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      一種mems和ic單片集成方法

      文檔序號:5265961閱讀:667來源:國知局
      專利名稱:一種mems和ic單片集成方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)和集成電路IC(CMOS)加工工藝領(lǐng)域,涉及 MEMS和IC工藝的單片集成方法,采用MEMS-IC-MEMS的混合工藝方法在單個圓片上同時形成MEMS和CMOS部分,特別應(yīng)用在含有CMOS電路的MEMS芯片制作領(lǐng)域。
      背景技術(shù)
      MEMS和IC單片集成的優(yōu)點很多,包括減小寄生電容,減小芯片體積,降低成本, 減小封裝壓力,提高可靠性等。通常選用的集成化方案為先IC后MEMS工藝制作,即為 post-CMOS工藝。post-CMOS的集成方案的設(shè)計重點在于如何控制MEMS工藝對IC電路的影響。由于IC電路是由單管NMOS或者PMOS組成的,而研究表明單管的閾值、遷移率等性能與溝道應(yīng)力相關(guān)。采用post-CMOS工藝時,CMOS和MEMS結(jié)構(gòu)之間的隔離普遍選用了氧化硅和氮化硅薄膜。而氮化硅薄膜的應(yīng)力非常大且不容易控制,薄膜結(jié)構(gòu)可能在溝道內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力,從而使單管特性偏離最初的設(shè)計值,嚴(yán)重時甚至?xí)拐麄€電路失效。MEMS領(lǐng)域有很多相關(guān)研究來制作低應(yīng)力氮化硅,但是每種工藝都很復(fù)雜,需要很高的控制度。且目前單片集成方案中,氮化硅薄膜是不得不使用的材料,它被用于IC部分的鈍化、MEMS區(qū)域電學(xué)隔離、MEMS釋放的自停止層。目前ADI等著名芯片公司的集成化方案中有的使用的是PECVD 的氮化硅,有的使用的是LPCVD的低應(yīng)力氮化硅,這些方案對加工設(shè)備以及對工藝的可控性有很高的要求,需要生產(chǎn)的氮化硅薄膜同時具備低應(yīng)力和高腐蝕選擇比,一般的設(shè)備很難做出滿足需求的氮化硅薄膜。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的在于提供一種MEMS和IC工藝的單片集成方法,不需要專用的低應(yīng)力氮化硅生產(chǎn)設(shè)備,采用先IC后MEMS的方法,在滿足MEMS可動結(jié)構(gòu)和IC單片集成的需求的同時,能夠控制片內(nèi)應(yīng)力,從而降低集成化工藝對IC電路性能的影響。本發(fā)明的控制集成化片內(nèi)應(yīng)力的MEMS和IC單片集成方法,包括下述步驟I)在基片上采用IC工藝在IC區(qū)域制作CMOS電路,完成除金屬互連以外的所有 IC工藝,然后依次淀積氧化硅層和氮化硅層作為IC區(qū)域的保護(hù)層;2)采用MEMS表面犧牲層工藝在基片的MEMS區(qū)域制作MEMS結(jié)構(gòu);3)刻蝕去除IC區(qū)域的氮化硅保護(hù)層;4)刻蝕IC區(qū)域的氧化硅保護(hù)層形成IC區(qū)域的引線孔,然后淀積并圖形化金屬形成金屬互連;5)用光刻膠保護(hù)MEMS結(jié)構(gòu)以外的區(qū)域,去除犧牲層,釋放MEMS可動結(jié)構(gòu);6)去除光刻膠,制得單片集成芯片。上述步驟I)中IC區(qū)域保護(hù)層的制作選用低溫淀積方法,如低壓化學(xué)氣相淀積 (LPCVD)。為保證IC區(qū)域保護(hù)層的質(zhì)量,其中的氮化硅保護(hù)層優(yōu)選為LPCVD的氮化硅。上述步驟2)MEMS結(jié)構(gòu)的制作主要包括淀積犧牲層并圖形化犧牲層;淀積結(jié)構(gòu)層并圖形化結(jié)構(gòu)層。所述犧牲層采用低溫淀積方法(如LPCVD)制備,犧牲層的材料優(yōu)選為磷硅玻璃;所述結(jié)構(gòu)層也采用低溫淀積方法(如LPCVD)制備,材料優(yōu)選為多晶硅(Poly-Si)。上述步驟3)刻蝕去除IC區(qū)域的氮化硅保護(hù)層的實施只要是在步驟4)刻蝕氧化硅層形成引線孔之前即可,可以在步驟2)之前或之后進(jìn)行,也可以在步驟2)制作MEMS結(jié)構(gòu)的過程中進(jìn)行。