專利名稱：Cmos電路與mems微電極的單片集成化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到集成化MEMS技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種CMOS電路與MEMS微電極的單片集成化工藝方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，要求運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展新的分析原理并研究建立有效而實(shí)用的原位、在體、實(shí)時(shí)、在線和高靈敏度、高選擇性的生物分析設(shè)備，這已成為20世紀(jì)90年代以來(lái)生命科學(xué)、化學(xué)和微電子學(xué)等領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)。例如，在腦-機(jī)接口中，科研工作者常常通過(guò)生物傳感器，即植入電極和頭皮電極來(lái)提取腦信號(hào)，使用腦信號(hào)來(lái)控制外部設(shè)備，而植入電極以其高信號(hào)強(qiáng)度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)受到青睞，盡管如此，植入電極提取的腦電信號(hào)還是比較微弱，必須經(jīng)過(guò)前置放大，才能進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理，因此從減小系統(tǒng)尺寸等角度出發(fā)，將生物前置放大器與植入電極進(jìn)行單片集成。
隨著集成電路工藝的迅猛發(fā)展，電路芯片的尺寸越來(lái)越小，其中硅基CMOS工藝以其低成本、高集成度、低功耗等特點(diǎn)受到各大公司和科研人員的廣泛關(guān)注，已成為主流的集成電路制造工藝，所以采用CMOS工藝制造生物前置放大器。植入電極主要包括金屬微電極、硅微電極陣列以及炭納米管陣列，考慮到與硅基CMOS電路的工藝兼容性，在我們的工作中制作硅基MEMS微電極作為腦皮層植入電極，實(shí)現(xiàn)硅基CMOS電路與MEMS植入電極的單片集成。
CMOS工藝已經(jīng)非常成熟，而MEMS工藝起步晚，目前還不夠成熟，為了實(shí)現(xiàn)MEMS的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，采用CMOS工藝來(lái)制造MEMS，將CMOS電路與MEMS結(jié)構(gòu)集成在一起勢(shì)在必行?，F(xiàn)今有些科研機(jī)構(gòu)獨(dú)立制造MEMS結(jié)構(gòu)和CMOS電路，然后將二者進(jìn)行硅片焊接，這不僅提高了成本，而且降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此在我們的說(shuō)明中，采用CMOS工藝制造MEMS結(jié)構(gòu)，這不僅可以大大降低生產(chǎn)成本，而且系統(tǒng)性能將會(huì)得到很大改善，受到了科研人員的普遍關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
一種將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，采用與CMOS工藝相兼容的方式單片集成CMOS電路與MEMS微電極，先確定MEMS微電極的形狀與尺寸，然后同時(shí)制作CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線，并同時(shí)形成CMOS電路的壓焊點(diǎn)以及MEMS微電極與腦神經(jīng)元的接觸孔，最后通過(guò)使用光刻膠做保護(hù)層，并采用緩沖的HF溶液腐蝕硅片，這樣便得到釋放的數(shù)微米厚的MEMS微電極結(jié)構(gòu)。
所述的方法，由于MEMS微電極尺寸超過(guò)2μm，所以利用濃硼深擴(kuò)散形成自停止腐蝕層，并采用濕法腐蝕方法刻蝕硅片，得到數(shù)微米厚的濃硼摻雜的硅陣列，從而確定權(quán)利一中所述的MEMS微電極的形狀與尺寸。
所述的方法，所述的濕法腐蝕液為TMAH(Tetramethyl AmmoniumHydroxide四甲基氫氧化胺)，它具有高刻蝕速率，并且刻蝕后硅片有很好的表面平整度。
所述的方法，同時(shí)制作CMOS電路和MEMS微電極金屬連線，在這之前需要向濕法刻蝕出的硅槽內(nèi)淀積SiO2，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光平坦化。
所述的方法所說(shuō)的CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線均采用鋁線，這滿足CMOS工藝的要求，而且采用此工藝無(wú)需制作MEMS微電極的壓焊點(diǎn)，直接將MEMS微電極的金屬互連線引入到CMOS電路(此處為生物電前置放大器)的輸入端。
所述的方法，所述MEMS微電極接觸孔采用金屬鉑填充，使得金屬互連線與腦神經(jīng)元形成良好接觸，同時(shí)，鉑與組織液之間具有良好的生物相容性。
在我們的生物芯片研究中，將生物電前置放大器與MEMS微電極單片集成，具體的工藝步驟如下所示1)清洗硅片1，在硅片1的兩面熱氧化生長(zhǎng)SiO2層2；2)在SiO2層2的雙面淀積Si3N4層3；
