专利名称：Cmos电路与mems微电极的单片集成化方法
技术领域：
本发明涉及到集成化MEMS技术领域，特别是一种CMOS电路与MEMS微电极的单片集成化工艺方法。
背景技术：
现代生物医学的发展，要求运用先进的科学技术发展新的分析原理并研究建立有效而实用的原位、在体、实时、在线和高灵敏度、高选择性的生物分析设备，这已成为20世纪90年代以来生命科学、化学和微电子学等领域研究和开发的主要目标。例如，在脑-机接口中，科研工作者常常通过生物传感器，即植入电极和头皮电极来提取脑信号，使用脑信号来控制外部设备，而植入电极以其高信号强度、高分辨率等优点受到青睐，尽管如此，植入电极提取的脑电信号还是比较微弱，必须经过前置放大，才能进行后续信号处理，因此从减小系统尺寸等角度出发，将生物前置放大器与植入电极进行单片集成。
随着集成电路工艺的迅猛发展，电路芯片的尺寸越来越小，其中硅基CMOS工艺以其低成本、高集成度、低功耗等特点受到各大公司和科研人员的广泛关注，已成为主流的集成电路制造工艺，所以采用CMOS工艺制造生物前置放大器。植入电极主要包括金属微电极、硅微电极阵列以及炭纳米管阵列，考虑到与硅基CMOS电路的工艺兼容性，在我们的工作中制作硅基MEMS微电极作为脑皮层植入电极，实现硅基CMOS电路与MEMS植入电极的单片集成。
CMOS工艺已经非常成熟，而MEMS工艺起步晚，目前还不够成熟，为了实现MEMS的产业化生产，采用CMOS工艺来制造MEMS，将CMOS电路与MEMS结构集成在一起势在必行。现今有些科研机构独立制造MEMS结构和CMOS电路，然后将二者进行硅片焊接，这不仅提高了成本，而且降低了整个系统的性能，因此在我们的说明中，采用CMOS工艺制造MEMS结构，这不仅可以大大降低生产成本，而且系统性能将会得到很大改善，受到了科研人员的普遍关注。
发明内容
一种将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，采用与CMOS工艺相兼容的方式单片集成CMOS电路与MEMS微电极，先确定MEMS微电极的形状与尺寸，然后同时制作CMOS电路和MEMS微电极金属互连线，并同时形成CMOS电路的压焊点以及MEMS微电极与脑神经元的接触孔，最后通过使用光刻胶做保护层，并采用缓冲的HF溶液腐蚀硅片，这样便得到释放的数微米厚的MEMS微电极结构。
所述的方法，由于MEMS微电极尺寸超过2μm，所以利用浓硼深扩散形成自停止腐蚀层，并采用湿法腐蚀方法刻蚀硅片，得到数微米厚的浓硼掺杂的硅阵列，从而确定权利一中所述的MEMS微电极的形状与尺寸。
所述的方法，所述的湿法腐蚀液为TMAH(Tetramethyl AmmoniumHydroxide四甲基氢氧化胺)，它具有高刻蚀速率，并且刻蚀后硅片有很好的表面平整度。
所述的方法，同时制作CMOS电路和MEMS微电极金属连线，在这之前需要向湿法刻蚀出的硅槽内淀积SiO2，并进行化学机械抛光平坦化。
所述的方法所说的CMOS电路和MEMS微电极金属互连线均采用铝线，这满足CMOS工艺的要求，而且采用此工艺无需制作MEMS微电极的压焊点，直接将MEMS微电极的金属互连线引入到CMOS电路(此处为生物电前置放大器)的输入端。
所述的方法，所述MEMS微电极接触孔采用金属铂填充，使得金属互连线与脑神经元形成良好接触，同时，铂与组织液之间具有良好的生物相容性。
在我们的生物芯片研究中，将生物电前置放大器与MEMS微电极单片集成，具体的工艺步骤如下所示1)清洗硅片1，在硅片1的两面热氧化生长SiO2层2；2)在SiO2层2的双面淀积Si3N4层3；
