单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法技术

本发明专利技术公开了单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法,所述集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器包括：在CMOS结构表面形成的绝热层；在绝热层表面形成的绝缘层Ⅰ；在绝热层及绝缘层Ⅰ上干法刻蚀出用于与电极柱子连接的pad的开口；在绝缘层Ⅰ表面形成的电极柱子；在电极柱子之间形成空腔及悬空加热结构；加热结构由下到上依次为支撑层，绝缘层，台阶结构层，加热层及钝化层；绝缘层覆盖在支撑层上；台阶结构层位于所述绝缘层上；加热层覆盖在含所述支撑层，绝缘层、台阶结构层的复合结构上、并覆盖电极柱子的上表面；钝化层覆盖所述加热层；所述绝热层的CMOS/ASIC电路与电极柱子连接；绝缘层Ⅰ、电极柱子、支撑层共同形成悬空加热器结构的空腔。

Monolithic integrated CMOS plus MEMS microheater and its preparation method

The invention discloses a monolithic integrated CMOS plus MEMS microheater and a preparation method. The integrated CMOS plus MEMS thermal film structure microheater includes: an insulating layer formed on the surface of the CMOS structure; an insulating layer formed on the surface of the insulating layer I; an opening for pad connected with the electrode post dry etched on the insulating layer and the insulating layer I; and an electrode post formed on the surface of the insulating layer I. The heating structure is composed of support layer, insulating layer, step structure layer, heating layer and passivation layer; insulating layer is covered on the support layer; step structure layer is located on the insulating layer; heating layer is covered on the composite structure with the support layer, insulating layer and step structure layer, and on the electrode column. Surface; passivation layer covers the heating layer; CMOS/ASIC circuit of the insulation layer is connected with the electrode post; insulating layer I, the electrode post and the supporting layer form a cavity of the suspended heater structure together.

