专利名称：集成微传感器的制备方法
技术领域：
本发明属于微机电系统和集成电路技术领域，特別涉及一种集成微传感 器的制备方法。
技术背景MEMS传感器具有体积小、易集成、成本低、功耗小、速度快、灵敏度高 等特点，成为目前MEMS器件发展的主流方向。近年来，随着半导体加工水平 的提高以及对传感器低功耗、高信噪比和高集成度的设计追求，人们开始进 行单芯片系统(S0C)的研究。SOC是利用标准的IC工艺和MEMS后处理工艺， 在单芯片上实现简单的集成微传感器。集成传感器主要包括微传感器阵列、 传感器驱动电路、多路信号选择器、信号调理电路和数模转换电路，目前的 制备集成4鼓传感器方法包括两种方式， 一是直接在体硅上进行集成制造，还 有一种是传感器制备在SOI硅片器件层上，CMOS电路制备在体硅上。由于采用SOI CM0S技术与采用传统的体硅制备CMOS电路相比具有如下特 点无闩锁效应；源、漏寄生电容小；易于形成浅结和全介质隔离；工艺更 为简单；较好地抑制短沟道效应；低压低功耗；优良的抗辐照能力等。因此， 采用SOI硅片制备集成微传感器是一个值得研究的方向。 发明内容本发明的目的是提供一种在SOI硅片实现集成微传感器的方法，该制备工艺简单、制备的微传感器性能优良、电路性能高。本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的 一种集成微传感器的制备方法，包括(1)在SOI硅片上进行光刻和刻蚀，定义CM0S电路的有源区和传感器的
器件区，之后生长场区氧化层从而形成硅岛，然后去除SOI硅片上的氮化珪；(2) N—和P—离子注入，调节觀0S和PM0S管的阈值电压，并制备組成惠 斯通电桥的电阻；(3) 淀积多晶硅并离子注入，定义多晶硅栅、多晶硅引线和多晶硅电阻；(4) 对NM0S和PM0S管进行源漏区离子注入和体接触区注入；(5) 定义接触孔后淀积金属，干法刻蚀或湿法腐蚀金属，定义电路及传 感器的金属引线；(6) 光刻并定义形成传感器结构的樣史槽图形，并利用RIE工艺刻蚀槽区 的钝化层、器件层和埋氧层；(7) 各向同性刻蚀微槽内的硅，利用埋氧层停止刻蚀，得到释放的传感器结构。步骤1中，根据传感器对器件的要求选择相应器件层厚度和掺杂类型的 SOI硅片。步骤4中，制成压阻悬臂梁、双支梁、四端固支、方形膜片或圓形膜片 的力敏电阻区。步骤5之后，将在测量传感器表面淀积并定义一层纳米厚度的金薄膜， 用于作为中间层组装生物分子。步骤7之后，在释放的结构表面设置生物、化学敏感层。步骤7中，采用各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀体硅，干法刻蚀为感应耦合 等离子体UCP)深刻蚀技术，湿法腐蚀主要包括KOH、 TMAH腐蚀硅，体硅的 刻蚀或腐蚀在达到器件层下的埋氧层时由于硅/氧化硅的选择比而基本停止。本发明具有如下特点选择S0I硅片的器件层作为传感器阵列的制作材料，既可以利用单晶硅材
料良好的电学、力学、热学性质制备高性能的传感器器件，又可以利用SOI硅 片的埋氧层释放可动传感器结构，简化了制备工艺，尤其适用于制作超薄微/纳悬臂粱传感器。其次，选择SOI硅片的器件层制备SOI CMOS电腺，相比休砝 CM0S电路，SOI CMOS电路具有无闩锁效应；源、漏寄生电容小；易于形成浅 结和全介质隔离；CMOS工艺更为简单；较好地抑制短沟道效应；低压低功耗； 优良的抗辐照能力等优点。最后，本发明采用Post-CMOS或Intermediate-CMOS 工艺，将微传感器阵列、传感器驱动电路、多路信号选择器、信号调理电路、 数模转换电路集成到同一SOI硅片上，实现信号的放大和多点检测。集成设计 即减小了系统的体积、消除了传感器与电路引线互连引起的寄生效应，同时 基于SOI的传感器集成简化了制备工艺、改善了传感器以及CMOS电路的性能。