3)采用湿法腐蚀方法，即分别使用热磷酸和NH4F缓冲的氢氟酸溶液去掉没有被光刻胶掩盖的Si3N4层3和SiO2层2，形成电极区域4；4)浓硼深扩散形成自停止腐蚀区5，在此工艺步骤中，氧分子的存在可以增加扩散速度，并在硅表面形成带鸟嘴的厚氧化层，温度为160摄氏度，在10小时左右，浓硼的扩散深度可以达到10μm，同时在厚氧化层下面会形成Si3N4，即所谓的白斑；5)分别使用热磷酸和NH4F缓冲的氢氟酸溶液去掉硅片1正面和背面的Si3N4层3和SiO2层2，再进行一次热氧化，去掉工艺步骤4)中产生的白斑；6)重新生长SiO2，并淀积Si3N4层；7)采用湿法腐蚀去掉MEMS电极区域的Si3N4和SiO2，并使用TMAH溶液腐蚀暴露出来的硅，腐蚀温度为85度，TMAH溶液在硅(100)晶向形成54.74度的腐蚀角度，然后采用化学气相淀积(CVD)法向刻蚀的沟槽中淀积SiO2，并采用化学机械抛光(CMP)对硅片正面进行平坦化；8)分别用浓磷酸和缓冲的HF溶液腐蚀掉Si3N4和SiO2，并采用CMOS工艺制作生物电前置放大器电路，同时形成MEMS电极的金属连线；9)淀积PSG以及Si3N4钝化层，刻蚀出CMOS电路的压焊点(Pad)和MEMS电极接触孔；10)利用光刻胶做掩膜，向MEMS电极与脑神经接触的接触孔内蒸金属铂，然后反刻金属铂，去掉光刻胶上的铂和光刻胶，这样CMOS电路压焊点和填充铂的MEMS电极接触孔均已形成；11)通过反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀掉部分Si3N4钝化层、PSG和BPSG；12)向工艺步骤11)的刻蚀槽内蒸光刻胶，并刻蚀光刻胶，使用光刻胶来保护步骤11刻蚀槽两侧的BPSG、PSG；13)将整个硅片放入缓冲的HF槽内，这样暴露在HF内的SiO2便被腐蚀掉，然后去除起保护作用的光刻胶，最终形成所需要的集成化的MEMS结构。
以上是对CMOS生物电前置放大器与提取脑电信号的MEMS植入电极进行单片集成的具体工艺步骤，并辅以剖面图进行说明，剖面图可参见附图1，此芯片的俯视图请参见附图2。
图1是本发明CMOS电路与MEMS微电极的单片集成芯片的剖面图。
图2是本发明CMOS电路与MEMS微电极的单片集成芯片的俯视图。
具体实施例方式
图1(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)、(m)和图2的CMOS电路与MEMS微电极的单片集成芯片的剖面图和俯视图。
工艺步骤中进行数字标号的各部分说明如下1、P型硅衬底的外延片2、SiO2层3、淀积的Si3N4层4、Si3N4和SiO2被刻蚀掉的区域5、浓硼扩散层6、CMOS电路中有源区的接触孔7、CMOS电路中栅电极的接触孔8、MEMS微电极的金属互连线9、CMOS电路的N+源/漏区10、CMOS电路的P+源/漏区11、N阱12、MEMS微电极与脑神经元之间的接触孔13、向MEMS微电极接触孔中填充金属铂14、被刻蚀掉的Si3N4钝化层、PSG和BPSG区域
15、保护侧壁结构的光刻胶保护层16、部分起保护作用的光刻胶被刻蚀的区域17、CMOS电路的压焊点18、生物电前置放大器19、与参考电极相连的金属引线
权利要求
1.一种将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，采用与CMOS工艺相兼容的方式单片集成CMOS电路与MEMS微电极，先确定MEMS微电极的形状与尺寸，然后同时制作CMOS电路和MEMS微电极金属互连线，并同时形成CMOS电路的压焊点以及MEMS微电极与脑神经元的接触孔，最后通过使用光刻胶做保护层，并采用缓冲的HF溶液腐蚀硅片，这样便得到释放的数微米厚的MEMS微电极结构。
2.根据权利要求1的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，由于MEMS微电极尺寸超过2μm，所以利用浓硼深扩散形成自停止腐蚀层，并采用湿法腐蚀方法刻蚀硅片，得到数微米厚的浓硼掺杂的硅阵列，从而确定权利一中所述的MEMS微电极的形状与尺寸。
3.根据权利要求1的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，所述的湿法腐蚀液为TMAH，它具有高刻蚀速率，并且刻蚀后硅片有很好的表面平整度。
4.根据权利要求1的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，同时制作CMOS电路和MEMS微电极金属连线，在这之前需要向湿法刻蚀出的硅槽内淀积SiO2，并进行化学机械抛光平坦化。
