一种基于五层soi硅片的mems单片集成结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微电子机械系统微加工技术领域，特别涉及一种五层绝缘体上的石圭(Silicon on insulator，SOI)微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems,MEMS)的单片集成结构。
【背景技术】
[0002]近几年，MEMS技术得到了快速的发展，在很多领域都具有广阔的应用空间。将MEMS结构与驱动、检测、信号处理电路集成在一块芯片上能够减小信号传输损耗，降低电路噪声，抑制电路寄生电容的干扰，能够实现高信噪比，提高测量精度，也能有效减小功耗和体积。国外采用表面工艺已经成功将电路与MEMS结构集成到单芯片上，但表面工艺质量块厚度小，薄膜应力大、牺牲层结构释放困难，很难满足高性能惯性传感器的要求。体硅MEMS工艺质量块大，结构深宽比高，能够实现高性能的MEMS传感器，但体娃MEMS工艺与CMOS工艺集成困难，国际上尚没有成熟的体娃MEMS与电路的单芯片集成方案。
[0003]专利申请号为:200410049792.8的专利“一种将CMOS电路与体娃MEMS单片集成的方法”，在采用Post-CMOS技术的同时又采用了体硅MEMS工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了MEMS传感器的灵敏度，对MEMS集成的发展和产业化具有重要的意义。但是采用上述方法，MEMS结构跟电路的隔离比较困难，且MEMS结构区厚度均匀性很难控制。
[0004]专利申请号为201210110743.5的专利“一种SOI MEMS单片集成结构”，该方法同样采用Post-CMOS技术和体娃MEMS工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，但是该方法MEMS结构跟电路采用空气隔离槽进行电气隔离，隔离槽的加工也比较困难。
[0005]以上两种方法所制作的电路跟采用普通单晶硅片制作的电路相同，不能利用S0I材料在电路中的抗辐射、低功耗、耐高温等优点。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种一种基于五层S0I硅片的MEMS单片集成结构满足了高性能惯性MEMS传感器的要求。
[0007]一种基于五层S0I硅片的MEMS单片集成结构，所述五层S0I硅片包括电路层、结构层、衬底层、位于电路层和结构层之间的第二绝缘层以及位于结构层和衬底层之间的第一绝缘层，其特征在于，所述集成结构包括:
[0008]在S0I硅片电路层上采用标准的SOICMOS工艺制作的集成电路；
[0009]在S0I硅片电路层上淀积的钝化层；
[0010]在S0I硅片衬底层表面光刻形成掩膜并且S0I硅片衬底层后暴露出的S0I硅片中的第一绝缘层；
[0011 ]刻蚀SOI硅片电路层的硅暴露出的第二绝缘层和结构层
[0012]在SOI硅片电路层表面以及暴露出的结构层表面光刻，溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到MEMS结构区与集成电路之间的金属连线；
[0013]在SOI硅片电路层表面以及暴露出的结构层表面光刻，定义MEMS结构图形，采用DRIE各向异性刻蚀，刻蚀结构层得到的MEMS结构。
[0014]优选地，所述第二绝缘层和第一绝缘层中包含二氧化硅。
[0015]本实用新型的技术方案具有以下有益效果:
[0016]本实用新型提出的一种基于五层SOI硅片的MEMS单片集成结构，综合了表面Post-CM0S和体娃MEMS加工的优点，在采用Post-CMOS技术的同时又采用了体娃MEMS工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了 MEMS传感器的灵敏度;利用绝缘层作为刻蚀自停止层，能克服现有技术MEMS结构区厚度均匀性难控制的缺点，使得MEMS结构区厚度均与性好;利用两层之间的绝缘层，方便电路区跟MEMS结构区的电气隔离;利用单独的一层制作电路，该层的结构参数能够满足SOI CMOS集成电路的制作要求，从而能够利用S0I材料在电路中的抗辐射、低功耗、耐高温等优点。总之，利用该技术可以克服当前MEMS单片集成技术中电路跟MEMS结构电气隔离的困难，可以利用S0I材料在电路中抗辐射、耐高温等优点，且能够采用体硅工艺，得到厚的单晶硅结构层，满足高性能惯性MEMS传感器的要求。
