS结构跟电路的隔离，大大降低现有技术制作隔离槽的难度；利用绝缘层作为刻蚀自停止层，能克服现有技术MEMS结构区厚度均匀性难控制的缺点，使得MEMS结构区厚度均与性好。

附图说明

图1为用于一种SOI MEMS单片集成方法中所采用的SOI材料的纵向结构示意图；

图2（a）~（e）为本发明加工流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图，对本发明做进一步说明。

所采用的材料为SOI晶圆片，结构层1厚度40微米，N型硅，电阻率，<110>晶向；绝缘层2厚度1微米；衬底层厚度300微米，N型硅。

该单片集成方法，其步骤包括：

（1）利用SOI硅片，在硅片上采用标准的CMOS工艺完成集成电路5的制作（如图2（a）所示）；

（2）淀积钝化层4保护电路5部分，去掉MEMS结构区域的钝化层4（如图2（b）所示）；

（3）完成MEMS结构掩膜和电路5与MEMS结构之间的连线（如图2（c）所示）：

（a）溅射500钛和8000铝；

（b）光刻定义出MEMS结构区图形；

（c）RIE（反应离子刻蚀）刻蚀或湿法腐蚀8000铝和500钛，得到铝掩膜图形和MEMS结构与电路5之间的连线6；

（4）形成隔离槽（如图2（d）所示）：

（a）光刻定义出隔离槽（槽宽3微米），再用DRIE刻蚀至绝缘层形成隔离槽7；

（b）采用ICP，利用SF6气体进行各向同性刻蚀，刻蚀掉金属桥下的硅墙；

（5）形成背腔（如图2（e）所示）：

（a）在硅片背面光刻定义出MEMS结构区，采用DRIE刻蚀硅片背面至绝缘层，暴露出MEMS结构下的绝缘层；

（b）采用RIE（反应离子刻蚀）刻蚀硅片背面暴露出的绝缘层；

（6）利用硅片正面的金属掩膜，采用DRIE各向异性刻蚀释放微结构8（如图2（f）所示）；

（7）裂片、封装、测试。

上述实施例中，原始材料采用SOI晶圆片，硅结构层1的厚度、绝缘层2的厚度以及硅衬底层3的厚度可以根据需要增加或减少。溅射钛和铝的厚度也可以根据情况有所调整变化。

Claims

1.一种SOI MEMS单片集成方法，其步骤包括：

（a）在SOI硅片上采用常规标准的CMOS工艺完成集成电路（5）部分的制作；

（b）在SOI硅片上淀积钝化层（4）保护所述的集成电路部分；

（c）在SOI硅片正面溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到铝掩膜图形和MEMS结构与电路之间的连线（6）；

（d）在CMOS电路和MEMS结构之间采用深槽刻蚀至绝缘层，形成隔离槽（7）；

（e）采用各向同性刻蚀，去掉隔离槽中MEMS结构与电路金属连线下的硅墙；

（f）在SOI硅片背面形成掩膜，刻蚀硅片，直至暴露出SOI硅片中的绝缘层（2）；

（g）刻蚀SOI硅片背面暴露出的绝缘层（2）；

（h）利用SOI硅片正面的金属掩膜，采用DRIE各向异性刻蚀释放微结构（8）；

（i）裂片、封装、测试。

2.根据权利要求1所述的一种SOI MEMS单片集成方法，其特征在于，所述步骤（a）中的SOI硅片包括依次连接的硅结构层（1）、绝缘层（2）、硅衬底层（3）。

3.根据权利要求1、2所述的一种SOI MEMS单片集成方法，其特征在于绝缘层（3）为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的一种SOI MEMS单片集成方法，其特征在于在步骤（d）和（e）中形成的隔离槽（7）为空气隔离槽。

5.根据权利要求1所述的一种SOI MEMS单片集成方法，其特征在于在步骤（e）中采用的各向同性刻蚀为干法刻蚀。

6.根据权利要求1所述的一种SOI MEMS单片集成方法，其特征在于步骤（f）中硅片刻蚀采用干法刻蚀。