專利名稱：一種cmos電路與體硅微機械系統(tǒng)集成的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子機械系統(tǒng)加工領域。
背景技術：
微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是近年來高速發(fā)展的一項高新技術，采用先進的半導體工藝技術，將整個機械結構在一塊芯片中完成，在體積、重量、價格和功耗上有十分明顯的優(yōu)勢，在航空航天、軍事、生物醫(yī)學、汽車等行業(yè)得到了廣泛應用。但是目前微機械傳感器(例如微陀螺儀)的性能、特別是精度指標還比不上傳統(tǒng)的機械傳感器，只適用于中低精度要求的場合；將集成電路與MEMS結構集成在一塊芯片上，可以顯著提高傳感器的精度和可靠性，在表面微機械中已有很多應用，但機械結構中質量塊比較小，電容輸出信號十分微弱，限制了表面MEMS傳感器的性能和使用范圍。
體硅MEMS加工工藝能制作出較大的質量塊和很高的結構深寬比，增加了微傳感器的靈敏度。如何使集成電路(IC)與體硅MEMS可動的硅結構集成在一塊芯片上，是微機械技術研究發(fā)展的瓶頸，如果能解決這個問題，不僅能獲得較大的質量塊和很高的結構深度比，還可以顯著提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，必將給MEMS帶來更廣闊的應用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將CMOS電路與體硅MEMS集成的方法，即將CMOS電路與MEMS集成在一塊芯片上，以提高MEMS傳感器和執(zhí)行器的精度和穩(wěn)定性。
為實現(xiàn)上述目的，利用硅深槽反應離子刻蝕(DRIE)技術和低壓化學氣相淀積(LPCVD)介質填充技術實現(xiàn)體硅結構部分與電路部分的絕緣，在此基礎上完成CMOS集成電路和體硅MEMS的加工。具體方案如下1)形成隔離槽采用硅深槽刻蝕技術，用二氧化硅和多晶硅填充，實現(xiàn)MEMS結構和CMOS電路的絕緣；2)完成隔離槽后進行標準CMOS電路的加工；3)用SiO2和Si3N4作掩膜，從背面腐蝕硅，直至暴露出隔離槽底部的SiO2，完成MEMS硅結構層的厚度控制；4)完成CMOS電路金屬化和MEMS結構掩膜MEMS結構區(qū)用鋁作掩膜，CMOS電路區(qū)用厚光刻膠作掩膜，用DRIE釋放硅結構。
所述隔離槽根據(jù)MEMS器件結構需要確定硅槽深度。
所述隔離槽采用光刻定義出隔離槽圖形，用DRIE刻蝕出硅槽。
所述SiO2填充采用高溫氧化生長法。
所述多晶硅采用LPCVD淀積多晶硅填充硅槽。
所述隔離槽正面涂光刻膠，用RIE(反應離子刻蝕)刻蝕表面的光刻膠和多晶硅，使表面平坦化。
所述標準CMOS電路的加工包括P阱的形成；P溝MOS管柵開啟調(diào)整；N溝MOS管柵開啟調(diào)整；形成多晶硅柵；P溝MOS管源漏區(qū)形成；N溝MOS管源漏區(qū)形成等。
本發(fā)明方法的特點是利用深槽刻蝕和深槽LPCVD填充技術制作出了高深寬比的電絕緣深槽結構，實現(xiàn)了體硅結構部分與電路部分的電絕緣，結合標準的CMOS工藝，完成了集成電路與體硅MEMS的工藝集成。用本發(fā)明方法不僅獲得了較大的質量塊，而且用本發(fā)明較高的深寬比制作出的結構電容，同時實現(xiàn)了體硅微機械與CMOS電路的集成，顯著提高MEMS傳感器的精度和穩(wěn)定性，具有前沿性和重要實用價值。
以下結合具體實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖1是CMOS與體硅MEMS集成的結構剖面示意圖。