【技术实现步骤摘要】
单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法
本专利技术涉及微电子器件及其制备
，特别涉及单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法。
技术介绍
目前，现有的微加热器制备工艺主要采用正面或背面体硅刻蚀工艺，微加热器MEMS的器件与CMOS/ASIC等读出电路的连接方式主要通过引线键合wire-bonding的封装技术。该工艺制备的微加热器具有尺寸大，功耗大，不易阵列化，及敏感膜应力大、隔热性差和高温热稳定性不理想等缺点。制约了微加热结构传感器如微气体传感器、微热量计、微气压计，微加速度计，以及电子鼻等微器件的发展和应用；MEMS器件和CMOS电路独立制备而后采用引线键合wire-bonding的封装方式，MEMS+CMOS整体模块的尺寸无法降低且封装过程延长制备周期和容易在封装过程中导致良率减小。随着现代微电子的技术日新月异的发展，小体积、低功耗且易与其它材料或器件组合的微热板越来越受到重视，但使用微加热板会带来一定的热功率损耗和器件的不稳定性。现有技术中，为降低热功耗，实现结构保温普遍采用正面或背面悬空结构的绝热槽。微热板普遍采用的一种结构是：在衬底的上表面沉积一层二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)膜层作为绝缘层，在硅基底的下表面通过干法刻蚀制备绝热槽。在加热丝表面上又沉积一层氮化硅层作为钝化层。例如CN104541161A公开了的硅基微热板的加工方法便采用了在硅基底背面制备绝热槽的工艺；这种方法制备出来的微热板的尺寸600μm～1000μm，但是这种方法蚀刻出绝热槽后加热层仅靠一层薄膜结构的氮化硅层支撑，而该薄膜仅在两端被支撑衬底支撑，这种薄膜结构的应力控制比较差，而且强度不够，在器件受到震动或者碰撞时易发生破裂导致器件失效。另一种方法为：在硅基底的上表面通过湿法刻蚀制备绝热槽。例如，CN104176699A公开的硅基微热板的加工方法便采用了在硅基底正面制备绝热槽的工艺。该专利中描述的微热板是利用绝热沟槽的方式来进行热量的隔离，通过薄膜生长的方式形成一定的绝缘层和隔热层，然后经过溅射、剥离、刻蚀的方式来形成加热电极和测试电极层，然后从正面进行刻蚀形成一定的绝热槽结构。这种正面体硅刻蚀的方法制备的微加热器由于制备工艺的限制，器件尺寸300μm～1000μm，且工艺难度较背面体硅刻蚀制备绝热槽的大。由上可见，两种微加热器的制备过程中，；两种微加热器均具有较大的功耗,正面体硅刻蚀工艺制备的微加热器大约20mW,背面体硅刻蚀工艺制备的微加热器70mW～80mW；另外，由于在加工过程中，主要还是采用了单面薄膜复合的方式来实现隔热层、绝缘层、加热电极层、测试电极层的制备，因此会由于薄膜层次太多，容易产生应力而造成器件失效。综上，两种微加热器均存在尺寸达到几百至上千微米，功耗大，薄膜应力大、厚度不够的缺陷，难以做到同时具备小尺寸、低功耗、易于实现阵列化、械强度高、产品良率好等方面优点。另外，MEMS与CMOS一体式集成制备的结构设计和制备工艺不仅可以减少后期MEMS器件和CMOS封装过程，缩短MEMS+CMOS模块制备周期和避免在此过程导致下降的产品良率，显然地，还具有降低MEMS+CMOS模块的尺寸。
技术实现思路
通过上述描述过程中，可以总结出传统的微加热器制备工艺具有如下缺点：通过正面体硅工艺制备的微加热器和通过背面体硅工艺制备的的微加热器尺寸均达到几百至上千微米，且结构保温性能不好，具有较大功耗；传统正面/背面体硅刻蚀工艺制备的微加热器，因制备过程中由于薄膜间应力而容易导致器件失效，无法同时实现保温隔热及机械强度大、产品良率高等优点；在工艺制备和封装过程中，正面体硅刻蚀技术制备微加热器的工艺难度较大，背面体硅刻蚀方法制备的微加热器在封装过程中因背面空腔结构容易产生损耗，两种微加热器均具有较低良率的特点。即，传统制备方法的微加热器具有尺寸大、功耗高、工艺难度大、良率低、薄膜应力大、机械强度低等缺点。另外，显然地，MEMS器件和CMOS/ASIC读出电路分立制备后期引线键合的封装方法具有不仅产品实现周期较长，过程复杂，MEMS+CMOS模块尺寸较大的缺点。针对以上传统工艺制备的微加热器的缺点，本申请通过另外提供的一种集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器及其制备方法与电子鼻阵列，优化结构及加工工艺，此外，本申请提供的集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器及其制备方法与电子鼻阵列，通过MEMS+CMOS集成制备可以减少封装过程，过程集成化，可以缩短制备周期，使制备/封装过程简单化，及减少MEMS+CMOS模块尺寸。实现以下特点：小尺寸(悬空微加热结构可达到17μm)、保温隔热性能好、低功耗(达到几微瓦)、工艺简单、结构强度高、可阵列化，从而实现电子鼻阵列，MEMS+CMOS集成制备可以实现过程集成化，缩短周期，制备过程简单化等特点。为了达到上述目的，本专利技术提供的单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法，包括以下步骤：步骤S1：在制备好的CMOS/ASIC电路上制备绝热层，并在绝热层使用干法刻蚀打开用于与电极柱子连接的在CMOS上的pad的开口。步骤S2:在绝热层上制备绝缘层Ⅰ，并在绝缘层Ⅰ使用干法刻蚀打开用于与电极柱子连接的在CMOS上的pad的开口。步骤S3：涂覆第一层Al层所需的第一光阻层并图形化。步骤S4：蒸镀/溅射第一层Al层。步骤S5：通过lift-off工艺剥离第一光阻层并制备第一层电极柱子。步骤S6：涂覆第二层Al层所需的第二光阻层并图形化。步骤S7:蒸镀/溅射第一层Al层。步骤S8：通过lift-off工艺剥离第二光阻层并制备第二层电极柱子，制成最终所需的电极柱子。步骤S9:在含有所述步骤S8的电极柱子的硅基底表面制备牺牲层。步骤S10：在电极柱子和牺牲层表面上，采用化学气相沉积CVD方法制备支撑层。步骤S11：在支撑层上采用化学气相沉积CVD方法制备绝缘层Ⅱ。步骤S12：在绝缘层Ⅱ上面制备具有应力释放的台阶结构层。步骤S13：在含有所述支撑层、绝缘层Ⅱ、台阶结构层的复合结构表面制备加热层、该加热层覆盖电极柱子的上表面。步骤S14：在加热层上制备钝化层。步骤S15：采用各向同性的湿法刻蚀或干法刻蚀方法释放牺牲层，形成空腔，制成集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器。优选的，所述牺牲层材料为：聚酰亚胺PI/氧化硅SiO2/氮化硅SiN/非晶硅a-Si/多晶硅poly-Si/金属Cu/Al。本专利技术另提供一种集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器，包括：在CMOS/ASIC电路上表面形成的绝热层、绝缘层Ⅰ，并刻蚀出用于与电极柱子连接的pad的开口；在绝缘层Ⅰ表面形成的电极柱子；在电极柱子之间形成空腔及悬空加热结构；加热结构由下到上依次为支撑层、绝缘层Ⅱ、台阶结构层、加热层及钝化层；其中，绝缘层Ⅱ覆盖支撑层；台阶结构层位于在绝缘层Ⅱ正上方区域内；加热层覆盖在含所述支撑层，绝缘层Ⅱ、台阶结构层的复合结构上、并覆盖电极柱子的上表面；钝化层覆盖所述加热层；绝缘层Ⅰ、电极柱子、支撑层共同形成集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器的空腔，微加热器成悬空结构。优选的，所述加热层位于空腔、所述支撑层、绝缘层Ⅱ以及台阶结构层的正上方区域，并覆盖电极柱子的上表面。优选的，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法，包括以下步骤：步骤S1：在制备好的CMOS/ASIC电路(1)上制备绝热层(2)，并在绝热层(2)使用干法刻蚀打开用于与电极柱子(4)连接的在CMOS上的pad的开口；步骤S2:在绝热层(2)上制备绝缘层Ⅰ(3)，并在绝缘层Ⅰ(3)使用干法刻蚀打开用于与电极柱子(4)连接的在CMOS上的pad的开口；步骤S3：涂覆第一层Al层(41)所需的第一光阻层(51)并图形化；步骤S4：蒸镀/溅射第一层Al层(41)；步骤S5：通过lift‑off工艺制备第一层电极柱子；步骤S6：涂覆第二层Al层(42)所需的第二光阻层(52)并图形化；步骤S7:蒸镀/溅射第一层Al层(42)；步骤S8：通过lift‑off工艺制备第二层电极柱子，制成最终所需的电极柱子(4)；步骤S9:在含有所述步骤S8的电极柱子的硅基底表面制备牺牲层(5)；步骤S10：在电极柱子(4)和牺牲层(5)表面上，采用化学气相沉积CVD方法制备支撑层(6)；步骤S11：在支撑层(6)上采用化学气相沉积CVD方法制备绝缘层Ⅱ(7)；步骤S12：在绝缘层Ⅱ(7)上面制备具有应力释放的台阶结构层(8)；步骤S13：在含有所述支撑层(6)、绝缘层Ⅱ(7)、台阶结构层(8)的复合结构表面制备加热层(9)、该加热层(9)覆盖电极柱子(4)的上表面；步骤S14：在加热层(9)上制备钝化层(10)；步骤S15：采用各向同性的湿法刻蚀或干法刻蚀方法释放牺牲层(5)，形成空腔(12)，制成集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器。...

