CN217051644U - 一种mems-cmos集成结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种MEMS‑CMOS集成结构，其包括：CMOS集成电路层；位于所述CMOS集成电路层的上方的顶部电导层，其包括相互间隔排布的电极区、接地金属区和电连接金属区；隔离结构，其与所述顶部电导层同层，其为绝缘材料用以隔离所述电极区和所述接地金属区；MEMS机械层，其位于所述顶部电导层的上方，所述MEMS机械层被完全刻蚀释放后形成MEMS图案，所述MEMS图案包括相互间隔的MEMS可动结构、虚设层和接地层。电极区与CMOS集成电路层电连接；接地金属区用于在MEMS机械层被刻蚀期间将电极区接地；接地层用于在MEMS机械层被刻蚀期间将MEMS机械层接地；MEMS可动结构经对应的电连接金属区与CMOS集成电路层电连接。与现有技术相比，本实用新型可以在工艺加工过程中防止工艺损伤。

Description

一种MEMS-CMOS集成结构

【技术领域】

本实用新型涉及微机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技术领域，尤其涉及一种MEMS与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体)集成结构。

【背景技术】

微机械系统(MEMS)，是利用集成电路(IC)制造技术将微纳传感器、集成电路以及接口和电源等元件制造在一块或多块芯片上的集成系统，其主要用途是通过传感单元与周边环境进行互动，从而为使用者提供检测量的反馈信息。因其体积小、集成度高、性能优良等诸多优点已在军事装备、消费电子、工业制造、医疗服务等领域得到了广泛应用。典型的MEMS器件包括加速度计、角速度计、磁场传感器、压力传感器、温湿度传感器、生化传感器、麦克风等等。

虽然目前MEMS设计技术与IC制造技术取得了巨大进步，但仍有诸多局限性，良品率是把控MEMS制造质量的重要指标，工艺可靠性也是设计者的首要考虑因素之一。

因此，为了在工艺加工过程中解决上述技术问题，本实用新型有必要提出一种新的技术方案。

【实用新型内容】

本实用新型的目的之一在于提供一种MEMS-CMOS集成结构，其可以在工艺加工过程中防止工艺损伤。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种MEMS-CMOS集成结构，其包括：CMOS集成电路层；顶部电导层，其位于所述CMOS集成电路层的上方，所述顶部电导层包括相互间隔排布的电极区、接地金属区和电连接金属区；隔离结构，其与所述顶部电导层同层，其为绝缘材料用以隔离所述电极区和所述接地金属区；MEMS机械层，其位于所述顶部电导层的上方，所述MEMS机械层被完全刻蚀释放后形成MEMS图案，所述MEMS图案包括相互间隔的MEMS可动结构、虚设层和接地层；其中，所述电极区位于所述MEMS可动结构的下方，其用于感应所述MEMS可动结构形变或位移产生的电学信号，且所述电极区与所述CMOS集成电路层电连接；所述接地金属区用于在所述MEMS机械层被刻蚀期间将所述电极区接地，且所述接地金属区在所述MEMS机械层被完全刻蚀释放形成MEMS图案后与所述电极区无电连接；所述接地层用于在所述MEMS机械层被刻蚀期间将所述MEMS机械层接地，且所述接地层在所述MEMS机械层被完全刻蚀释放形成MEMS图案后与所述MEMS机械层中的其他部分完全分离；MEMS可动结构经对应的所述电连接金属区与所述CMOS集成电路层电连接。

与现有技术相比，本实用新型中的MEMS-CMOS集成结构包括依次层叠的CMOS集成电路层、顶部电导层和MEMS机械层，在刻蚀所述MEMS机械层的过程中保持所述顶部电导层的电极区与所述MEMS机械层接地，从而可以避免电荷积累造成的工艺损伤。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型在一个实施例中MEMS机械层刻蚀前的MEMS-CMOS集成结构的纵向剖面示意图；

图2为本实用新型在一个实施例中MEMS机械层被完全刻蚀释放后的MEMS-CMOS集成结构的纵向剖面示意图；

图3为本实用新型在一个实施例中MEMS机械层被完全刻蚀释放后形成的MEMS图案的俯视图。

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

为了在工艺加工过程中解决前述背景技术存在的技术问题，本实用新型提供一种MEMS-CMOS集成结构，其可以在工艺加工过程中防止工艺损伤，且该结构布局可与其他微机械设计与制造方案结合使用。

