CN1889266A - 耐高温单片集成微传感器结构及系统集成方法 - Google Patents

耐高温单片集成微传感器结构及系统集成方法 Download PDF

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Abstract

耐高温单片集成微传感器结构及系统集成方法，涉及集成电路技术，特别涉及单片集成微传感器技术。本发明的耐高温单片集成微传感器结构，包括IC层和微结构层，采用耐熔金属硅化物或者耐熔金属硅化物作为互连线。本发明的有益效果是，克服了微传感器系统在单片集成时温度方面的限制，提高了集成电路的空间利用率和可靠性，实现了整个系统小型化、实用化。并且生成成本低，与现有的生成线兼容。

Description

耐高温单片集成微传感器结构及系统集成方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术，特别涉及单片集成微传感器技术。
背景技术
微传感器在集成电路(IC)基础上单片集成可以提高整体性能，可靠性，降低尺寸和成本。比如：单片集成可以减少复杂系统中输入输出压焊块的数量，能增强微执行器的驱动和控制，提高系统信噪比，并有助于批量生产。
但是单片集成微传感器系统面临材料及工艺兼容的挑战，比如在MEMS制造过程中需要高于1000℃的退火过程以消除多晶硅的应力；又如由铁电材料构成的铁电存储器需要在高于600℃的温度下退火才能得到铁电特性。然而传统的IC采用铝作为金属互连线，但在高温(高于450℃)时已不可以正常工作了。
为了解决这个问题，已经有一系列的方法被提出：一种是把制造集成电路的工艺与构建微结构的工艺交叉，IC与微结构的互连线放在两者制造完毕后。虽然绕过了高温过程，但是由于制造IC和微结构的工艺冲突，必须修改并增加很多步骤，加大了制造复杂度，显著降低了电路性能和成品率。另一种是在制造IC前做好微结构，但是很多微结构使用的材料常常是与CMOS工艺不兼容的，如铁电材料等。在完成这类微结构的制造后，标准的CMOS工艺生产线一般是不会接受这类片子完成后面的CMOS电路的制作。对于先制造微结构，后制作IC的微传感器系统，目前一种改进的方法是先将微结构用牺牲层包裹起来埋在浅槽里，然后以常规工艺制造IC，最后去掉牺牲层形成单片集成。虽然这种方法可以克服高温过程，但是引出了空间限制问题，即微结构和IC电路在同一平面，在开发阵列类型元件或者多功能元件时会产生问题，同时也限制了微结构的应用。
因此，微传感器系统的单片集成仍然是个需要解决的问题。以下列举已有专利提出的一些解决方法。
1美国专利：Method for Fabricating Monolithic Chip ContainingIntegrated Circuitry and Suspended Microstructure
专利号：US 5326726
授权日：1994.7.5
该专利采用微结构和集成电路制造工艺相交叉和融合的方法单片集成系统，但是其工艺步骤多达330步，无疑增加了成本和降低了成品率。
2美国专利：Method for Integrating Microelectromechanical Deviceswith Electronic Circuitry
专利号：US 5798283
授权日：1998.8.25
该专利采用先在沟槽中制造MEMS，并以牺牲层保护，再制造集成电路的方法单片集成系统，但是工艺步骤仍然较多，平面结构也加入了空间限制，且限制了MEMS的应用范围。
3中国专利：采用微电-机系统制造技术的射频原件及其制造方法
申请号：03109308.6
申请日：2003.4.4
该专利采用耐熔金属钨作为射频MEMS开关的电连线。整个薄膜按照Ti-TiN-W-TiON、Ti-TiN-W-TiN或Ti-TiON-W-TiON的顺序用阴极溅射或化学气相沉积(CVD)的方法生成。采用氟化物混合气体(SF6，CF4，CHF3)和高密度反应离子刻蚀机干法刻蚀钨。但是，由于钨很硬，难以刻蚀，不适合用以加工多层金属连线。
4美国专利：Monolithic Integration of A MOSFET with A MEMSDevice
专利号：US 6531331 B1
授权日：2003.3.11
在该专利中，MOSFET的栅电极、电接触孔和MEMS的微结构都用多晶硅制造，形成源极和漏极的杂质扩散步骤也可以同时用来对多晶硅微结构做退火。最后才做电互连线，这种电互连线既可以使铝金属，也可以使多晶硅。这种方法不仅可以减少许多加工步骤，而且避免了高温退火工艺对IC造成的损害。
但该专利仅适用于微结构由多晶硅构成时的单片MEMS，对于微结构为铁电、压电等其他材料并不适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种耐高温单片集成微传感器结构，其制造工艺与标准CMOS工艺兼容，制作成本低，利于大规模生产。
本发明还提供一种与标准CMOS工艺兼容，克服微传感器系统单片集成时温度方面的限制的耐高温单片集成微传感器系统集成方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，耐高温单片集成微传感器结构，包括IC层和微结构层，其特征在于，采用耐熔金属硅化物或者耐熔金属硅化物作为互连线。