【技术特征摘要】
1.单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法，包括以下步骤：步骤S1：在制备好的CMOS/ASIC电路(1)上制备绝热层(2)，并在绝热层(2)使用干法刻蚀打开用于与电极柱子(4)连接的在CMOS上的pad的开口；步骤S2:在绝热层(2)上制备绝缘层Ⅰ(3)，并在绝缘层Ⅰ(3)使用干法刻蚀打开用于与电极柱子(4)连接的在CMOS上的pad的开口；步骤S3：涂覆第一层Al层(41)所需的第一光阻层(51)并图形化；步骤S4：蒸镀/溅射第一层Al层(41)；步骤S5：通过lift-off工艺制备第一层电极柱子；步骤S6：涂覆第二层Al层(42)所需的第二光阻层(52)并图形化；步骤S7:蒸镀/溅射第一层Al层(42)；步骤S8：通过lift-off工艺制备第二层电极柱子，制成最终所需的电极柱子(4)；步骤S9:在含有所述步骤S8的电极柱子的硅基底表面制备牺牲层(5)；步骤S10：在电极柱子(4)和牺牲层(5)表面上，采用化学气相沉积CVD方法制备支撑层(6)；步骤S11：在支撑层(6)上采用化学气相沉积CVD方法制备绝缘层Ⅱ(7)；步骤S12：在绝缘层Ⅱ(7)上面制备具有应力释放的台阶结构层(8)；步骤S13：在含有所述支撑层(6)、绝缘层Ⅱ(7)、台阶结构层(8)的复合结构表面制备加热层(9)、该加热层(9)覆盖电极柱子(4)的上表面；步骤S14：在加热层(9)上制备钝化层(10)；步骤S15：采用各向同性的湿法刻蚀或干法刻蚀方法释放牺牲层(5)，形成空腔(12)，制成集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器。2.根据权利要求1所述的单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法，其特征在于，所述牺牲层(5)材料为：聚酰亚胺PI/氧化硅SiO2/氮化硅SiN/非晶硅a-Si/多晶硅poly-Si/金属Cu/Al。3.单片集成的CMOS加MEMS的微加热器，其特征在于，所述集成CMOS加MEMS的热膜结构微加热器包括：在CMOS/ASIC电路(1)上表面形成的绝热层(2)、绝缘层Ⅰ(3)，并在绝热层(2)及绝缘层Ⅰ(3)上干法刻蚀出用于与电极柱子(4)连接的pad的开口；在绝缘层Ⅰ(3)表面形成的电极柱子(4)；在电极柱子之间形成空腔(12)及悬空加热结构；加热结构由空腔位置到上依次为支撑层(6)、绝缘层Ⅱ(7)、台阶结构层(8)、加热层(9)及钝化层(10)；其中，绝缘层Ⅱ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓波，蒋一博，
申请(专利权)人：杭州北芯传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33