CN1343369A - 兼容ic的聚对二甲苯mems技术及其在集成传感器中的应用 - Google Patents

兼容ic的聚对二甲苯mems技术及其在集成传感器中的应用 Download PDF

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Abstract

一种IC/Mems复合加工首先构成IC部分,并且随后构成MEMS部分(110)。一种选择是构成聚对二甲苯外层,接着在聚对二甲苯外层下面构成模槽。

Description

兼容IC的聚对二甲苯基MEMS技术及其在集成传感器中的应用
(1)技术领域
本发明涉及一种加工电路的方法，特别是涉及复合IC/MEMS结构的集成电路。
(2)背景技术
微电子或MEMS器件经常使用半导体材料构成其结构。集成电路或(“IC”)技术也使用同样的材料构成其电子结构。某些应用期望将MEMS器件和集成电路整合在单一基片上。
已有技术讲授了制造这样的单元的某些方法。第一种方法是先加工IC部分。随后在半成品的半导体IC晶片上加工构成MEMS。
为了避免侵害电子电路的功能，MEMS加工处理必须具有可靠的兼容性。一个主要关心的问题是运行的温度。所有的后IC电子工序通常需要在400℃以下进行：这是电子连接中的铝所能达到的最大温度。这排除了许多普通的MEMS结构材料，例如LPCVD氮化硅和多晶硅沉积物；它们通常都在400℃以上制成。因而，这种IC处理系统经常被用于不需要某些IC绝缘材料，例如多晶硅或含金属层，的器件中。
另外，许多IC铸造厂没有对机械材料特性的加工。与结构加工相比，这些铸造厂更专注于制造可靠的电子电路。因而这些微结构能具有余应力和应力梯度。同样成问题的是各批产品的特性可能不同。
MEMS器件可以形成具有不同薄膜厚度和高纵横比的微结构。而为了优化IC设计，IC层的垂直尺寸通常是事先固定的。这反过来限制了MEMS设计的参量。例如，为了制造不需依靠支撑物的MEMS结构，由结构复合特性产生的垂直应力梯度会引起基片平面的卷曲。
在半导体/MEMS混合加工中，MEMS加工可以先进行，或进行每种部分交替进行的交叉加工。然而，由于大多数MEMS材料与IC加工的不兼容特性，交叉处理变得十分困难。
(3)发明内容
根据这里所揭示的技术，一种更加复合、可靠和经济的集成电路可以通过这里所揭示的特殊技术来构成。
(4)附图说明
参照附加的图例，我们将讨论本发明的这些和其他一些方面。
图1A-1F示出一种添加了MEMS结构的CMOS集成电路结构加工；
图2示出切应力传感器排列；
图3示出切应力传感器的特写图；
图4A-4D示出结构处理的细节；
图5示出在它们从基片释放前后多元件电压电流转换曲线；
图6示出一种所使用的偏置电路和切应力传感器中的惠斯通电桥。
(5)具体实施方式
本应用描述了随同半导体加工过程，使用特殊的MEMS材料。
使用的一种特殊材料是聚对二甲苯(帕利灵)，在构成半导体结构后沉积，也叫“后沉积聚对二甲苯”。聚对二甲苯被作为一种MEMS结构的元件。聚对二甲苯也可以和光刻胶、喷镀或低温蒸发的金属一起使用。保护材料，例如：非晶体硅，也可以使用。在已揭示的模式中，气相三氟化溴被用作均质硅蚀刻剂。结构通过这样的蚀刻，来构成聚对二甲苯层下的模槽，并且因此，聚对二甲苯层构成了一个结构部件。
化学汽相淀积(“CVD”)聚对二甲苯的厚度范围可以在亚微米和超过20微米之间。这种厚度比可以形成合乎需要的高纵横比微结构的构造。复合后IC加工在室温环境进行，并且在晶片规模基片上使用光刻技术。
这里还揭示了一种使用热线工作元件的集成切应力传感器。
图1A-1F展示了构造过程。图1a展示了由工业铸造制成的CMOS晶片。这种晶片包括硅基片100和具有某些半导体结构在其上的绝缘层102。这些结构可能包括导线104(可以是铝制)，并且也可以包括一个或更多的多晶硅结构106。
随后，这种结构在图1B中被构图和蚀刻。IC晶片的绝缘钝化层通过复合反应离子干刻蚀以及缓冲氟化氢湿刻蚀，来构图及蚀刻。这构成了具有包含一些(但减少数量)绝缘材料构图的半导体层106。
聚对二甲苯110的第一层如图1C所示被沉积。这种聚对二甲苯第一层具有增强的附着力。在已揭示的模式中，聚对二甲苯可以是聚对二甲苯-N，也叫聚对亚苯基二甲基。这种薄膜聚合物可以在室温和0.1乇压强下保形地沉积。聚对二甲苯构成一种很好的用于构成MEMS结构的机械材料。这种MEMS和LPCVD氮化硅相比，具有更小的杨氏系数和固有应力。
聚对二甲苯随后进一步被加工构成模槽。这可以通过两个不同方法中的一种来实现。
第一种加工技术是如图1D所示。该结构通过使用氧等离子体构图，来构成如图1D所示的蚀刻孔。基片上也可以不形成蚀刻孔120，而形成间隙122。蚀刻可以用BrF3或XeF2。在聚对二甲苯结构下的模槽120被用来制造微型射束、薄膜和隔膜。因此，总之，第一种技术是从硅基片100蚀刻去在其上具有半导体结构(“能动部分”)的部分之下的部分，在能动部分下面留下一个开口。
硅蚀刻步骤需要对CMOS绝缘层、铝和聚对二甲苯有可控制的选择性。它也需要保持聚对二甲苯基片界面的完整性。
发明人发现BrF3和XeF2气相蚀刻在工作时具有某些优点。第一，因为硅蚀刻是用干刻蚀进行，所以显微机械加工的弯月面力基本消除。这几乎没有用到等离子体，所以对电子电路可能的损害也被最小化。还发现BrF3对聚对二甲苯基片界面的损害比许多湿刻蚀剂小。
构成替代微结构的第二种加工技术如图1E和1F所示。这些难以构造的微结构可以通过在两结构层之间使用保护层，并且随后去除这些保护层来实现。
保护层可以包括光刻胶喷镀的金属或非晶体硅。通过使用丙酮，光刻胶在室温可以很容易地被涂覆或蚀除。因而光刻胶构成的保护层具有一定的优点。
图1E展示了光刻胶被作为保护层使用。该层在图1F中被去除，而构成模槽140。附加金属层132或其他材料随后可以被添加。另外，如步骤145所示，复合层沉积可以被重复进行，来构成附加层。
这种加工方法具有显著的改进成效，如实施例说说明——实施例展示了一种在单基片上聚对二甲苯薄膜切应力传感器的构成过程。
对大块表面上的边界层湍流的灵活控制需要分布传感驱动和控制。MEMS器件经常用于这个目的。MEMS器件与IC电子技术的晶片规模集成有助于这种操作。现在的切应力器件使用上述附加IC加工方法构成，使用聚对二甲苯N作为传感器隔膜材料，并且使用BrF3蚀刻作为释放隔膜的方法。聚对二甲苯和BrF3蚀刻具有显著的优点。这可以构成一种对基片来说只有很小热量损失的热膜切应力传感器。这也在后IC加工中构成隔膜穴槽。
图2和3展示了隔膜模槽结构。图2展示了一种切应力传感器200排列，以及芯片偏置电路210和很多电桥220。图3展示了该切应力传感器200的特写图。这包括整合有多传感器320的聚对二甲苯隔膜310。图4A-4D展示了这种结构加工过程。
首先，在图4A中，例如偏置电路210的电结构、放大电路和其他电路通过使用一个MITEL，2微米双-多双-金属IC处理来制造。一种厚为3225、20 Ohms/sq、0/1％℃ TCR的门复合结构也作为热线传感元件被使用，在门氧化物顶端。铝层也形成用于钝化层开口的蚀刻光阑。
聚对二甲苯门400被绝缘体402围绕，并且覆盖有铝配线层404。
图4B展示了铝和绝缘体的蚀除部分，剩下的部分结构。
图4C聚对二甲苯门-N沉积为层420。这层可以沉积0.1乇。开口422如上所述形成。
最后，如图4D所示，模槽430被构造，在半导体元件下留下孔道。
在它们从基片释放的前后多元件的电压电流转换曲线，如图5所示。这清楚表明由于成功地减少了通过基片和隔膜传导热损失而产生的释放的传感器元件的热效应。每个整合的传感器都有按惠斯通电桥的配置方式排列的元件，来达到自动偏置10％过热率。
图6展示了一种被使用的偏置电路和惠斯通电桥。
虽然这里只讨论了少部分的实施例，其他修改也是可能实现的。

