一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法与流程

本发明属于微电子机械系统微加工技术领域，特别涉及一种将cmos电路与体硅mems单片集成的方法。

背景技术

近几年，mems技术得到了快速的发展，在很多领域都具有广阔的应用空间。将mems结构与驱动、检测、信号处理电路集成在一块芯片上能够减小信号传输损耗，降低电路噪声，抑制电路寄生电容的干扰，能够实现高信噪比，提高测量精度，也能有效减小功耗和体积。国外采用表面工艺已经成功将电路与mems结构集成到单芯片上，但表面工艺质量块厚度小，薄膜应力大、牺牲层结构释放困难，很难满足高性能惯性传感器的要求。体硅mems工艺质量块大，结构深宽比高，能够实现高性能的mems传感器，但体硅mems工艺与cmos工艺集成困难，国际上尚没有成熟的体硅mems与电路的单芯片集成方案。

目前，实现mems和集成电路单片集成的制造工艺技术主要有三种：第一种为pre-cmos，即先完成mems器件的制造，然后在同一硅片的同一侧完成集成电路的制造；第二种为intra-cmos，即mems器件的制造和集成电路的制造交叉进行；第三种为post-cmos，即先完成标准的集成电路制造，然后在同一硅片的同一侧完成mems结构的制造。第一种方法的缺点是mems制造过程中会引入污染，导致集成电路失效，且有可能导致设备污染；第二种方法的优点是灵活性很大，但要求厂家同时具有集成电路和mems制造的能力；第三种方法可以避免第一种方法导致的污染，并且集成电路的制造可以利用外面大厂的标准集成电路制造工艺，有助于提高成品率和降低对设备的投资，缺点是在后续的mems制造工艺过程中不能有跟集成电路不兼容的工艺，比如高温，高温会导致集成电路的性能发生变化。

北京大学的王成伟、阎桂珍等人提出了“一种将cmos电路与体硅mems单片集成的方法”(专利申请号为：200410049792.8)，在采用post-cmos技术的同时又采用了体硅mems工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为mems结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了mems传感器的灵敏度，对mems集成的发展和产业化具有重要的意义。但是采用上述方法，mems结构跟电路的隔离比较困难，且mems结构区厚度均匀性很难控制。中物院电子工程研究所张照云等人提出了“一种soimems单片集成方法”(专利申请号为：201210110743.5)和“一种基于五层soi的mems单片集成方法”(专利申请号为：201510769734.0)，两种方法都采用post-cmos技术和体硅mems工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，但是“一种soimems单片集成方法”中mems结构跟电路采用空气隔离槽进行电气隔离，隔离槽的加工也比较困难，“一种基于五层soi的mems单片集成方法”采用五层soi硅片，soi硅片价格较贵且工艺复杂。另外，以上三种方法中集成电路跟mems结构在同一个面内，芯片占用的面积比较大。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种将cmos电路与体硅mems单片集成的方法，其步骤包括：

(a)利用soi硅片，在硅片衬底层表面上采用标准的cmos工艺完成集成电路的制作；

(b)在soi硅片衬底层表面上淀积钝化层保护所述的集成电路；

(c)在soi硅片结构层上制备导电电极；

(d)在soi硅片结构层上光刻，形成mems结构图形，并对mems结构图形刻蚀，直至绝缘层；

(e)对绝缘层位于所述mems结构图形区域和衬底层之间的部分进行刻蚀，以获得可动的mems结构；

(f)去除衬底层表面的钝化层；

(g)裂片、封装、测试；

其中步骤(d)、步骤(e)和步骤(f)可由如下的(h)和(i)工艺步骤代替：

(h)去除衬底层表面mems结构图形所对应区域的钝化层，光刻形成背腔图形，对背腔进行刻蚀，直至绝缘层，对所露绝缘层进行刻蚀，直至结构层；

(i)在soi硅片结构层上光刻，形成mems结构图形，并对mems结构图形刻蚀，直至绝缘层。

优选地，所述步骤(a)中的硅片为soi硅片，包括衬底层、绝缘层、结构层。

优选地，钝化层是氮化硅或磷硅玻璃或二氧化硅。

优选地，结构层上的导电电极由物理气相淀积或化学镀或电镀的方法形成；

优选地，绝缘层的刻蚀采用湿法刻蚀或干法刻蚀，背腔图形的刻蚀采用湿法刻蚀或干法刻蚀。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：该方法采用post-cmos工艺，可以避免pre-cmos制造方法容易导致的污染和避免intra-cmos需要对设备高额的投资，集成电路的制造可以利用外面大厂的标准集成电路制造工艺，有助于提高成品率和降低对设备的投资；在采用post-cmos技术的同时又采用了体硅mems做结构，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为mems结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了mems传感器的灵敏度；在衬底表面制作集成电路，避免了隔离槽的加工，且能够减小芯片的面积，降低成本。

附图说明

图1为用于一种将cmos电路与体硅mems单片集成的方法中所采用的绝缘体上的硅(silicononinsulator，soi)材料的纵向结构示意图。

图2(a)-(g)为本发明加工流程示意图。

图中，1.衬底层2.绝缘层3.结构层4.集成电路5.钝化层6.导电电极7.mems结构8.背腔。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明技术方案。

下面结合具体实施例及附图，对本发明做进一步说明。

本实施例所采用的材料为soi晶圆片，结构层3厚度60微米，n型硅，电阻率5～8ω/cm，<110>晶向；绝缘层2厚度1微米；衬底层1厚度300微米，n型硅。

该单片集成方法，其步骤包括：

(a)利用soi硅片，在硅片衬底层1表面上采用标准的cmos工艺完成集成电路4的制作(如图2(a)所示)；

(b)在soi硅片衬底层1表面上淀积钝化层5保护所述的集成电路4(如图2(a)所示)；

(c)在soi硅片结构层3上采用溅射的方法制备导电电极(如图2(b)所示)；

(d)在soi硅片结构层3上光刻，形成mems结构7图形，对mems结构图形采用drie刻蚀，直至绝缘层2(如图2(c)所示)；

(e)对绝缘层位于所述mems结构图形区域和衬底层之间的部分采用hf酸气体进行刻蚀，以获得可动的mems结构(如图2(d)所示)；

(f)去除衬底层表面的钝化层(如图2(e)所示)；

(g)裂片、封装、测试。

其中步骤(d)、步骤(e)和步骤(f)可由如下的(h)和(i)工艺步骤代替。

(h)去除衬底层表面mems结构图形所对应区域的钝化层，光刻形成背腔8图形，对背腔进行drie刻蚀，直至绝缘层，对所露绝缘层进行rie刻蚀，直至结构层(如图2(f)所示)；

(i)在soi硅片结构层3上光刻，形成mems结构7图形，对mems结构图形进行drie刻蚀，直至绝缘层2(如图2(g)所示)；

上述实施例中，原始材料采用soi硅片，硅片各层参数可以根据需要调整。

本申请提供一种将cmos电路与体硅mems单片集成的方法,该技术与现有技术相比采用post-cmos工艺，可以避免污染、降低对设备的投资,采用了体硅mems做结构，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，采用单晶硅作为mems结构材料，减少了结构中的应力问题，避免了隔离槽的加工，且能够减小芯片的面积，降低成本。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。