一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法技术

本发明专利技术公开了一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，包括在硅片衬底层表面上完成集成电路的制作；在SOI硅片衬底层表面上淀积钝化层保护所述的集成电路；在SOI硅片结构层上制备导电电极；在SOI硅片结构层上光刻，并对MEMS结构图形刻蚀，直至绝缘层；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；去除衬底层表面的钝化层；裂片、封装、测试。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。

【技术实现步骤摘要】
一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法
本专利技术属于微电子机械系统微加工
，特别涉及一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种将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。本专利技术与现有技术相比，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)为本专利技术加工流程示意图。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专利技术技术方案。下面结合具体实施例及附图，对本专利技术做进一步说明。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、降低对设备的投资本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于,包括以下步骤：(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；(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)；(c)在SOI硅片结构层(3)上制备导电电极(6)；(d)在SOI硅片结构层(3)上光刻，形成MEMS结构(7)图形，并对MEMS结构图形刻蚀，直至绝缘层(2)；(e)对绝缘层(2)位于所述MEMS结构(7)图形区域和衬底层(1)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(8)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(3)上光刻，形成MEMS结构(7)图形，并对MEMS结构图形刻蚀，直至绝缘层(2)。

【技术特征摘要】
1.一种将CMOS电路与体硅MEMS单片集成的方法，其特征在于,包括以下步骤：(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；(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)；(c)在SOI硅片结构层(3)上制备导电电极(6)；(d)在SOI硅片结构层(3)上光刻，形成MEMS结构(7)图形，并对MEMS结构图形刻蚀，直至绝缘层(2)；(e)对绝缘层(2)位于所述MEMS结构(7)图形区域和衬底层(1)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(8)图形，对背腔进行刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：江成，翟章印，陈贵宾，
申请(专利权)人：淮阴师范学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32