圖2為圖1的平面圖。
圖3為CMOS與體硅MEMS結構集成工藝流程示意圖。
具體實施例方式
實施例P阱CMOS與微陀螺集成原始材料雙面拋光N型硅片，電阻率5-8Ω-cm，<100>晶向，硅片厚度為400微米。
1.隔離槽的形成1)用光刻定義出隔離槽圖形，槽寬3-4微米，用DRIE刻蝕出硅槽，槽深40-100μm(根據(jù)MEMS器件結構需要確定硅槽深度)，如圖3(a)所示；2)高溫熱氧化生長5000厚的SiO2(起絕緣作用)，再用LPCVD淀積2-2.5μm厚的多晶硅填充硅槽，要求填滿硅槽，不能有空洞；3)正面涂光刻膠，用RIE(反應離子刻蝕)刻蝕表面的光刻膠和多晶硅，使表面平坦化。適當控制氧氣和SF6的比例，控制RIE刻蝕過程中硅與光刻膠的選擇比為1.1∶1，如圖3(b)所示。
2.形成P阱區(qū)1)光刻定義P阱區(qū)，腐蝕SiO2；2)硼離子注入，常規(guī)能量和劑量，P阱推進，結深大于8微米；3)腐蝕SiO2，約5000。
3.P溝道場區(qū)注入和場區(qū)選擇氧化
1)高溫氧化，生長800厚的SiO2，LPCVD淀積Si3N4(氮化硅)1600；2)光刻定義有源區(qū)和MEMS結構區(qū)，RIE刻蝕Si3N4，BOE(緩沖氫氟酸腐蝕液)腐蝕SiO2；3)光刻定義P溝道場區(qū)，場區(qū)注入磷，常規(guī)能量和劑量；4)氫氧合成生長8000的SiO2，用磷酸腐蝕Si3N4，如圖3(c)所示。
4.P溝MOS管柵開啟調(diào)整1)光刻定義P溝有源區(qū)；2)離子注入，常規(guī)能量和劑量，去膠。
5.N溝MOS管柵開啟調(diào)整1)光刻定義N溝有源區(qū)；2)離子注入，常規(guī)能量和劑量，去膠。
6.形成多晶硅柵1)腐蝕SiO2，800；2)柵氧化，500；3)LPCVD淀積多晶硅，厚度3500，磷擴散進行多晶硅摻雜；4)光刻定義多晶硅柵區(qū)，RIE刻蝕多晶硅；7.P溝MOS管源漏區(qū)形成1)光刻定義P溝源漏區(qū)；2)硼離子注入，常規(guī)能量和劑量。
8.N溝MOS管源漏區(qū)形成，如圖3(d)所示1)光刻定義N溝源漏區(qū)；2)磷離子注入，常規(guī)能量和劑量。
9.離子激活退火和形成SiO2側墻隔離1)LPCVD淀積SiO2，厚度4000，2)SiO2致密和離子激活退火，950℃，30分鐘，3)RIE各向異性刻蝕SiO2，形成側墻。
10.形成硅化物1)LPCVD SiO2，厚度800；2)光刻定義硅化物區(qū)，腐蝕SiO2；3)濺射Co或Ti，約300；4)在700-800℃溫度下進行RTP(快速高溫退火)處理，用HCl+H2O2選擇腐蝕非硅化物區(qū)的Co或Ti。
11.腐蝕背面多余的SiO2和多晶硅
1)正面涂膠保護；2)RIE刻蝕背面多晶硅3500，SiO2500，多晶硅2-2.5微米；3)BOE腐蝕SiO25000；12.形成多晶硅和金屬雙層引線間的絕緣LPCVD SiO2，厚度7000，然后進行900℃ 30分鐘的致密退火。
13.用SiO2和Si3N4保護，腐蝕背面硅，形成MEMS結構層，如圖3(e)所示1)正面涂膠保護，腐蝕背面SiO2，剩余1000；2)LPCVD淀積Si3N4，厚度1600；3)背面光刻定義出MEMS結構區(qū)和絕緣區(qū)，RIE刻蝕Si3N4，BOE腐蝕SiO2；4)用TMAH(四甲基氫氧化胺)腐蝕硅320-360微米，結構層按需要保留40-80微米，暴露出隔離槽的底部；5)RIE刻蝕正面Si3N4。
14.開引線孔，如圖3(f)所示1)光刻定義CMOS電路引線孔區(qū)和MEMS結構區(qū)；2)BOE腐蝕SiO2，厚度約7500。