图1为本发明集成微传感器制备工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的一优化实施例，但不以任何方式限制本 发明的范围。采用具有埋氧层1和单晶硅器件层2的单抛P型SOI硅片3，依据传感 器对器件的要求SOI硅片的器件层厚度为200nm,埋氧层厚度为400nm (见图 1-a );硅片经过常规清洗后，生长30nm厚的热氧化层和IIOOA厚的氮化硅层， 作为黏附层的氧化硅可用于后续的注入阻挡，氮化硅作为场区氧化层的掩模。 第一次光刻，定义CMOS电路的有源区4和传感器的器件区5，之后生长
场区氧化层,人而形成石圭岛，然后去除SOI石圭片上的氮化;圭(见图1-b);分别用第二块和第三块掩模版进行光刻，光刻后进行磷离子(65kev, 4.9el2)和硼离子(35kev， 2.5el2)注入形成N -区6和P -区7，用子调整 SOI CMOS管的阈值电压(见图1-c);去除二氧化硅黏附层，重新热氧化生成200A厚的栅氧化层。采用LPCVD 技术淀积400nm的多晶硅薄膜，注入磷离子(65kev, 5el5)进行多晶硅预掺杂， 便于后面形成N+多晶硅栅，用第四块掩模版光刻，在诱导耦合等离子体系统 (ICP)中刻蚀多晶硅，定义多晶硅栅8、多晶硅引线和多晶硅电阻等。为改 善多晶硅中的离子分布，多晶硅在960。C氧化15min,同时退火(见图l-d);分别用第五块和第六块掩模版光刻，对NMOS和PMOS的源漏区进行磷离 子10(65kev， 2el5)和硼离子9 (35kev, 2el5 )注入，同时对体接触区域、 力敏电阻区进行注入，改善体接触电阻。在RTA系统中，在1000。C条件下快 速热处理10sec,以改善源漏区离子分布，同时也调整了传感器的力敏电阻区 域(见图l-e);采用LPCVD技术淀积350nm二氧化硅钝化层11,并在950。C条件下致密 退火10min (见图l-f );用第七块掩模版光刻，定义接触孔，在反应离子刻蚀系统(RIE)中刻蚀 二氧化硅钝化层，形成接触孔12和微槽13 (见图l-g);溅射金属Ti ( 500 - 700A) /Al (1 )i m )后用第八块掩模版光刻，定义金 属引线14, AME刻蚀Ti和Al。在450。C条件下合金30min,从而形成欧姆接 触(见图1-h);用第九块掩模版光刻，再一次定义微槽15区域，并以光刻胶为掩膜RIE 刻蚀Si器件层和埋氧层。ICP系统中各向同性刻蚀微悬臂梁16下的硅层，释梁的宽度为50Mm，考虑到ICP刻蚀速率为1.5nm/min， 所以刻蚀时间约为15分钟(见图l-i );如杲该集成传感器应用子生物分子的传感检测，将在释放悬臂粱前进杆 一次光刻，该步骤将在测量传感器表面生长一层纳米厚度的金薄膜17，用于作为中间层组装生物分子；采用各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀体硅，干法刻蚀为感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀技术，湿法腐蚀主要包括KOH、 TMAH腐蚀硅，体硅的刻蚀或腐 蚀在达到器件层下的埋氧层时由于硅/氧化硅的选择比而基本停止，因此得到 释放的悬浮器件结构(见图1-j)。在释放的结构表面设置生物、化学敏感层，可实现微集成生化传感器(见 图1-k)。