专利名称：一种cmos电路与体硅微机械系统集成的方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统加工领域。
背景技术：
微电子机械系统(MEMS)是近年来高速发展的一项高新技术，采用先进的半导体工艺技术，将整个机械结构在一块芯片中完成，在体积、重量、价格和功耗上有十分明显的优势，在航空航天、军事、生物医学、汽车等行业得到了广泛应用。但是目前微机械传感器(例如微陀螺仪)的性能、特别是精度指标还比不上传统的机械传感器，只适用于中低精度要求的场合；将集成电路与MEMS结构集成在一块芯片上，可以显著提高传感器的精度和可靠性，在表面微机械中已有很多应用，但机械结构中质量块比较小，电容输出信号十分微弱，限制了表面MEMS传感器的性能和使用范围。
体硅MEMS加工工艺能制作出较大的质量块和很高的结构深宽比，增加了微传感器的灵敏度。如何使集成电路(IC)与体硅MEMS可动的硅结构集成在一块芯片上，是微机械技术研究发展的瓶颈，如果能解决这个问题，不仅能获得较大的质量块和很高的结构深度比，还可以显著提高传感器的精度和稳定性，必将给MEMS带来更广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种将CMOS电路与体硅MEMS集成的方法，即将CMOS电路与MEMS集成在一块芯片上，以提高MEMS传感器和执行器的精度和稳定性。
为实现上述目的，利用硅深槽反应离子刻蚀(DRIE)技术和低压化学气相淀积(LPCVD)介质填充技术实现体硅结构部分与电路部分的绝缘，在此基础上完成CMOS集成电路和体硅MEMS的加工。具体方案如下1)形成隔离槽采用硅深槽刻蚀技术，用二氧化硅和多晶硅填充，实现MEMS结构和CMOS电路的绝缘；2)完成隔离槽后进行标准CMOS电路的加工；3)用SiO2和Si3N4作掩膜，从背面腐蚀硅，直至暴露出隔离槽底部的SiO2，完成MEMS硅结构层的厚度控制；4)完成CMOS电路金属化和MEMS结构掩膜MEMS结构区用铝作掩膜，CMOS电路区用厚光刻胶作掩膜，用DRIE释放硅结构。
所述隔离槽根据MEMS器件结构需要确定硅槽深度。
所述隔离槽采用光刻定义出隔离槽图形，用DRIE刻蚀出硅槽。
所述SiO2填充采用高温氧化生长法。
所述多晶硅采用LPCVD淀积多晶硅填充硅槽。
所述隔离槽正面涂光刻胶，用RIE(反应离子刻蚀)刻蚀表面的光刻胶和多晶硅，使表面平坦化。
所述标准CMOS电路的加工包括P阱的形成；P沟MOS管栅开启调整；N沟MOS管栅开启调整；形成多晶硅栅；P沟MOS管源漏区形成；N沟MOS管源漏区形成等。
本发明方法的特点是利用深槽刻蚀和深槽LPCVD填充技术制作出了高深宽比的电绝缘深槽结构，实现了体硅结构部分与电路部分的电绝缘，结合标准的CMOS工艺，完成了集成电路与体硅MEMS的工艺集成。用本发明方法不仅获得了较大的质量块，而且用本发明较高的深宽比制作出的结构电容，同时实现了体硅微机械与CMOS电路的集成，显著提高MEMS传感器的精度和稳定性，具有前沿性和重要实用价值。
以下结合具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
图1是CMOS与体硅MEMS集成的结构剖面示意图。
图2为图1的平面图。
图3为CMOS与体硅MEMS结构集成工艺流程示意图。
具体实施例方式
实施例P阱CMOS与微陀螺集成原始材料双面抛光N型硅片，电阻率5-8Ω-cm，<100>晶向，硅片厚度为400微米。
1.隔离槽的形成1)用光刻定义出隔离槽图形，槽宽3-4微米，用DRIE刻蚀出硅槽，槽深40-100μm(根据MEMS器件结构需要确定硅槽深度)，如图3(a)所示；2)高温热氧化生长5000厚的SiO2(起绝缘作用)，再用LPCVD淀积2-2.5μm厚的多晶硅填充硅槽，要求填满硅槽，不能有空洞；3)正面涂光刻胶，用RIE(反应离子刻蚀)刻蚀表面的光刻胶和多晶硅，使表面平坦化。适当控制氧气和SF6的比例，控制RIE刻蚀过程中硅与光刻胶的选择比为1.1∶1，如图3(b)所示。
2.形成P阱区1)光刻定义P阱区，腐蚀SiO2；2)硼离子注入，常规能量和剂量，P阱推进，结深大于8微米；3)腐蚀SiO2，约5000。
3.P沟道场区注入和场区选择氧化
1)高温氧化，生长800厚的SiO2，LPCVD淀积Si3N4(氮化硅)1600；2)光刻定义有源区和MEMS结构区，RIE刻蚀Si3N4，BOE(缓冲氢氟酸腐蚀液)腐蚀SiO2；3)光刻定义P沟道场区，场区注入磷，常规能量和剂量；4)氢氧合成生长8000的SiO2，用磷酸腐蚀Si3N4，如图3(c)所示。
4.P沟MOS管栅开启调整1)光刻定义P沟有源区；2)离子注入，常规能量和剂量，去胶。
5.N沟MOS管栅开启调整1)光刻定义N沟有源区；2)离子注入，常规能量和剂量，去胶。