15.完成CMOS電路金屬化和MEMS結構掩膜，如圖3(g)所示1)濺射500鈦和8000鋁；2)光刻定義出金屬化圖形和MEMS結構區(qū)圖形；3)RIE刻蝕或濕法腐蝕8000鋁和500鈦。
16.合金在430℃下進行30分鐘的合金處理。
17.預切片和CMOS電路區(qū)保護1)正面涂膠，背面切片，深度為200-250微米，去膠；2)用厚膠光刻定義出MEMS結構區(qū)，膠厚大于2.5微米；18.用厚光刻膠和鋁作掩膜，DRIE刻蝕釋放MEMS硅結構，如圖3(h)所示。
19.裂片，封裝和測試。
得到的CMOS與體硅MEMS集成后的器件如圖1、圖2所示，圖1中，1為PMOS管；2為NMOS管，3為絕緣區(qū)，4為MEMS結構區(qū)，5為溫度傳感器。其中6、7、8、9、10、11和12分別代表P-Si、SiO2、N+-Si、P-Si、P+-Si、Poly-Si和Al；圖2為集成電路與微陀螺結構平面示意圖，其中A部分是集成電路區(qū)，B部分是溫度傳感器和集成電路區(qū)，C部分是MEMS結構區(qū)。
權利要求
1.一種將單片CMOS與體硅微機械集成的方法，其特征為1)形成隔離槽采用深槽刻蝕，SiO2和多晶硅填充，實現(xiàn)MEMS結構和CMOS電路的絕緣；2)完成隔離槽后進行標準CMOS電路的加工；3)用SiO2和Si3N4作掩膜，從背面腐蝕硅，直至暴露出隔離槽底部的SiO2，完成MEMS硅結構層的厚度控制；4)完成CMOS電路金屬化和MEMS結構掩膜MEMS結構區(qū)用鋁作掩膜，CMOS電路區(qū)用厚光刻膠作掩膜，用DRIE釋放硅結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種將單片CMOS與體硅微機械集成的方法，其特征在于所述隔離槽根據(jù)MEMS器件結構需要確定硅槽深度。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種將單片CMOS與體硅微機械集成的方法，其特征在于所述隔離槽采用光刻定義出隔離槽圖形，用DRIE刻蝕出硅槽。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種將單片CMOS與體硅微機械集成的方法，其特征在于所述SiO2填充采用高溫氧化生長法。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種將單片CMOS與體硅微機械集成的方法，其特征在于所述多晶硅填充采用LPCVD淀積多晶硅填充硅槽。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種將單片CMOS與體硅微機械集成的方法，其特征在于所述隔離槽正面涂光刻膠，用RIE刻蝕表面的光刻膠和多晶硅，使表面平坦化。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種將單片CMOS與體硅微機械集成的方法，其特征在于所述標準CMOS電路的加工包括P阱的形成；P溝MOS管柵開啟調(diào)整；N溝MOS管柵開啟調(diào)整；形成多晶硅柵；P溝MOS管源漏區(qū)形成；N溝MOS管源漏區(qū)形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將單片CMOS與體硅微機械系統(tǒng)集成的方法，其技術方案為1)形成隔離槽采用深槽刻蝕，SiO
文檔編號B81C1/00GK1516257SQ0310030
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權日2003年1月10日
發(fā)明者閻桂珍, 郝一龍, 朱泳, 王成偉, 張大成, 王陽元 申請人:北京大學