Claims (15)

1、一种形成结构的方法，其特征在于，包括下述步骤：
获得具有多个半导体层的半导体结构；
在所述半导体结构上形成一结构部分，所述结构部分包括聚对二甲苯；并且
蚀刻一个保持所述聚对二甲苯结构和半导体结构完整的开口。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻一个开口的步骤，包括使用三氟化溴在结构下方蚀刻一个孔。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻一个孔的步骤，包括构成保护层，并且去除所述保护层。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述保护层包括光刻胶。
5、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述保护层包括非晶体硅。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚对二甲苯是聚对亚苯基二甲基。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻使用气相蚀刻剂。
8、一种形成结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先形成基片的半导体结构；
在形成所述半导体结构后，形成聚对二甲苯结构元件，至少与所述半导体结构部分连接，并且物理上支撑所述半导体结构。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述半导体结构包括由聚对二甲苯构成的绝缘部分。
10、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述聚对二甲苯结构元件支撑一模槽。
11、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述聚对二甲苯和光刻胶一起被使用。
12、如权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括用气相蚀刻剂蚀刻。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述气相蚀刻剂是被用作均质硅蚀刻剂的气相三氟化溴，所述蚀刻剂用于在聚对二甲苯层下构成开口。
14、一种器件，其特征在于，包括：
在半导体基片上用集成电路加工形成的具有包括偏置电路、放大电路和至少一个其他电路的电结构；
聚对二甲苯门，与所述电结构耦合；和
聚对二甲苯结构元件，与所述电结构耦合，并且覆盖该电结构下的开口。
15、如权利要求14所述的器件，其特征在于，进一步包括位于所述开口内的加热元件。
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