CN1309040C - 一种将cmos电路与体硅mems单片集成的方法 - Google Patents

一种将cmos电路与体硅mems单片集成的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其包括以下步骤：1.在硅片上采用标准CMOS工艺完成集成电路部分的制作；2.淀积钝化层保护所述集成电路部分；3.采用深槽刻蚀，在所述隔离槽内填充低温电绝缘介质；4.在背面做掩膜，腐蚀硅，直至暴露出所述填充介质；5.在正面开CMOS电路与MEMS结构连接通孔，磷离子注入；6.溅射钛/铝，光刻腐蚀得到铝掩膜图形和MEMS结构与电路之间的连线；7.合金处理，用铝作掩膜，释放MEMS硅结构。本发明方法不仅获得了较大的质量块，而且制作出的结构电容，较利用现有工艺制作出的电容大的多，同时实现了Post-CMOS的集成，降低了加工成本，大大提高MEMS传感器的精度和稳定性，本发明具有前沿性和重要实用价值。

Description

一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法
技术领域
本发明涉及微电子机械系统加工领域，特别是关于一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)是近年来高速发展的一项高新技术，采用先进的半导体工艺技术，将整个机械结构在一块芯片中完成，在体积、重量、价格和功耗上有十分明显的优势，在航空航天、军事、生物医学、汽车等行业得到了广泛应用。但是目前微机械传感器(例如微陀螺仪)的性能、特别是精度指标还比不上传统的机械传感器，因此只适用于中低精度要求的场合。
将MEMS结构与驱动、检测和信号处理电路集成在一块芯片上，可以大大提高传感器的精度、可靠性并降低加工成本。而模块式集成方案由于可以将微机械加工和微电子加工两部分相互分离，独立地进行加工，最大限度地消除两者的相互影响而受到了广泛的关注。这种方案被称为CMOS-MEMS技术，结合CMOS集成电路技术，额外增加工艺步骤，可以实现微型传感器或驱动器与其信号检测电路的集成。这些额外的刻蚀或者淀积优先考虑在常规IC工艺完成之后的后工序(Post-processing)中实行，称之为post-CMOS。也有通过前工序(Pre-processing)和交叉工序(Intermediate-processing)实现CMOS-MEMS的。其中Post-CMOS直接在未经MEMS加工处理的硅片上进行IC加工，没有更改标准IC工艺的流程，因此可以在任何一个IC生产线上进行加工，从而降低加工成本、提高电路可靠性和成品率。但是目前Post-CMOS的突出问题是要将金属互连线暴露到后面微结构加工所需的高温中，这使得金属半导体的接触电阻变大，还有观察到的金属分层现象。
另外，目前大部分CMOS-MEMS都是采用表面微机械方式加工的。在表面微加工中，MEMS器件是由在衬底上用低压化学气相淀积(LPCVD)工艺淀积的薄膜材料制成，因此MEMS结构的厚度受到很大限制，一般只能在4～10微米，而许多MEMS器件如惯性传感器要求有厚的、高深宽比的结构。因此，表面微机械加工的MEMS器件虽然可以和CMOS电路单片集成，但机械结构中质量块比较小，电容输出信号十分微弱，限制了表面CMOS-MEMS传感器的性能和使用范围。
另一方面，与表面微加工技术相对应的体硅MEMS加工工艺能制作出较大的质量块(厚10～250微米)和很高的结构深宽比(可以达到30∶1)，而且可以采用单晶硅做MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，因此体硅MEMS加工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。但是，体硅MEMS加工工艺很难与传统CMOS电路工艺相兼容，即体硅MEMS加工很难解决MEMS结构和CMOS电路部分的单片电气隔离和互连，因此难于与检测电路实现单片集成。
如上所述，一方面可以与CMOS电路单片集成的表面Post-CMOS工艺要求MEMS加工避免形成MEMS结构时的高温处理，一方面不需高温工艺的体硅MEMS难于与CMOS电路集成。因此，急需开发一种微加工工艺技术，这种技术综合了表面Post-CMOS和体硅MEMS加工的优点，既可以采用Post-CMOS技术又避免了表面Post-CMOS技术后续的高温，又采用了体硅MEMS做结构，增大了检测质量和电容。如能实现Post-CMOS的体硅MEMS单片集成，不仅能提高传感器的精度和稳定性，还可极大地降低成本并提高成品率，必将给MEMS的研究和应用带来更广阔的前景，并推动MEMS的产业化发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用Post-CMOS技术将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，即将CMOS电路与MEMS集成在一块芯片上，以提高MEMS传感器和执行器的精度和稳定性。
为实现上述目的，本发明首先完成CMOS集成电路的加工；然后利用DRIE(硅深槽反应离子刻蚀)深槽刻蚀技术和PECVD(等离子体增强化学气相淀积)介质填充技术实现体硅结构部分与电路部分的电气绝缘，在此基础上完成体硅MEMS的加工。我们把这种技术称为IBMIT-PC(用隔离槽实现的体硅集成微加工-Post CMOS)技术。
具体方案如下：一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其包括以下步骤：