5.根据权利要求1的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，所说的CMOS电路和MEMS微电极金属互连线均采用铝线，这满足CMOS工艺的要求，而且采用此工艺无需制作MEMS微电极的压焊点，直接将MEMS微电极的金属互连线引入到CMOS电路的输入端。
6.根据权利要求1的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，所述MEMS微电极接触孔采用金属铂填充，使得金属互连线与脑神经元形成良好接触，同时，铂与组织液之间具有良好的生物相容性。
7.根据权利要求1的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，具体步骤如下1)清洗硅片1，在硅片1的两面热氧化生长SiO2层2；2)在SiO2层2的双面淀积Si3N4层3；3)采用湿法腐蚀方法，去掉没有被光刻胶掩盖的Si3N4层3和SiO2层2，形成电极区域4；4)浓硼深扩散形成自停止腐蚀区5；5)去掉硅片1正面和背面的Si3N4层3和SiO2层2，再进行一次热氧化，去掉工艺步骤4)中产生的白斑；6)重新生长SiO2，并淀积Si3N4层；7)采用湿法腐蚀去掉MEMS电极区域的Si3N4和SiO2，并使用TMAH溶液腐蚀暴露出来的硅，腐蚀温度为85度，TMAH溶液在硅晶向形成54.74度的腐蚀角度，然后采用化学气相淀积法向刻蚀的沟槽中淀积SiO2，并采用化学机械抛光对硅片正面进行平坦化；8)分别用浓磷酸和缓冲的HF溶液腐蚀掉Si3N4和SiO2，并采用CMOS工艺制作生物电前置放大器电路，同时形成MEMS电极的金属连线；9)淀积PSG以及Si3N4钝化层，刻蚀出CMOS电路的压焊点和MEMS电极接触孔；10)利用光刻胶做掩膜，向MEMS电极与脑神经接触的接触孔内蒸金属铂，然后反刻金属铂，去掉光刻胶上的铂和光刻胶，这样CMOS电路压焊点和填充铂的MEMS电极接触孔均已形成；11)通过反应离子刻蚀，刻蚀掉部分Si3N4钝化层、PSG和BPSG；12)向工艺步骤11)的刻蚀槽内蒸光刻胶，并刻蚀光刻胶，使用光刻胶来保护步骤11)刻蚀槽两侧的BPSG、PSG；13)将整个硅片放入缓冲的HF槽内，这样暴露在HF内的SiO2便被腐蚀掉，然后去除起保护作用的光刻胶，最终形成所需要的集成化的MEMS结构。
8.根据权利要求7的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，采用湿法腐蚀方法，即分别使用热磷酸和NH4F缓冲的氢氟酸溶液去掉没有被光刻胶掩盖的Si3N4层3和SiO2层2，形成电极区域4。
9.根据权利要求7的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，浓硼深扩散形成自停止腐蚀区，在此工艺步骤中，氧分子的存在可以增加扩散速度，并在硅表面形成带鸟嘴的厚氧化层，温度为160摄氏度，在10小时左右，浓硼的扩散深度可以达到10μm，同时在厚氧化层下面会形成Si3N4，即所谓的白斑。
10.根据权利要求9的将CMOS电路与MEMS微电极进行单片集成的方法，其特征在于，分别使用热磷酸和NH4F缓冲的氢氟酸溶液去掉硅片正面和背面的Si3N4和SiO2，再进行一次热氧化，去掉工艺步骤4)中产生的白斑。
全文摘要
本发明涉及到集成化MEMS技术领域，特别是一种CMOS电路与MEMS微电极的单片集成化工艺方法。采用与CMOS工艺相兼容的方式单片集成CMOS电路与MEMS微电极，先确定MEMS微电极的形状与尺寸，然后同时制作CMOS电路和MEMS微电极金属互连线，并同时形成CMOS电路的压焊点以及MEMS微电极与脑神经元的接触孔，最后通过使用光刻胶做保护层，并采用缓冲的HF溶液腐蚀硅片，这样便得到释放的数微米厚的MEMS微电极结构。针对脑－机接口的应用场合，本发明将生物前置放大器与MEMS微电极进行单片集成，通过此实例来具体说明CMOS电路与MEMS微电极的单片集成化工艺方法。
文档编号H01L21/8238GK1915797SQ20051009064
公开日2007年2月21日 申请日期2005年8月18日 优先权日2005年8月18日
发明者陈弘达, 隋晓红, 裴为华 申请人:中国科学院半导体研究所