本发明可以通过SOI CMOS和SOI微机械加工技术将微传感器阵列和传感 器电路集成在同一芯片上。且微传感器阵列单元结构可以是悬臂梁结构、双 支梁结构、四端固支式、方形膜片式、圆形膜片式等结构，每个单元结构可 以是测量物理、化学、生物等信息的微传感器，传感器阵列中的各个传感器 单元可以测量相同敏感量，也可以测量不同敏感量。本发明提出的集成微传感器及其技术无论应用在物理、化学、还是生物 信息检测上，都将在减小器件尺寸、提高器件灵敏度以及实现传感器的智能 化上发挥重要作用。集成传感器在环境监测，临床的诊断和治疗、新药开发、 食品安全、工业加工控制、军事等领域具有广泛的应用前景。以上为本发明的实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术 人员能够显而易见的想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范 围。
权利要求
1. 一种集成微传感器的制备方法，包括(1)在SOI硅片上进行光刻和刻蚀，定义CMOS电路的有源区和传感器的器件区，之后生长场区氧化层，形成硅岛，然后去除SOI硅片上的氮化硅；(2)N-和P-离子注入，调节NMOS和PMOS管的阈值电压，并制备组成惠斯通电桥的力敏电阻；(3)淀积多晶硅并离子注入，定义多晶硅栅、多晶硅引线和多晶硅电阻；(4)对NMOS和PMOS管进行源漏区离子注入和体接触区注入；(5)定义接触孔后淀积金属，干法刻蚀或湿法腐蚀金属，定义电路及传感器的金属引线；(6)光刻并定义形成传感器结构的微槽图形，并利用反应离子刻蚀槽区的钝化层、器件层和埋氧层；(7)各向同性刻蚀微槽内的硅，利用埋氧层停止刻蚀，得到释放的传感器结构。
2、 如权利要求1所述的集成微传感器的制备方法，其特征在于步骤1中， 根据传感器对器件的要求选择相应器件层厚度和掺杂类型的SOI硅片。
3、 如权利要求1所述的集成微传感器的制备方法，其特征在于步骤1中， 生长薄氧化层和氮化硅层，作为黏附层的氧化硅可用于后续的注入阻挡 层，氮化硅作为场区氧化层的掩模。
4、 如权利要求1或2所述的集成微传感器的制备方法，其特征在于步骤4 中，制成压阻悬臂梁、双支梁、四端固支、方形膜片或圆形膜片的力敏 电阻区。
5、 如权利要求1所述的集成微传感器的制备方法，其特征在于步骤5之 后，在传感器表面淀积并定义一层纳米厚度的金薄膜，用于作为中间层 组装生物分子。
6、 如权利要求1所述的集成微传感器的制备方法，其特征在于步骤7之 后，在释放的结构表面设置生物、化学敏感层。
7、 如权利要求1所述的集成微传感器的制备方法，其特征在于步骤7中， 采用K0H、 TMAH湿法腐蚀微槽内的硅，体硅的腐蚀在达到器件层下的埋 氧层时停止。
8、 如权利要求1所述的集成微传感器的制备方法，其特征在于步骤7中， 采用感应耦合等离子体干法刻蚀微槽内的硅。
全文摘要
本发明提供了一种基于SOI技术的集成微传感器的制备方法，属于微机电系统和集成电路技术领域。该方法基于Post-CMOS或Intermediate-CMOS工艺，利用SOI CMOS工艺和SOI微机械加工技术，在SOI硅片上实现微传感器阵列与信号调理等电路的单片集成。本发明工艺简单、加工成本低、体积小、可靠性高，该集成传感器在医学、环境、食品、军事等领域具有广泛的应用前景。
文档编号H01L21/84GK101211861SQ20061017072
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月26日 优先权日2006年12月26日
发明者于晓梅, 张海涛, 汤雅权, 玮 王, 颖 王 申请人:北京大学