(1)在硅片上采用常规标准CMOS工艺完成集成电路部分的制作；
(2)在所述硅片上淀积钝化层保护所述集成电路部分；
(3)在CMOS电路和MEMS结构之间采用深槽刻蚀，形成隔离槽，在所述隔离槽内填充电绝缘介质；
(4)在所述硅片的背面形成掩膜，腐蚀硅，直至暴露出所述隔离槽底部的所述填充介质；
(5)在所述硅片正面光刻定义腐蚀MEMS结构区，磷离子注入MEMS结构区，开CMOS电路与MEMS结构连接通孔；
(6)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；
(7)对钛层和铝层进行合金化处理后，用铝作掩膜，刻蚀释放MEMS硅结构。
可以在所述步骤(3)和步骤(4)之间增加表面平坦化步骤。
所述表面平坦化步骤可以采用反应离子刻蚀法刻掉硅片表面的部分填充介质，使MEMS结构区表面平坦化。
所述表面平坦化步骤也可以采用化学机械抛光法去掉硅片表面的部分填充介质，使MEMS结构区表面平坦化。
所述隔离槽采用光刻定义出隔离槽图形，用DRIE(硅深槽反应离子刻蚀)刻蚀出沟槽。
所述电绝缘介质采用等离子体增强化学气相淀积法填充在所述隔离槽内和MEMS结构区表面。
所述电绝缘介质为氧化硅或者氮化硅。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：1、本发明利用硅深槽反应离子刻蚀和深槽等离子体增强化学气相淀积介质填充技术，制作出了高深宽比的电绝缘深槽结构，由于深槽刻蚀和等离子体增强化学气相淀积工艺温度都在350℃以下，因此可以保证CMOS电路中的铝引线不受影响，实现了体硅结构部分与电路部分的电绝缘。2、本发明结合标准的CMOS工艺，完成了集成电路与体硅MEMS的Post-CMOS工艺集成，电路部分可以在标准IC生产线上进行加工，从而降低了加工成本、提高了电路可靠性和成品率。3、用本发明方法不仅获得了较大的质量块，而且用本发明较高的深宽比制作出的结构电容，较利用现有MEMS工艺制作出的电容大的多，同时实现了与CMOS的集成，大大提高了MEMS传感器的精度和稳定性，具有前沿性和重要实用价值。
附图说明
图1是本发明结构的平面示意图
图2是图1的剖面示意图
图3a～3h是CMOS与体硅MEMS结构集成工艺流程示意图
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2所示，P阱CMOS电路与MEMS结构的Post-CMOS集成方法
原始材料：采用双面抛光的N型硅片1，电阻率5～8Ω-cm，<100>晶向，硅片厚度为400微米。
1、用标准CMOS工艺制造CMOS集成电路2(如图3a所示)，包括单阱和双阱CMOS工艺；
2、淀积钝化层3保护电路2部分，去除掉MEMS结构区域的钝化层3(如图3b所示)；
3、隔离槽刻蚀、填充电绝缘介质，平坦化处理：
(1)光刻定义多个并列槽(厚胶作掩模，槽宽3微米)，再用DRIE刻出隔离槽4(如图1、图3c所示)，隔离槽4深90微米左右，刻蚀时间75分钟左右，去胶，煮酸后反复煮水清洗，甩干；
(2)用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)技术在硅片1表面和隔离槽4侧壁填充2.5～3微米的电绝缘介质5，电绝缘介质5可以是低应力的氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)和其它介质，然后硅片正面涂光刻胶，再用RIE(反应离子刻蚀)刻掉硅片表面的光刻胶和部分填充介质，使机械结构区6表面平坦化(如图3d所示)；
4、用光刻胶保护，刻蚀硅片1背面硅，形成MEMS结构层：
(1)正面涂胶保护，
(2)背面光刻定义出MEMS结构区6和绝缘槽区(如图1所示)；
(3)用DRIE刻蚀所述硅片300～350微米，结构区6和绝缘槽区按需要保留40～80微米厚，暴露出隔离槽的底部的电绝缘介质，去胶(如图3e所示)；
5、开引线孔：
(1)光刻定义MEMS结构区6(如图1所示)；
(2)BHF(缓冲HF酸)腐蚀SiO2；
(3)磷离子7注入(如图3f所示)，实现金属与半导体的欧姆接触，以减小接触电阻；
(4)光刻电路2与MEMS结构连接通孔8；
(5)BHF腐蚀SiO2出通孔8(如图3g所示)；
6、完成MEMS结构掩膜和电路2与MEMS结构的连线(如图3h所示)：
(1)溅射500钛和8000铝9；
(2)光刻定义出MEMS结构区图形(如图1所示)；
(3)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61和MEMS结构与电路2之间的连线10；
7、合金
在430℃下进行30分钟的合金处理；
8、预切片和CMOS电路区保护：
(1)正面涂胶，背面切片，深度为200～250微米，去胶；
(2)用厚胶光刻定义出MEMS结构区6，胶厚大于2.5微米；
9、用铝作掩膜，DRIE刻蚀释放MEMS硅结构，等离子去胶(如图1、图2所示)；
10、裂片，封装和测试。
上述实施例中，原始材料也可以采用N阱CMOS电路与MEMS结构集成，硅片的晶向也可以是<101>或<110>或<111>，硅片的厚度可以根据需要增加或减少。隔离槽刻蚀的深度和刻蚀时间等是根据需要确定的，可以有所变化。在填充电绝缘介质后进行表面平坦化处理时，还可以采用CMP(化学机械抛光)的方法。刻蚀的深度和保留深度都是根据需要确定的，可以变化。电路2与MEMS结构连接通孔8的开设可以采用各种方法，溅射钛和铝的厚度也是可以有所调整变化的。