请参考图1所示，其为本实用新型在一个实施例中MEMS机械层刻蚀前的MEMS-CMOS集成结构的纵向剖面示意图。图1所示的MEMS-CMOS集成结构包括MEMS机械层160、锚定结构150、顶部电导层140、次级电导层130、通孔连线120、CMOS集成电路层100、绝缘层110、隔离结构180和电极连通层170。

其中，CMOS集成电路层100于其上方的其他层次形成前完成加工，在传感器中起到芯片的控制与信号采集处理等电学功能，例如，CMOS集成电路层100中集成有MEMS的驱动电路。由于本设计方案中，CMOS与MEMS为集成结构，而非单独加工并通过外部引线连接，所以在后续的MEMS加工过程中应极力避免对CMOS集成电路层100的损伤。

绝缘层110位于所述顶部电导层140和次级电导层130之间，CMOS集成电路层100与所述次级电导层130之间以及所述次级电导层130的不同线路之间，其作用为电学隔离以及线路保护，其材料为氧化硅，氮化硅等半导体工艺常用绝缘材料中的一种或多种。

通孔连线120位于不同层次之间，起电学连接作用，其材料为多晶硅、铜、钨等半导体工艺常用材料中的一种或多种。

次级电导层130(其可以称为第一电导层)位于所述CMOS集成电路层100的上方，由绝缘层110隔离，主要用于电路走线，其材料可为多晶硅、铜、铝等导电材料，且在不同实施例中，次级电导层130可为一层或多层。在图1所示的实施例中，所述次级电导层130包括第一类电路走线131和第二类电路走线132。

顶部电导层140(其可以称为第二电导层)位于所述次级电导层130的上方，其材料可为多晶硅、铜、铝等导电材料。在图1所示的实施例中，所述顶部电导层140包括沿所述顶部电导层140表面相互间隔排布的电极区141、接地金属区142和电连接金属区143。其中，所述电极区141位于MEMS可动结构161(参见图2)的下方，其用于感应MEMS可动结构161形变或位移产生的电学信号。

所述电极区141经其下方的所述次级电导层130中对应的第二类电路走线132与所述CMOS集成电路层100电连接。其中，所述电极区141与对应的第二类电路走线132通过所述通孔连线120电连接；所述对应的第二类电路走线132与所述CMOS集成电路层100通过所述通孔连线120电连接。

接地金属区142与其下方的所述次级电导层130中对应的第一类电路走线131电连接。其中，接地金属区142与对应的第一类电路走线131通过所述通孔连线120电连接。在所述MEMS机械层160被刻蚀期间，所述第一类电路走线131接地，以使得电极区141经所述接地金属区142接地。也就是说，在所述MEMS机械层160被刻蚀期间，所述接地金属区142用于将电极区141接地。

隔离结构180与所述顶部电导层140同层，所述隔离结构180为绝缘材料，用以隔离所述接地金属区142与电极区141。

电极连通层170沉积在顶部电导层140上方，其材料可谓铜，铝，氮化钛等，但不同于顶部电导层140的材料。所述电极连通层170用于电连接被所述隔离结构180隔离的所述接地金属区142与电极区141。

MEMS机械层160位于所述顶部电导层140的上方。在一个实施例中，MEMS机械层160材料可为多晶硅、单晶硅、导电金属、压电材料、压阻材料或聚合物等。

若干锚定结构150位于所述MEMS机械层160和顶部电导层140之间，所述锚定结构150为所述MEMS机械层160提供应力支撑与电学信号输入输出。在一个实施例中，锚定结构150的制备材料为氧化硅等绝缘材料。

请参考图2所示，其为本实用新型在一个实施例中MEMS机械层被完全刻蚀释放后的MEMS-CMOS集成结构的纵向剖面示意图。也可以说，图2是在图1的基础上将MEMS机械层160完全刻蚀释放后的MEMS-CMOS集成结构。

所述MEMS机械层160被完全刻蚀释放后形成MEMS图案，所述MEMS图案包括沿MEMS机械层160表面依次间隔排布的MEMS可动结构161、虚设层163和接地层162。在图2所示的实施例中，所述MEMS可动结构161、虚设层163和接地层162沿所述MEMS机械层160的表面由中间向两侧依次间隔排布。

MEMS可动结构161通过弹性元件(T形梁，蟹腿梁等)与其下方对应的锚定结构150相连，该锚定结构150依次经其下方的所述顶部电导层140中对应的电连接金属区143和所述次级电导层130中对应的第二类电路走线132与所述CMOS集成电路层100电连接。其中，所述对应的电连接金属区143与对应的第二类电路走线132通过所述通孔连线120电连接；所述对应的第二类电路走线132与所述CMOS集成电路层100通过所述通孔连线120电连接。MEMS可动结构161作为敏感元件，在外界环境参量的作用下可产生位移、形变等运动。