優(yōu)選方案為步驟3)在步驟2)之后進(jìn)行,在步驟2)制作MEMS結(jié)構(gòu)的過程中,MEMS區(qū)域外的犧牲層在淀積結(jié)構(gòu)層之前須全部去除,以露出步驟3)中需要去除的IC 區(qū)域的氮化硅。上述步驟3)采用刻蝕方法去除MEMS區(qū)域之外的所有氮化硅,以去除氮化硅應(yīng)力對IC電路的影響,而刻蝕氮化硅后剩余的MEMS區(qū)域圖形化的氮化硅作為MEMS結(jié)構(gòu)釋放的腐蝕自停止層和MEMS區(qū)域的電學(xué)隔離(可動結(jié)構(gòu)和下電極或襯底的隔離)。上述步驟4)在IC區(qū)域采用干法刻蝕氧化硅保護(hù)層,以實現(xiàn)金屬互連的引線孔;所述金屬采用低溫淀積方法制備,如濺射和蒸發(fā)等物理氣相淀積(PVD)方法;金屬材料優(yōu)選為招(Al) ο上述步驟5)先在整個基片上涂光刻膠,然后光刻,在MEMS區(qū)域以外的區(qū)域形成光刻膠保護(hù)層。上述步驟5)采用濕法腐蝕犧牲層,釋放MEMS結(jié)構(gòu)。采用上述IC-MEMS交叉工藝實現(xiàn)MEMS和IC的單片集成,工藝簡單,使用最普通的材料,不需要高級的加工設(shè)備,通過選擇性去除氮化硅保護(hù)層來控制集成化片內(nèi)應(yīng)力。本發(fā)明提出的集成化方法具有以下優(yōu)勢I.微機(jī)械與IC單片集成,處理電路靠近微結(jié)構(gòu),減小了寄生電容和分布電容,提高檢測信號的精度。2.本發(fā)明設(shè)計的工藝流程IC部分幾乎不受MEMS工序的影響,保證了 IC部分的性倉泛。3.本發(fā)明設(shè)計的工藝不需要平整,不需要填平材料以及化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝,不會引入不必要的殘余應(yīng)力問題,提高了工藝的可靠性。4.本發(fā)明設(shè)計的工藝流程保證了 MEMS和IC區(qū)域互連實現(xiàn)了直接金屬連接,不需要在MEMS工藝之前預(yù)先在MEMS區(qū)域下方完成互連。5.本發(fā)明的工藝流程包含的工序都屬于成熟的技術(shù),工藝難度比較低,易獲得較聞的成品率。6.本發(fā)明簡化了以往的集成化制作過程,并不會引入不平整表面給光刻帶來的困難。


      a) 圖1(h)為實施例I集成化工藝流程示意圖,其中
      a)為使用CMOS工藝制作完成IC區(qū)域并填充保護(hù)絕緣層的示意b) 圖1(d)為采用MEMS工藝制作諧振器的示意e)為刻蝕IC區(qū)域氮化硅的示意f)為刻蝕互連引線孔的示意g)為淀積金屬和形成金屬互聯(lián)的示意圖I (h)為MEMS可動結(jié)構(gòu)釋放的示意圖。圖2為實施例I制備的NMOS單管特性曲線,其中(a)為Id-Vd曲線,(b)為Id-Vg 曲線。圖3為實施例I制備的PMOS單管特性曲線,其中(a)為Id-Vd曲線,(b)為Id-Vg 曲線。圖4 (a)為對比例I制備的NMOS在Vd = 50mv時的Id-Vg曲線;圖4(b)為對比例I制備的PMOS在Vd = -50mv時的Id-Vg曲線。圖中1_基片;2_CM0S電路;3_MEMS下電極;4_氧化硅層;5_氮化硅層;6_磷硅玻璃犧牲層;7_多晶硅結(jié)構(gòu)層;8_引線孔;9_金屬互連引線;10_多晶硅可動結(jié)構(gòu)。
      具體實施例方式本發(fā)明的MEMS和IC單片集成方法可對IC部分進(jìn)行應(yīng)力控制,主要適用于制作硅襯底上的包含IC部分和由犧牲層工藝實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)的MEMS器件芯片,如加速度計,陀螺等傳感器,可調(diào)電容結(jié)構(gòu)等執(zhí)行器。實施例I下面以單片集成平板電容式諧振器的制備為例對本發(fā)明的方法進(jìn)行具體說明,制作步驟如下I、以單晶硅基片作為芯片的基片1,在基片I上采用IC工藝制作CMOS電路2,完成除金屬互連以外的所有工藝;在制作MOS器件多晶硅柵時可同時制作MEMS器件的多晶硅下電極32、淀積IC區(qū)域保護(hù)層,包括=LPCVD氧化硅3000 A,LPCVD氮化硅1800 A,在整個