Claims (10)

1、一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其包括以下步骤：
(1)在硅片上采用常规标准CMOS工艺完成集成电路部分的制作；
(2)在所述硅片上淀积钝化层保护所述集成电路部分；
(3)在CMOS电路和MEMS结构之间采用深槽刻蚀，形成隔离槽，在所述隔离槽内填充电绝缘介质；
(4)在所述硅片的背面形成掩膜，腐蚀硅片，直至暴露出所述隔离槽底部的所述填充介质；
(5)在所述硅片正面光刻定义腐蚀MEMS结构区，磷离子注入MEMS结构区，开CMOS电路与MEMS结构连接通孔；
(6)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；
(7)对钛层和铝层进行合金化处理后，用铝作掩膜，刻蚀释放MEMS硅结构。
2、如权利要求1所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：在所述步骤(3)和步骤(4)之间增加表面平坦化步骤。
3、如权利要求2所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：所述表面平坦化步骤采用反应离子刻蚀法刻掉硅片表面的部分填充介质，使MEMS结构区表面平坦化。
4、如权利要求2所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：所述表面平坦化步骤采用化学机械抛光法去掉硅片表面的部分填充介质，使MEMS结构区表面平坦化。
5、如权利要求1或2或3或4所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：所述隔离槽采用光刻定义出隔离槽图形，用硅深槽反应离子刻蚀刻蚀出沟槽。
6、如权利要求1或2或3或4所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：所述电绝缘介质采用等离子体增强化学气相淀积法填充在所述隔离槽内和MEMS结构区表面。
7、如权利要求5所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：所述电绝缘介质采用等离子体增强化学气相淀积法填充在所述隔离槽内和MEMS结构区表面。
8、如权利要求1或2或3或4所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：所述电绝缘介质为氧化硅或者氮化硅。
9、如权利要求5所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：所述电绝缘介质为氧化硅或者氮化硅。
10、如权利要求6所述的一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于：所述电绝缘介质为氧化硅或者氮化硅。
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