接地层162与其下方对应的锚定结构150相连，该锚定结构150经其下方的所述顶部电导层140中对应的电连接金属区143和所述次级电导层130中对应的第一类电路走线131电连接。其中，所述对应的电连接金属区143和对应的第一类电路走线131通过所述通孔连线120电连接。在所述MEMS机械层160被刻蚀期间，所述第一类电路走线131接地，以使得接地层162与其下方对应的锚定结构150作为接地柱释放电荷；在所述MEMS机械层160被完全刻蚀后，接地层162与其他机械结构完全分离，所述第一类电路走线131保持接地，以使得接地层162置于接地。

虚设层163与其下方对应的锚定结构150相连，该锚定结构150依次经其下方的所述顶部电导层140中对应的电连接金属区143和所述次级电导层130中对应的第二类电路走线132与所述CMOS集成电路层100电连接。其中，所述对应的电连接金属区143与对应的第二类电路走线132通过所述通孔连线120电连接；所述对应的第二类电路走线132与所述CMOS集成电路层100通过所述通孔连线120电连接。虚设层163不参与MEMS检测过程中的运动，在所述MEMS机械层160被完全刻蚀释放后起到自检、屏蔽与限位作用：当所述虚设层163接低电平时，所述虚设层163将与接高电平的所述MEMS可动结构161产生静电力，通过静电力的推动可判断所述MEMS可动结构161是否存在卡死、断裂等异常状态；当所述虚设层163接与所述MEMS可动结构161相同的高电平时，将屏蔽接地层162等其他机械结构产生的静电力，避免对所述MEMS可动结构161的影响，同时在所述MEMS可动结构161运动过程中对于所述MEMS可动结构161进行位移限制，防止所述MEMS可动结构161发生面内大幅旋转或与侧壁剧烈碰撞。

在图2所示的实施例中，在所述MEMS机械层160被完全刻蚀释放后，电极连通层170被采用其他刻蚀方法(如湿法刻蚀)完全去除，从而切断所述接地金属区142与电极区141的电连接。也就是说，在所述MEMS机械层160被刻蚀前，所述MEMS-CMOS集成结构还包括电极连通层170，所述电极连通层170位于所述顶部电导层140上方，以电连接所述电极区和所述接地金属区；在所述MEMS机械层170被完全刻蚀释放形成MEMS图案后，所述电极连通层170被去除。

在图1和图2所示的实施例中，隔离结构180的上表面超出所述顶部电导层140的上表面。这样，隔离结构180一方面将电极区141和接地金属区142完全隔离，另一方面可以在所述MEMS可动结构161运动过程中对于所述MEMS可动结构161进行位移限制，防止所述MEMS可动结构161发生面外大幅摆动从而碰撞所述顶部电导层140。

请参考图3所示，其为本实用新型在一个实施例中MEMS机械层被完全刻蚀释放后形成的MEMS图案的俯视图。在图3所示的实施例中，200为MEMS机械层被完全刻蚀释放后形成的MEMS图案，其中心点为O，以O为原点建立XY坐标轴，MEMS图案200沿X轴或Y轴对称分布，即所述MEMS图案200为对称结构。210为MEMS可动结构(其相当于图1和图2所示的MEMS可动结构161)，该结构通过弹性元件212与锚定结构211(其相当于图1和图2所示的MEMS可动结构161下方的锚定结构150)连接。弹性元件212可为蛇形梁，T形梁等多种弹性结构，连接方式视设计方案中MEMS可动结构210的运动模态决定。

在图3所示的实施例中，虚设层220(其相当于图1和图2所示的虚设层163)通过其下方锚定结构221(其相当于图1和图2所示的虚设层163下方的锚定结构150)悬浮固定于CMOS集成电路层100上方并与CMOS集成电路层100连接。接地层230(其相当于图1和图2所示的接地层162)通过其下方锚定结构231(其相当于图1和图2所示的接地层162下方的锚定结构150)悬浮固定于CMOS集成电路层100上方。所有锚定结构211、221、231以MEMS图案200的中点O为中心对称分布。

图3仅为该设计方案的一种特定实施例，在其他设计中，MEMS可动结构210的形状在保证沿某一坐标轴对称的情况下可进行调整。锚定结构211、221、231的数量以及分布在保证以O为中心对称的情况下可进行调整。