      基片I上形成氧化硅層4和氮化硅層5,如圖I (a)所示;3、采用MEMS表面犧牲層工藝制作可動結(jié)構(gòu),包括a) LPCVD磷硅玻璃I μ m,形成磷硅玻璃犧牲層6,見圖I (b);然后光刻定義錨點圖形,RIE (反應(yīng)離子刻蝕)磷硅玻璃犧牲層6,露出錨點區(qū)域;b) LPCVD多晶硅2 μ m,得多晶硅結(jié)構(gòu)層7,如圖1(c)所示,并對多晶硅結(jié)構(gòu)層7進(jìn)行摻雜注入,950°C致密退火激活;c)光刻定義諧振體結(jié)構(gòu),RIE多晶硅2 μ m,得諧振體結(jié)構(gòu),如圖I (d)所示;4、RIE刻蝕IC區(qū)域的氮化硅層5,剩下MEMS部分的氮化硅層為MEMS結(jié)構(gòu)釋放時的腐蝕自停止層,如圖1(e)所示;5、刻蝕引線孔,淀積并圖形化金屬a)光刻定義引線孔圖形,RIE氧化硅層4,氧化硅層4余厚200A-700 A,再用BHF(緩沖氫氟酸溶液)過腐蝕氧化硅,形成引線孔8,如圖1(f)所示;b)濺射電極鋁1.0_1.2μπι;光刻定義引線圖形,刻蝕鋁1.0_1.2μπι形成引線9, 見圖1(g);6、用光刻膠保護(hù)金屬線,BHF腐蝕磷硅玻璃釋放結(jié)構(gòu),去除犧牲層,得到多晶硅可動結(jié)構(gòu)10,如圖1(h)所示,制得單片集成芯片。上述制備方法中,用于諧振器的結(jié)構(gòu)層材料除了多晶硅以外,可以選用別的材料; 相應(yīng)的,犧牲層的材料也可以用別的材料;金屬引線除Al以外,也可以使用Cu等導(dǎo)電材料(非重金屬)。上述制備工藝中,步驟3的IC工藝完成之后,后續(xù)的MEMS高溫工藝的溫度都不超過950°C,LPCVD氮化硅的溫度為780°C,LPCVD磷硅玻璃為610°C ;LPCVD多晶硅為610°C ; LPCVD氧化硅的溫度為680°C,退火溫度為950°C。因此MEMS工藝不會對MOS管的特性造成致命的影響。為了方便去除IC區(qū)域的氮化硅層,需要配合結(jié)構(gòu)設(shè)計特征在上述步驟2a)刻蝕犧牲層形成錨點區(qū)域和步驟2c)刻蝕多晶硅時,所有IC部分的犧牲層和多晶硅結(jié)構(gòu)層都需要刻蝕掉。對比例I為了對比應(yīng)力控制結(jié)果,在本對比例中未選擇性去除氮化硅保護(hù)層,其步驟和上述實施例I基本相同,首先進(jìn)行上述步驟1-3,省去上述步驟4,上述步驟5 a)改為“光刻定義引線孔圖形,RIE氧化硅、氮化硅保護(hù)層,氧化硅層余厚200A-700 A,再用BHF(緩沖氫氟酸溶液)過腐蝕氧化硅,形成引線孔?!敝笸瓿刹襟E6。器件性能比較觀察實施例I和對比例I制備的器件發(fā)現(xiàn),實施例I的單管閾值為NMOS管I. IV, PMOS管-O. 77V,單管特性曲線如圖2、3所示。通過對比例I的低Vd時的Id-Vg曲線提取閾值,發(fā)現(xiàn)對比例I的單管閾值分別為NMOS管I. 55V,PMOS管-O. 25V,參見圖4(a)和圖 4(b)。對比結(jié)果表明實施例I減少應(yīng)力的步驟(步驟4)對IC性能的影響非常明顯。本發(fā)明的實驗結(jié)果表明,IC區(qū)域去掉氮化硅保護(hù)層和未去掉氮化硅保護(hù)層的單管性能有明顯差異,使用本發(fā)明的集成化方案,可以大大降低使用氮化硅薄膜作IC和MEMS隔離時帶來的應(yīng)力影響。本發(fā)明同樣適用于別的MEMS與CMOS相互集成的傳感器系統(tǒng)的制備,作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的集成工藝來實現(xiàn)各種功能的MEMS器件系統(tǒng)。實施例中的MEMS犧牲層工藝僅是選用了單層犧牲層工藝,并選擇以集成諧振器來作例子說明,本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,在不脫離本專利實質(zhì)的范圍內(nèi),可以針對本專利中器件結(jié)構(gòu)和材料選擇做一定的變化和修改, 其制備方法也不限于實施例中所公開的內(nèi)容,MEMS犧牲層工藝選用更復(fù)雜的多層犧牲層工藝(包含淀積多個電極、多層結(jié)構(gòu))也依然適用。
      權(quán)利要求