进一步的说，所述耐熔金属硅化物包括以下的一种或多种：TiSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、Co2Si、CoSi、CoSi2、NiSi、NiSi2、PtSi。
所述耐熔金属包括以下的一种或多种：Ti、Ta、Mo、W、Co、Ni、Pt。
本发明提供的耐高温单片集成微传感器系统集成方法，其特征在于，首先制造IC层，采用耐熔金属硅化物或者耐熔金属硅化物作为互连线，然后在IC层上制作微结构。
具体包括以下步骤：
a、在硅衬底100上生成场氧化层，在场氧化层上开凹孔定义MOS管的源极、漏极和栅极的特定位置，并形成N或P阱108；
b、生成栅极氧化层103，再在其上沉积一层多晶硅106并刻蚀作为栅极结构；
c、在氧化层/多晶硅层按电路图形刻蚀两个开口105、107作为晶体管的源极和漏极区域；
d、在源极和漏极区域形成N或P型结104；
e、源极和漏极区域生长一层氧化膜，刻蚀形成接触孔109；
f、在整个晶园表面溅射或沉积耐熔金属硅化物或者耐熔金属，利用光刻或刻蚀工艺得到第一层互连线110；
g、沉积层间介质111，利用光刻或刻蚀工艺得到通孔113，并沉积钨形成钨塞114；
h、在介质层111上溅射或沉积耐熔金属硅化物或者耐熔金属，利用光刻或刻蚀工艺得到第二层互连线116；以此类推可以得到多层互连线；
i、淀积一层介质118，利用光刻或刻蚀工艺形成槽120，沉积牺牲层材料，利用光刻或刻蚀工艺形成接触孔122，在122中沉积微结构材料；
j、利用光刻或刻蚀工艺形成微结构112，并去除牺牲层；
k、将微结构112与第二层互连线116连接起来。
本发明的有益效果是，克服了微传感器系统在单片集成时温度方面的限制，提高了集成电路的空间利用率和可靠性，实现了整个系统小型化、实用化。并且生成成本低，与现有的生成线兼容。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是IC与微结构处在同一平面的微传感器系统的剖面图。
图2是以IC为衬底构成的三维微传感器系统的剖面图。
具体实施方式
本发明提出了一种“先制造IC，后制作微结构”的单片集成方法。该方法与标准CMOS工艺兼容，以耐熔金属硅化物或者耐熔金属制作集成电路的多层互连线，完成IC后在同一平面制作微结构，即微结构和IC电路在同一平面，或者以IC为衬底，垂直制造微结构，形成单片集成的阵列或者多功能微传感器系统。
参见图1。
首先，在经过清洗处理后的硅衬底100上经氧化生成SiO2膜102作为场氧化层，利用光刻或刻蚀工艺在场氧化层上开凹孔以定义MOS管的源极、漏极和栅极的特定位置，并用掺杂工艺形成N或P阱108。接下来，晶园经过氧化反应生成氧化薄膜作为栅极氧化层103，再在其上沉积一层多晶硅106并刻蚀作为栅极结构。利用光刻或刻蚀工艺在氧化层/多晶硅层按电路图形刻蚀两个开口105、107作为晶体管的源极和漏极区域。利用掺杂工艺在源极和漏极区域形成N或P型结104。在源极和漏极区域生长一层氧化膜，利用光刻或刻蚀工艺分别在源极、栅极和漏极区域刻蚀形成接触孔109。在整个晶园表面溅射或沉积耐熔金属硅化物TiSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、Co2Si、CoSi、CoSi2、NiSi、NiSi2、PtSi或者耐熔金属Ti、Ta、Mo、W、Co、Ni、Pt，利用光刻或刻蚀工艺得到第一层互连线110。沉积层间介质111，利用光刻或刻蚀工艺得到通孔113，并沉积钨形成钨塞114。在介质层111上溅射或沉积耐熔金属硅化物或者耐熔金属，利用光刻或刻蚀工艺得到第二层互连线116。利用上述方法可以得到多层互连线。
淀积一层介质118，利用光刻或刻蚀工艺形成槽120。沉积牺牲层材料(图1中未标注)，利用光刻或刻蚀工艺形成接触孔122，在122中沉积微结构材料。利用光刻或刻蚀工艺形成微结构112，并去除牺牲层。最后，将微结构112与第二层互连线116连接起来。
在图2中，首先，在经过清洗处理后的硅衬底100上经氧化生成SiO2膜102作为场氧化层，利用光刻或刻蚀工艺在场氧化层上开凹孔以定义MOS管的源极、漏极和栅极的特定位置，并用掺杂工艺形成N或P阱108。接下来，晶园经过氧化反应生成氧化薄膜作为栅极氧化层103，再在其上沉积一层多晶硅106并刻蚀作为栅极结构。利用光刻或刻蚀工艺在氧化层/多晶硅层按电路图形刻蚀两个开口105、107作为晶体管的源极和漏极区域。利用掺杂工艺在源极和漏极区域形成N或P型结104。在源极和漏极区域生长一层氧化膜，利用光刻或刻蚀工艺分别在源极、栅极和漏极区域刻蚀形成接触孔109。在整个晶园表面溅射或沉积耐熔金属硅化物或者耐熔金属，利用光刻或刻蚀工艺得到第一层互连线110。沉积层间介质111，利用光刻或刻蚀工艺得到通孔113，并沉积钨形成钨塞114。在介质层111上溅射或沉积耐熔金属硅化物或者耐熔金属，利用光刻或刻蚀工艺得到第二层互连线116。利用上述方法可以得到多层互连线。
淀积一层介质118及牺牲层材料(图2中未标注)，利用光刻或刻蚀工艺形成接触孔122，在122中沉积微结构材料。利用光刻或刻蚀工艺形成微结构112，并去除牺牲层。最后，将微结构112与第二层互连线116连接起来。