3)采用濕法腐蝕方法，即分別使用熱磷酸和NH4F緩沖的氫氟酸溶液去掉沒(méi)有被光刻膠掩蓋的Si3N4層3和SiO2層2，形成電極區(qū)域4；4)濃硼深擴(kuò)散形成自停止腐蝕區(qū)5，在此工藝步驟中，氧分子的存在可以增加擴(kuò)散速度，并在硅表面形成帶鳥(niǎo)嘴的厚氧化層，溫度為160攝氏度，在10小時(shí)左右，濃硼的擴(kuò)散深度可以達(dá)到10μm，同時(shí)在厚氧化層下面會(huì)形成Si3N4，即所謂的白斑；5)分別使用熱磷酸和NH4F緩沖的氫氟酸溶液去掉硅片1正面和背面的Si3N4層3和SiO2層2，再進(jìn)行一次熱氧化，去掉工藝步驟4)中產(chǎn)生的白斑；6)重新生長(zhǎng)SiO2，并淀積Si3N4層；7)采用濕法腐蝕去掉MEMS電極區(qū)域的Si3N4和SiO2，并使用TMAH溶液腐蝕暴露出來(lái)的硅，腐蝕溫度為85度，TMAH溶液在硅(100)晶向形成54.74度的腐蝕角度，然后采用化學(xué)氣相淀積(CVD)法向刻蝕的溝槽中淀積SiO2，并采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)對(duì)硅片正面進(jìn)行平坦化；8)分別用濃磷酸和緩沖的HF溶液腐蝕掉Si3N4和SiO2，并采用CMOS工藝制作生物電前置放大器電路，同時(shí)形成MEMS電極的金屬連線；9)淀積PSG以及Si3N4鈍化層，刻蝕出CMOS電路的壓焊點(diǎn)(Pad)和MEMS電極接觸孔；10)利用光刻膠做掩膜，向MEMS電極與腦神經(jīng)接觸的接觸孔內(nèi)蒸金屬鉑，然后反刻金屬鉑，去掉光刻膠上的鉑和光刻膠，這樣CMOS電路壓焊點(diǎn)和填充鉑的MEMS電極接觸孔均已形成；11)通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，刻蝕掉部分Si3N4鈍化層、PSG和BPSG；12)向工藝步驟11)的刻蝕槽內(nèi)蒸光刻膠，并刻蝕光刻膠，使用光刻膠來(lái)保護(hù)步驟11刻蝕槽兩側(cè)的BPSG、PSG；13)將整個(gè)硅片放入緩沖的HF槽內(nèi)，這樣暴露在HF內(nèi)的SiO2便被腐蝕掉，然后去除起保護(hù)作用的光刻膠，最終形成所需要的集成化的MEMS結(jié)構(gòu)。
以上是對(duì)CMOS生物電前置放大器與提取腦電信號(hào)的MEMS植入電極進(jìn)行單片集成的具體工藝步驟，并輔以剖面圖進(jìn)行說(shuō)明，剖面圖可參見(jiàn)附圖1，此芯片的俯視圖請(qǐng)參見(jiàn)附圖2。


圖1是本發(fā)明CMOS電路與MEMS微電極的單片集成芯片的剖面圖。
圖2是本發(fā)明CMOS電路與MEMS微電極的單片集成芯片的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)、(m)和圖2的CMOS電路與MEMS微電極的單片集成芯片的剖面圖和俯視圖。
工藝步驟中進(jìn)行數(shù)字標(biāo)號(hào)的各部分說(shuō)明如下1、P型硅襯底的外延片2、SiO2層3、淀積的Si3N4層4、Si3N4和SiO2被刻蝕掉的區(qū)域5、濃硼擴(kuò)散層6、CMOS電路中有源區(qū)的接觸孔7、CMOS電路中柵電極的接觸孔8、MEMS微電極的金屬互連線9、CMOS電路的N+源/漏區(qū)10、CMOS電路的P+源/漏區(qū)11、N阱12、MEMS微電極與腦神經(jīng)元之間的接觸孔13、向MEMS微電極接觸孔中填充金屬鉑14、被刻蝕掉的Si3N4鈍化層、PSG和BPSG區(qū)域
15、保護(hù)側(cè)壁結(jié)構(gòu)的光刻膠保護(hù)層16、部分起保護(hù)作用的光刻膠被刻蝕的區(qū)域17、CMOS電路的壓焊點(diǎn)18、生物電前置放大器19、與參考電極相連的金屬引線
權(quán)利要求
1.一種將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，采用與CMOS工藝相兼容的方式單片集成CMOS電路與MEMS微電極，先確定MEMS微電極的形狀與尺寸，然后同時(shí)制作CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線，并同時(shí)形成CMOS電路的壓焊點(diǎn)以及MEMS微電極與腦神經(jīng)元的接觸孔，最后通過(guò)使用光刻膠做保護(hù)層，并采用緩沖的HF溶液腐蝕硅片，這樣便得到釋放的數(shù)微米厚的MEMS微電極結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，由于MEMS微電極尺寸超過(guò)2μm，所以利用濃硼深擴(kuò)散形成自停止腐蝕層，并采用濕法腐蝕方法刻蝕硅片，得到數(shù)微米厚的濃硼摻雜的硅陣列，從而確定權(quán)利一中所述的MEMS微電極的形狀與尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，所述的濕法腐蝕液為TMAH，它具有高刻蝕速率，并且刻蝕后硅片有很好的表面平整度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，同時(shí)制作CMOS電路和MEMS微電極金屬連線，在這之前需要向濕法刻蝕出的硅槽內(nèi)淀積SiO2，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