      1.一種MEMS和IC單片集成方法,包括以下步驟1)在基片上采用IC工藝在IC區(qū)域制作CMOS電路,完成除金屬互連以外的所有IC工藝,然后依次淀積氧化硅層和氮化硅層作為IC區(qū)域的保護(hù)層;2)采用MEMS表面犧牲層工藝制作MEMS結(jié)構(gòu);3)刻蝕去除IC區(qū)域的氮化硅保護(hù)層;4)刻蝕IC區(qū)域的氧化硅保護(hù)層形成引線孔,然后淀積并圖形化金屬形成金屬互連;5)用光刻膠保護(hù)MEMS結(jié)構(gòu)以外的區(qū)域,去除犧牲層,釋放MEMS可動結(jié)構(gòu);6)去除光刻膠,制得單片集成芯片。
      2.如權(quán)利要求I所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟I)所述基片為單晶娃片O
      3.如權(quán)利要求I所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟I)中采用低壓化學(xué)氣相淀積方法淀積氧化硅和氮化硅作為保護(hù)層。
      4.如權(quán)利要求I所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟2)先淀積犧牲層并圖形化犧牲層,去除MEMS區(qū)域外的犧牲層后再淀積結(jié)構(gòu)層并圖形化結(jié)構(gòu)層,得到MEMS結(jié)構(gòu)。
      5.如權(quán)利要求4所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟2)所述犧牲層和結(jié)構(gòu)層均采用低壓化學(xué)氣相淀積方法制備,所述犧牲層的材料為磷硅玻璃,所述結(jié)構(gòu)層的材料為多晶娃。
      6.如權(quán)利要求I所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟3)在步驟2)之前或之后進(jìn)行,或者在步驟2)制作MEMS結(jié)構(gòu)的過程中進(jìn)行,但必須在步驟4)之前完成。
      7.如權(quán)利要求I所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟3)刻蝕去除MEMS 區(qū)域之外的所有氮化硅保護(hù)層,而剩余的MEMS區(qū)域圖形化的氮化硅層用作后續(xù)MEMS結(jié)構(gòu)釋放的腐蝕自停止層和MEMS區(qū)域的電學(xué)隔離。
      8.如權(quán)利要求I所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟4)在IC區(qū)域干法刻蝕氧化硅保護(hù)層,形成引線孔。
      9.如權(quán)利要求I所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟4)中采用濺射或蒸發(fā)的方法淀積金屬。
      10.如權(quán)利要求I所述的MEMS和IC單片集成方法,其特征在于,步驟5)采用濕法腐蝕去除犧牲層。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種MEMS和IC單片集成方法,先在基片上完成除金屬互連以外的所有IC工藝,然后依次淀積氧化硅層和氮化硅層作為IC區(qū)域的保護(hù)層;再采用MEMS表面犧牲層工藝制作MEMS結(jié)構(gòu);刻蝕去除IC區(qū)域的氮化硅保護(hù)層之后,刻蝕氧化硅保護(hù)層形成引線孔,淀積并圖形化金屬形成金屬互連;最后去除MEMS區(qū)域的犧牲層,釋放MEMS可動結(jié)構(gòu)。該方法不需要專用的低應(yīng)力氮化硅生產(chǎn)設(shè)備,采用IC-MEMS交叉工藝,通過選擇性去除氮化硅保護(hù)層來控制集成化片內(nèi)應(yīng)力,從而降低集成化工藝對IC電路性能的影響,工藝簡單可靠。
      文檔編號B81C1/00GK102583224SQ20121006034
      公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
      發(fā)明者何軍, 劉鵬, 張大成, 李婷, 楊芳, 林琛, 王瑋, 田大宇, 羅葵, 趙丹淇 申請人:北京大學(xué)
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