6.形成多晶硅栅1)腐蚀SiO2，800；2)栅氧化，500；3)LPCVD淀积多晶硅，厚度3500，磷扩散进行多晶硅掺杂；4)光刻定义多晶硅栅区，RIE刻蚀多晶硅；7.P沟MOS管源漏区形成1)光刻定义P沟源漏区；2)硼离子注入，常规能量和剂量。
8.N沟MOS管源漏区形成，如图3(d)所示1)光刻定义N沟源漏区；2)磷离子注入，常规能量和剂量。
9.离子激活退火和形成SiO2側墙隔离1)LPCVD淀积SiO2，厚度4000，2)SiO2致密和离子激活退火，950℃，30分钟，3)RIE各向异性刻蚀SiO2，形成側墙。
10.形成硅化物1)LPCVD SiO2，厚度800；2)光刻定义硅化物区，腐蚀SiO2；3)溅射Co或Ti，约300；4)在700-800℃温度下进行RTP(快速高温退火)处理，用HCl+H2O2选择腐蚀非硅化物区的Co或Ti。
11.腐蚀背面多余的SiO2和多晶硅
1)正面涂胶保护；2)RIE刻蚀背面多晶硅3500，SiO2500，多晶硅2-2.5微米；3)BOE腐蚀SiO25000；12.形成多晶硅和金属双层引线间的绝缘LPCVD SiO2，厚度7000，然后进行900℃ 30分钟的致密退火。
13.用SiO2和Si3N4保护，腐蚀背面硅，形成MEMS结构层，如图3(e)所示1)正面涂胶保护，腐蚀背面SiO2，剩余1000；2)LPCVD淀积Si3N4，厚度1600；3)背面光刻定义出MEMS结构区和绝缘区，RIE刻蚀Si3N4，BOE腐蚀SiO2；4)用TMAH(四甲基氢氧化胺)腐蚀硅320-360微米，结构层按需要保留40-80微米，暴露出隔离槽的底部；5)RIE刻蚀正面Si3N4。
14.开引线孔，如图3(f)所示1)光刻定义CMOS电路引线孔区和MEMS结构区；2)BOE腐蚀SiO2，厚度约7500。
15.完成CMOS电路金属化和MEMS结构掩膜，如图3(g)所示1)溅射500钛和8000铝；2)光刻定义出金属化图形和MEMS结构区图形；3)RIE刻蚀或湿法腐蚀8000铝和500钛。
16.合金在430℃下进行30分钟的合金处理。
17.预切片和CMOS电路区保护1)正面涂胶，背面切片，深度为200-250微米，去胶；2)用厚胶光刻定义出MEMS结构区，胶厚大于2.5微米；18.用厚光刻胶和铝作掩膜，DRIE刻蚀释放MEMS硅结构，如图3(h)所示。
19.裂片，封装和测试。
得到的CMOS与体硅MEMS集成后的器件如图1、图2所示，图1中，1为PMOS管；2为NMOS管，3为绝缘区，4为MEMS结构区，5为温度传感器。其中6、7、8、9、10、11和12分别代表P-Si、SiO2、N+-Si、P-Si、P+-Si、Poly-Si和Al；图2为集成电路与微陀螺结构平面示意图，其中A部分是集成电路区，B部分是温度传感器和集成电路区，C部分是MEMS结构区。
权利要求
1.一种将单片CMOS与体硅微机械集成的方法，其特征为1)形成隔离槽采用深槽刻蚀，SiO2和多晶硅填充，实现MEMS结构和CMOS电路的绝缘；2)完成隔离槽后进行标准CMOS电路的加工；3)用SiO2和Si3N4作掩膜，从背面腐蚀硅，直至暴露出隔离槽底部的SiO2，完成MEMS硅结构层的厚度控制；4)完成CMOS电路金属化和MEMS结构掩膜MEMS结构区用铝作掩膜，CMOS电路区用厚光刻胶作掩膜，用DRIE释放硅结构。
2.根据权利要求1所述的一种将单片CMOS与体硅微机械集成的方法，其特征在于所述隔离槽根据MEMS器件结构需要确定硅槽深度。
3.根据权利要求1所述的一种将单片CMOS与体硅微机械集成的方法，其特征在于所述隔离槽采用光刻定义出隔离槽图形，用DRIE刻蚀出硅槽。
4.根据权利要求1所述的一种将单片CMOS与体硅微机械集成的方法，其特征在于所述SiO2填充采用高温氧化生长法。
5.根据权利要求1所述的一种将单片CMOS与体硅微机械集成的方法，其特征在于所述多晶硅填充采用LPCVD淀积多晶硅填充硅槽。
6.根据权利要求1所述的一种将单片CMOS与体硅微机械集成的方法，其特征在于所述隔离槽正面涂光刻胶，用RIE刻蚀表面的光刻胶和多晶硅，使表面平坦化。
7.根据权利要求1所述的一种将单片CMOS与体硅微机械集成的方法，其特征在于所述标准CMOS电路的加工包括P阱的形成；P沟MOS管栅开启调整；N沟MOS管栅开启调整；形成多晶硅栅；P沟MOS管源漏区形成；N沟MOS管源漏区形成。
全文摘要
本发明公开了一种将单片CMOS与体硅微机械系统集成的方法，其技术方案为1)形成隔离槽采用深槽刻蚀，SiO
文档编号B81C1/00GK1516257SQ0310030
公开日2004年7月28日 申请日期2003年1月10日 优先权日2003年1月10日
发明者阎桂珍, 郝一龙, 朱泳, 王成伟, 张大成, 王阳元 申请人:北京大学