[发明专利]一种MEMS集成化方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)和集成电路IC(CMOS)加工工艺领域，涉及MEMS和IC工艺的单片集成方法，采用MEMS-IC-MEMS的混合工艺方法在单个圆片上同时形成MEMS和CMOS部分，特别应用在含有CMOS电路的MEMS芯片制作领域。

背景技术

MEMS和IC单片集成的优点很多，包括减小寄生电容，减小芯片体积，降低成本，减小封装压力，提高可靠性等。MEMS工艺和IC工艺集成的难点主要有以下几点：(一)IC部分完成后，后续的高温工艺会影响到IC的有源区内的杂质分布，影响PN结和MOS管的特性，而MEMS工艺里面不可避免的含有高温工艺，如LPCVD(低压化学气相淀积)多晶硅后高温退火消除残余应力；(二)IC的金属会在某些MEMS工序里遭到破坏，如KOH会腐蚀金属铝和钝化层的磷硅玻璃；(三)MEMS结构往往有2μm以上的厚度，台阶的形成会增加IC区域的光刻的难度。以往的研究发现，对于MEMS表面牺牲层工艺，在牺牲层释放时会出现金属脱落的现象，主要原因在于释放溶液的横向钻蚀，导致金属和结构之间的粘结处被湿法腐蚀掉。金属脱落会严重影响芯片的成品率。一旦MEMS和IC工艺集成，金属互联如果脱落，会造成相当严重的问题，IC和MEMS部分均会失去工作能力。

目前已有的集成方案包括IC-MEMS-IC交叉工艺，先MEMS后IC工艺，先IC后MEMS工艺。这些方案都不能同时很好地解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面微加工工艺的集成化方法，通过调整工艺顺序，采用MEMS-IC-MEMS交叉的集成化工艺，在满足MEMS可动结构和IC单片集成的需求的同时，降低集成化工艺对光刻的压力，避免金属脱落，提高工艺质量和成品率。

本发明提出了一种MEMS集成化方法，采用MEMS-IC-MEMS交叉制作工艺完成MEMS和IC的单片集成，包括下述步骤：

1)在基片上采用MEMS工艺光刻定义并刻蚀出凹陷的MEMS区域凹槽；

2)采用IC工艺在凹槽以外的范围制作CMOS电路，完成除金属互连以外的所有IC工艺；

3)淀积IC区域保护层；

4)在凹槽内采用MEMS表面牺牲层工艺制作MEMS结构；

5)刻蚀形成IC区域的引线孔，淀积并图形化金属形成金属互连；

6)用光刻胶保护凹槽以外的区域，去除牺牲层，释放MEMS可动结构；

7)去除光刻胶，制得单片集成芯片。

上述步骤1)制备MEMS区域凹槽用于预先减少MEMS区域台阶，便于后续金属互连的制作。凹槽的深度优选为2μm。所述基片一般为单晶硅片。

上述步骤3)选用低温淀积方法制作IC区域保护层，如低压化学气相淀积(LPCVD)氧化硅和氮化硅作为保护层。

上述步骤4)主要包括：淀积牺牲层并图形化牺牲层；淀积结构层并图形化结构层。所述牺牲层采用低温淀积方法(如LPCVD)制备，牺牲层的材料优选为磷硅玻璃；所述结构层采用低温淀积方法(如LPCVD)制备，材料优选为多晶硅(Poly-Si)。

上述步骤4)在制作MEMS结构的过程中，凹槽外的牺牲层在淀积结构层之前须全部去除。

上述步骤5)在IC区域采用干法刻蚀保护层，以实现金属互连的引线孔；所述金属采用低温淀积方法制备，如溅射和蒸发等物理气相淀积(PVD)方法；金属材料优选为铝(Al)。

上述步骤6)先在整个基片上涂光刻胶，然后光刻，在MEMS区域凹槽以外的区域形成光刻胶保护层，其中光刻使用的光刻板与步骤1)的光刻板图形相同，即光刻后，除凹槽以外的所有区域均被光刻胶覆盖，节约成本可使用同一张板。

上述步骤6)采用湿法腐蚀牺牲层，释放MEMS结构。

采用上述工艺能够完成MEMS和IC的单片集成，由于预先开了MEMS区域凹槽，降低了MEMS结构和IC之间的高度差，从而降低了对IC区域光刻的压力。同时由于释放MEMS结构时金属被光刻胶保护，不存在IC区域的金属互连脱落的问题，为IC设计提供了更大的空间。

本发明提出的表面牺牲层工艺集成化方法，采用MEMS-IC-MEMS交叉工艺实现了MEMS和IC的单片集成，具有以下优势：

1.微机械与IC单片集成，处理电路靠近微结构，减小了寄生电容和分布电容，提高检测信号的精度。

2.本发明设计的工艺流程IC部分几乎不受MEMS工序的影响，保证了IC部分的性能。

3.本发明设计的工艺通过MEMS区域凹槽减少了不必要的台阶，降低了光刻的难度。