[發明專利]一種MEMS集成化方法

有效

• 申請號: 201110433579.7
• 申請日: 2011-12-21
• 公開（公告）號: CN102515089A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 趙丹淇;張大成;楊芳;田大宇;劉鵬;王瑋;李婷;羅葵
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 李稚婷

技術領域

本發明屬于微電子機械系統(MEMS)和集成電路IC(CMOS)加工工藝領域，涉及MEMS和IC工藝的單片集成方法，采用MEMS-IC-MEMS的混合工藝方法在單個圓片上同時形成MEMS和CMOS部分，特別應用在含有CMOS電路的MEMS芯片制作領域。

背景技術

MEMS和IC單片集成的優點很多，包括減小寄生電容，減小芯片體積，降低成本，減小封裝壓力，提高可靠性等。MEMS工藝和IC工藝集成的難點主要有以下幾點：(一)IC部分完成后，后續的高溫工藝會影響到IC的有源區內的雜質分布，影響PN結和MOS管的特性，而MEMS工藝里面不可避免的含有高溫工藝，如LPCVD(低壓化學氣相淀積)多晶硅后高溫退火消除殘余應力；(二)IC的金屬會在某些MEMS工序里遭到破壞，如KOH會腐蝕金屬鋁和鈍化層的磷硅玻璃；(三)MEMS結構往往有2μm以上的厚度，臺階的形成會增加IC區域的光刻的難度。以往的研究發現，對于MEMS表面犧牲層工藝，在犧牲層釋放時會出現金屬脫落的現象，主要原因在于釋放溶液的橫向鉆蝕，導致金屬和結構之間的粘結處被濕法腐蝕掉。金屬脫落會嚴重影響芯片的成品率。一旦MEMS和IC工藝集成，金屬互聯如果脫落，會造成相當嚴重的問題，IC和MEMS部分均會失去工作能力。

目前已有的集成方案包括IC-MEMS-IC交叉工藝，先MEMS后IC工藝，先IC后MEMS工藝。這些方案都不能同時很好地解決上述問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種表面微加工工藝的集成化方法，通過調整工藝順序，采用MEMS-IC-MEMS交叉的集成化工藝，在滿足MEMS可動結構和IC單片集成的需求的同時，降低集成化工藝對光刻的壓力，避免金屬脫落，提高工藝質量和成品率。

本發明提出了一種MEMS集成化方法，采用MEMS-IC-MEMS交叉制作工藝完成MEMS和IC的單片集成，包括下述步驟：

1)在基片上采用MEMS工藝光刻定義并刻蝕出凹陷的MEMS區域凹槽；

2)采用IC工藝在凹槽以外的范圍制作CMOS電路，完成除金屬互連以外的所有IC工藝；

3)淀積IC區域保護層；

4)在凹槽內采用MEMS表面犧牲層工藝制作MEMS結構；

5)刻蝕形成IC區域的引線孔，淀積并圖形化金屬形成金屬互連；

6)用光刻膠保護凹槽以外的區域，去除犧牲層，釋放MEMS可動結構；

7)去除光刻膠，制得單片集成芯片。

上述步驟1)制備MEMS區域凹槽用于預先減少MEMS區域臺階，便于后續金屬互連的制作。凹槽的深度優選為2μm。所述基片一般為單晶硅片。

上述步驟3)選用低溫淀積方法制作IC區域保護層，如低壓化學氣相淀積(LPCVD)氧化硅和氮化硅作為保護層。

上述步驟4)主要包括：淀積犧牲層并圖形化犧牲層；淀積結構層并圖形化結構層。所述犧牲層采用低溫淀積方法(如LPCVD)制備，犧牲層的材料優選為磷硅玻璃；所述結構層采用低溫淀積方法(如LPCVD)制備，材料優選為多晶硅(Poly-Si)。

上述步驟4)在制作MEMS結構的過程中，凹槽外的犧牲層在淀積結構層之前須全部去除。

上述步驟5)在IC區域采用干法刻蝕保護層，以實現金屬互連的引線孔；所述金屬采用低溫淀積方法制備，如濺射和蒸發等物理氣相淀積(PVD)方法；金屬材料優選為鋁(Al)。

上述步驟6)先在整個基片上涂光刻膠，然后光刻，在MEMS區域凹槽以外的區域形成光刻膠保護層，其中光刻使用的光刻板與步驟1)的光刻板圖形相同，即光刻后，除凹槽以外的所有區域均被光刻膠覆蓋，節約成本可使用同一張板。

上述步驟6)采用濕法腐蝕犧牲層，釋放MEMS結構。

采用上述工藝能夠完成MEMS和IC的單片集成，由于預先開了MEMS區域凹槽，降低了MEMS結構和IC之間的高度差，從而降低了對IC區域光刻的壓力。同時由于釋放MEMS結構時金屬被光刻膠保護，不存在IC區域的金屬互連脫落的問題，為IC設計提供了更大的空間。

本發明提出的表面犧牲層工藝集成化方法，采用MEMS-IC-MEMS交叉工藝實現了MEMS和IC的單片集成，具有以下優勢：

1.微機械與IC單片集成，處理電路靠近微結構，減小了寄生電容和分布電容，提高檢測信號的精度。

2.本發明設計的工藝流程IC部分幾乎不受MEMS工序的影響，保證了IC部分的性能。

3.本發明設計的工藝通過MEMS區域凹槽減少了不必要的臺階，降低了光刻的難度。