需要特别说明的是，MEMS机械层160可以是加速度计，陀螺仪，压力传感器等MEMS的机械结构，不应限制于某一种产品的应用。

在一个实施例中，本实用新型采用诸如深反应刻蚀(DRIE)一类等离子体刻蚀来释放完成MEMS机械层160以形成MEMS图案。

以下具体介绍本实用新型的工作原理：

1、在MEMS芯片的制作过程中，通常需要使用等离子体工艺以形成所需器件，例如采用等离子体刻蚀工艺对MEMS机械层160进行刻蚀。然而，在等离子体工艺的过程中会产生等离子电荷，一方面MEMS机械层160上会出现积累电荷，另一方面部分轰击至MEMS可动结构161下方的电极区141的等离子体也会使电极区141上产生积累电荷。如果电荷通过导体直接连接到器件的CMOS电路(即CMOS集成电路层100)中的栅极上，并超过一定数量时，就会损伤电路的栅氧化层，从而使器件甚至整个芯片的可靠性和寿命严重降低。通过在刻蚀过程中，将MEMS机械层160与MEMS可动结构161下方的电极区141接地的方法可以为电荷提供低阻通路从而引导电荷流入大地，避免损伤CMOS电路(即CMOS集成电路层100)，在刻蚀结束后，接地电路将与其他结构断开(例如，在所述MEMS机械层160被完全刻蚀后，接地层162与其他机械结构完全分离；在所述MEMS机械层160被完全刻蚀释放后，电极连通层170被采用其他刻蚀方法(如湿法刻蚀)完全去除，从而切断所述接地金属区142与电极区141的电连接)，并不影响芯片工作。

也可以说，本实用新型采用诸如深反应刻蚀(DRIE)一类等离子体刻蚀来释放完成MEMS机械层160以形成MEMS图案。在传统加工工艺中，由于等离子刻蚀过程中粒子对于MEMS可动结构161及其下方电极区141的轰击，极易造成电荷积累，一方面在电荷释放过程中将对CMOS电路(即CMOS集成电路层100)造成严重破坏，另一方面电荷产生的静电力易引起晶圆与ESC(静电卡盘)的相对位移，造成工艺偏差。本实用新型设立接地线路，采用电极区141与MEMS机械层160同时接地的方案，可在刻蚀过程中引导电荷流向接地端，起到重要的防护作用。

2、MEMS机械层160被完全刻蚀释放后形成的MEMS图案为对称结构，其目的为使刻蚀密度分布均匀，利于减小工艺误差。

3、在MEMS芯片的封装过程中，划片，加热，塑封固化等工艺步骤将产生诸如热应力之类的额外应力并作用于芯片衬底。锚定结构150作为衬底与MEMS机械层160的连接，其位置将对器件应力分布产生较大影响。本实用新型将所有锚定结构150沿MEMS图案200的中心点对称分布，可以使衬底(或基板)表面硬度分布与芯片受力均匀，防止部分结构受到较大应力影响而扭曲甚至破裂，防止由于加工及封装过程中，应力造成芯片受力分布不对称从而扭曲损坏芯片。

综上所述，本实用新型的创新优势在于：

1.本实用新型在等离子体刻蚀过程中保持顶部电极141与MEMS机械层160接地，避免电荷积累造成的工艺损伤。

2.本实用新型在布局上，MEMS图案为对称图案，所有锚定结构150沿MEMS图案的中心点对称分布，减小工艺误差，防止应力扭曲变形损伤。

根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种MEMS-CMOS集成结构的制造方法，其包括：

提供未刻蚀MEMS机械层的MEMS-CMOS集成结构，其中所述未刻蚀MEMS机械层的MEMS-CMOS集成结构如图1所示；

对所述MEMS-CMOS集成结构中的MEMS机械层160进行刻蚀释放，其中刻蚀后的MEMS-CMOS集成结构如图2所示的。具体的方法可以参考上文所述的，这么不再重复。