Claims (5)

1、耐高温单片集成微传感器结构，包括IC层和微结构层，其特征在于，采用耐熔金属硅化物或者耐熔金属硅化物作为互连线。
2、如权利要求1所述的耐高温单片集成微传感器结构，其特征在于，所述耐熔金属硅化物包括以下的一种或多种：TiSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2、Co2Si、CoSi、CoSi2、NiSi、NiSi2、PtSi。
3、如权利要求1所述的耐高温单片集成微传感器结构，其特征在于，所述耐熔金属包括以下的一种或多种：Ti、Ta、Mo、W、Co、Ni、Pt。
4、耐高温单片集成微传感器系统集成方法，其特征在于，首先制造IC层，采用耐熔金属硅化物或者耐熔金属硅化物作为互连线，然后在IC层上制作微结构。
5、如权利要求4所述的耐高温单片集成微传感器系统集成方法，具体包括以下步骤：
a、在硅衬底(100)上生成场氧化层，在场氧化层上开凹孔定义MOS管的源极、漏极和栅极的特定位置，并形成N或P阱(108)；
b、生成栅极氧化层(103)，再在其上沉积一层多晶硅(106)并刻蚀作为栅极结构；
c、在氧化层/多晶硅层按电路图形刻蚀两个开口(105)、(107)作为晶体管的源极和漏极区域；
d、在源极和漏极区域形成N或P型结(104)；
e、源极和漏极区域生长一层氧化膜，刻蚀形成接触孔(109)；
f、在整个晶园表面溅射或沉积耐熔金属硅化物或者耐熔金属，利用光刻或刻蚀工艺得到第一层互连线(110)；
g、沉积层间介质(111)，利用光刻或刻蚀工艺得到通孔(113)，并沉积钨形成钨塞(114)；
h、在介质层(111)上溅射或沉积耐熔金属硅化物或者耐熔金属，利用光刻或刻蚀工艺得到第二层互连线(116)；以此类推可以得到多层互连线；
i、淀积一层介质(118)，利用光刻或刻蚀工艺形成槽(120)，沉积牺牲层材料，利用光刻或刻蚀工艺形成接触孔(122)，在(122)中沉积微结构材料；
j、利用光刻或刻蚀工艺形成微结构(112)，并去除牺牲层；
k、将微结构(112)与第二层互连线(116)连接起来。
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