光平坦化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，所說(shuō)的CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線均采用鋁線，這滿足CMOS工藝的要求，而且采用此工藝無(wú)需制作MEMS微電極的壓焊點(diǎn)，直接將MEMS微電極的金屬互連線引入到CMOS電路的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，所述MEMS微電極接觸孔采用金屬鉑填充，使得金屬互連線與腦神經(jīng)元形成良好接觸，同時(shí)，鉑與組織液之間具有良好的生物相容性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，具體步驟如下1)清洗硅片1，在硅片1的兩面熱氧化生長(zhǎng)SiO2層2；2)在SiO2層2的雙面淀積Si3N4層3；3)采用濕法腐蝕方法，去掉沒(méi)有被光刻膠掩蓋的Si3N4層3和SiO2層2，形成電極區(qū)域4；4)濃硼深擴(kuò)散形成自停止腐蝕區(qū)5；5)去掉硅片1正面和背面的Si3N4層3和SiO2層2，再進(jìn)行一次熱氧化，去掉工藝步驟4)中產(chǎn)生的白斑；6)重新生長(zhǎng)SiO2，并淀積Si3N4層；7)采用濕法腐蝕去掉MEMS電極區(qū)域的Si3N4和SiO2，并使用TMAH溶液腐蝕暴露出來(lái)的硅，腐蝕溫度為85度，TMAH溶液在硅晶向形成54.74度的腐蝕角度，然后采用化學(xué)氣相淀積法向刻蝕的溝槽中淀積SiO2，并采用化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)硅片正面進(jìn)行平坦化；8)分別用濃磷酸和緩沖的HF溶液腐蝕掉Si3N4和SiO2，并采用CMOS工藝制作生物電前置放大器電路，同時(shí)形成MEMS電極的金屬連線；9)淀積PSG以及Si3N4鈍化層，刻蝕出CMOS電路的壓焊點(diǎn)和MEMS電極接觸孔；10)利用光刻膠做掩膜，向MEMS電極與腦神經(jīng)接觸的接觸孔內(nèi)蒸金屬鉑，然后反刻金屬鉑，去掉光刻膠上的鉑和光刻膠，這樣CMOS電路壓焊點(diǎn)和填充鉑的MEMS電極接觸孔均已形成；11)通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕掉部分Si3N4鈍化層、PSG和BPSG；12)向工藝步驟11)的刻蝕槽內(nèi)蒸光刻膠，并刻蝕光刻膠，使用光刻膠來(lái)保護(hù)步驟11)刻蝕槽兩側(cè)的BPSG、PSG；13)將整個(gè)硅片放入緩沖的HF槽內(nèi)，這樣暴露在HF內(nèi)的SiO2便被腐蝕掉，然后去除起保護(hù)作用的光刻膠，最終形成所需要的集成化的MEMS結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，采用濕法腐蝕方法，即分別使用熱磷酸和NH4F緩沖的氫氟酸溶液去掉沒(méi)有被光刻膠掩蓋的Si3N4層3和SiO2層2，形成電極區(qū)域4。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，濃硼深擴(kuò)散形成自停止腐蝕區(qū)，在此工藝步驟中，氧分子的存在可以增加擴(kuò)散速度，并在硅表面形成帶鳥(niǎo)嘴的厚氧化層，溫度為160攝氏度，在10小時(shí)左右，濃硼的擴(kuò)散深度可以達(dá)到10μm，同時(shí)在厚氧化層下面會(huì)形成Si3N4，即所謂的白斑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的將CMOS電路與MEMS微電極進(jìn)行單片集成的方法，其特征在于，分別使用熱磷酸和NH4F緩沖的氫氟酸溶液去掉硅片正面和背面的Si3N4和SiO2，再進(jìn)行一次熱氧化，去掉工藝步驟4)中產(chǎn)生的白斑。
全文摘要
本發(fā)明涉及到集成化MEMS技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種CMOS電路與MEMS微電極的單片集成化工藝方法。采用與CMOS工藝相兼容的方式單片集成CMOS電路與MEMS微電極，先確定MEMS微電極的形狀與尺寸，然后同時(shí)制作CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線，并同時(shí)形成CMOS電路的壓焊點(diǎn)以及MEMS微電極與腦神經(jīng)元的接觸孔，最后通過(guò)使用光刻膠做保護(hù)層，并采用緩沖的HF溶液腐蝕硅片，這樣便得到釋放的數(shù)微米厚的MEMS微電極結(jié)構(gòu)。針對(duì)腦－機(jī)接口的應(yīng)用場(chǎng)合，本發(fā)明將生物前置放大器與MEMS微電極進(jìn)行單片集成，通過(guò)此實(shí)例來(lái)具體說(shuō)明CMOS電路與MEMS微電極的單片集成化工藝方法。
文檔編號(hào)H01L21/8238GK1915797SQ20051009064
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月18日
發(fā)明者陳弘達(dá), 隋曉紅, 裴為華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所