在一个实施例中，本实用新型提供的MEMS-CMOS集成结构的制造方法还包括：

对所述MEMS机械层进行刻蚀释放后，去除电极连通层170，所述电极连通层170位于所述顶部电导层140上方，以电连接所述接地金属区142与电极区141。

在本实用新型中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，其包括：

CMOS集成电路层；

顶部电导层，其位于所述CMOS集成电路层的上方，所述顶部电导层包括相互间隔排布的电极区、接地金属区和电连接金属区；

隔离结构，其与所述顶部电导层同层，其为绝缘材料用以隔离所述电极区和所述接地金属区；

MEMS机械层，其位于所述顶部电导层的上方，所述MEMS机械层被完全刻蚀释放后形成MEMS图案，所述MEMS图案包括相互间隔的MEMS可动结构、虚设层和接地层；

其中，所述电极区位于所述MEMS可动结构的下方，其用于感应所述MEMS可动结构形变或位移产生的电学信号，且所述电极区与所述CMOS集成电路层电连接；所述接地金属区用于在所述MEMS机械层被刻蚀期间将所述电极区接地，且所述接地金属区在所述MEMS机械层被完全刻蚀释放形成MEMS图案后与所述电极区无电连接；所述接地层用于在所述MEMS机械层被刻蚀期间将所述MEMS机械层接地，且所述接地层在所述MEMS机械层被完全刻蚀释放形成MEMS图案后与所述MEMS机械层中的其他部分完全分离；MEMS可动结构经对应的所述电连接金属区与所述CMOS集成电路层电连接。

2.根据权利要求1所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

在所述MEMS机械层被刻蚀前，所述MEMS-CMOS集成结构还包括电极连通层，所述电极连通层位于所述顶部电导层上方，以电连接所述接地金属区与电极区；

在所述MEMS机械层被完全刻蚀释放形成MEMS图案后，所述电极连通层被去除。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

所述虚设层位于所述MEMS可动结构和接地层之间；

所述虚设层与所述MEMS可动结构和接地层均相互间隔；

所述虚设层经对应的所述电连接金属区与所述CMOS集成电路层电连接。

4.根据权利要求1或2所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

其还包括若干锚定结构，

所述若干锚定结构位于所述MEMS机械层和顶部电导层之间，所述锚定结构为所述MEMS机械层提供应力支撑与电学信号输入输出。

5.根据权利要求4所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

其还包括次级电导层，所述次级电导层位于所述CMOS集成电路层和顶部电导层之间，所述次级电导层包括第一类电路走线和第二类电路走线；

其中，所述电极区经其下方对应的所述第二类电路走线与所述CMOS集成电路层电连接；所述接地金属区与其下方对应的所述第一类电路走线电连接；所述MEMS可动结构通过弹性元件与其下方对应的所述锚定结构相连，该锚定结构依次经其下方对应的所述电连接金属区和对应的所述第二类电路走线与所述CMOS集成电路层电连接；所述接地层与其下方对应的所述锚定结构相连，该锚定结构经其下方对应的所述电连接金属区和对应的所述第一类电路走线电连接；所述虚设层与其下方对应的所述锚定结构相连，该锚定结构依次经其下方对应的所述电连接金属区和对应的所述第二类电路走线与所述CMOS集成电路层电连接。

6.根据权利要求5所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

在所述MEMS机械层被刻蚀期间，所述第一类电路走线接地，以使所述接地金属区将所述电极区接地，且使所述接地层将所述MEMS机械层接地。

7.根据权利要求5所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

绝缘层，其位于所述顶部电导层和次级电导层之间、所述CMOS集成电路层和所述次级电导层之间，以及所述次级电导层的不同线路之间；

通孔连线，其位于不同层次之间，起电学连接作用。

8.根据权利要求3所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

在所述MEMS机械层被完全刻蚀释放形成MEMS图案后，

当所述虚设层接低电平时，所述虚设层将与接高电平的所述MEMS可动结构产生静电力，通过静电力的推动可判断所述MEMS可动结构是否存在异常状态；

当所述虚设层接与所述MEMS可动结构相同的高电平时，将屏蔽所述MEMS机械层的其他机械结构产生的静电力，避免对所述MEMS可动结构的影响，同时在所述MEMS可动结构运动过程中对于所述MEMS可动结构进行位移限制，防止所述MEMS可动结构发生面内大幅旋转或与侧壁剧烈碰撞。

9.根据权利要求1或2所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

所述隔离结构的上表面超出所述顶部电导层的上表面，

所述隔离结构在所述MEMS可动结构运动过程中对于所述MEMS可动结构进行位移限制，防止所述MEMS可动结构发生面外大幅摆动从而碰撞所述顶部电导层。

10.根据权利要求4所述的MEMS-CMOS集成结构，其特征在于，

所述MEMS图案为对称结构；

所有所述锚定结构沿所述MEMS图案的中心点对称分布；

所述MEMS机械层的刻蚀工艺为等离子体刻蚀。

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