[发明专利]单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法

说明书

本发明公开了单片集成的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。

技术领域

本发明涉及微电子器件及其制备技术领域，特别涉及单片集成的CMOS加MEMS的微加热器及制备方法。

背景技术

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CN 104541161A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，CN 104176699 A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。

发明内容