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(gè)圓片上同時(shí)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(diǎn)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(jì)重點(diǎn)在于如何控制MEMS工藝對(duì)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(shí)，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(jì)值，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)拐麄€(gè)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(duì)加工設(shè)備以及對(duì)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(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)和IC單片集成的需求的同時(shí)，能夠控制片內(nèi)應(yīng)力，從而降低集成化工藝對(duì)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(dòng)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L(zhǎng)PCVD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(shí)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(duì)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(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)MEMS和IC的單片集成，工藝簡(jiǎn)單，使用最普通的材料，不需要高級(jí)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(shì)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(cè)信號(hào)的精度。2.本發(fā)明設(shè)計(jì)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(cāng)泛。3.本發(fā)明設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)的工藝流程保證了 MEMS和IC區(qū)域互連實(shí)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(jiǎn)化了以往的集成化制作過程，并不會(huì)引入不平整表面給光刻帶來的困難。
a) 圖1(h)為實(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)釋放的示意圖。圖2為實(shí)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(shí)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(duì)比例I制備的NMOS在Vd = 50mv時(shí)的Id-Vg曲線；圖4(b)為對(duì)比例I制備的PMOS在Vd = -50mv時(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的MEMS和IC單片集成方法可對(duì)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(shí)現(xiàn)可動(dòng)結(jié)構(gòu)的MEMS器件芯片，如加速度計(jì)，陀螺等傳感器，可調(diào)電容結(jié)構(gòu)等執(zhí)行器。實(shí)施例I下面以單片集成平板電容式諧振器的制備為例對(duì)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(shí)可同時(shí)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(gè)
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(dòng)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(diǎn)圖形，RIE (反應(yīng)離子刻蝕)磷硅玻璃犧牲層6，露出錨點(diǎn)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(duì)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(shí)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(dòng)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(huì)對(duì)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(jì)特征在上述步驟2a)刻蝕犧牲層形成錨點(diǎn)區(qū)域和步驟2c)刻蝕多晶硅時(shí)，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(duì)比例I為了對(duì)比應(yīng)力控制結(jié)果，在本對(duì)比例中未選擇性去除氮化硅保護(hù)層，其步驟和上述實(shí)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(shí)施例I和對(duì)比例I制備的器件發(fā)現(xiàn)，實(shí)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(duì)比例I的低Vd時(shí)的Id-Vg曲線提取閾值，發(fā)現(xiàn)對(duì)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(duì)比結(jié)果表明實(shí)施例I減少應(yīng)力的步驟(步驟4)對(duì)IC性能的影響非常明顯。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)各種功能的MEMS器件系統(tǒng)。實(shí)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(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以針對(duì)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(duì)IC電路性能的影響，工藝簡(jiǎn)單可靠。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102583224SQ20121006034
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京大學(xué)