【附图说明】
[0017]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
[0018]图1为本实用新型一种基于五层S0I的MEMS单片集成结构中所采用的五层S0I材料的纵向结构示意图；
[0019]图2a_2f为本实用新型的加工流程示意图。
[0020]附图标记说明:1_电路层2-第二绝缘层3-结构层4-第一绝缘层5-衬底层6_集成电路7-钝化层8-金属连线9-MEMS结构。
【具体实施方式】
[0021]为了清楚了解本实用新型的技术方案，将在下面的描述中提出其详细的结构。显然，本实用新型实施例的具体施行并不足限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本实用新型的优选实施例详细描述如下，除详细描述的这些实施例外，还可以具有其他实施方式。
[0022]下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。
[0023]本实施例所采用的材料为五层S0I硅片，电路层1厚度200nm，N型硅，电阻率5?8 Ω /cm；电路层1跟结构层3之间的绝缘层2厚度500nm;结构层厚度60μηι，电阻率0.01?0.1 Ω /cm，〈110>晶向；结构层3跟衬底层5之间的绝缘层4厚度Ιμπι;衬底层4厚度300微米，N型硅。
[0024]该单片集成结构，其结构制作过程如下:
[0025](1)利用五层S0I硅片，在硅片电路层上采用标准的SOI CMOS工艺完成集成电路6的制作(如图2a所示)；
[0026](2)淀积钝化层7保护集成电路6部分，去掉MEMS结构区域的钝化层7(如图2b所示)；
[0027](3)在五层SOI硅片衬底层5表面光刻形成掩膜，刻蚀衬底层硅，直至暴露出SOI硅片中的绝缘层4，并刻蚀掉暴露出来的绝缘层4(如图2c所示)；
[0028](4)在SOI硅片电路层1表面上光刻，刻蚀电路层1的硅以及暴露出的绝缘层2，暴露出结构层3，得到MEMS结构区(如图2d所示)；
[0029](5)制作集成电路6与MEMS结构9之间的金属连线(如图2e所示):
[0030](a)溅射500 A钛和8000 A铝；
[0031](b)光刻定义出金属连线图形；
[0032](c)RIE(反应离子刻蚀)刻蚀或湿法腐蚀8000 A铝和500 A钛，去掉光刻胶，得到集成电路6与MEMS结构9之间的金属连线8 ；
[0033](6)在五层SOI硅片电路层1表面以及暴露出的结构层3表面光刻，定义MEMS结构图形，采用DRIE各向异性刻蚀，刻蚀结构层3，得到MEMS结构9(如图2f所示)；
[0034](7)裂片、封装、测试。
[0035]步骤S1中的五层SOI硅片包括电路层1、结构层3、衬底层5、位于电路层1和结构层3之间的第二绝缘层2以及位于结构层3和衬底层5之间的第一绝缘层4，且电路层1中单晶硅层较薄，用于制作SOI CMOS集成电路;第二绝缘层2和第一绝缘层4中包含二氧化硅。
[0036]上述实施例中，原始材料采用五层S0I硅片，硅片各层参数可以根据需要调整。溅射钛和铝的厚度也可以根据需要调整。
[0037]本实用新型提出的一种基于五层S0I硅片的MEMS单片集成结构，综合了表面Post-CM0S和体娃MEMS加工的优点，在采用Post-CMOS技术的同时又采用了体娃MEMS工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了 MEMS传感器的灵敏度;利用绝缘层作为刻蚀自停止层，能克服现有技术MEMS结构区厚度均匀性难控制的缺点，使得MEMS结构区厚度均与性好;利用两层之间的绝缘层，方便电路区跟MEMS结构区的电气隔离;利用单独的一层制作电路，该层的结构参数能够满足SOI CMOS集成电路的制作要求，从而能够利用S0I材料在电路中的抗辐射、低功耗、耐高温等优点。总之，利用该技术可以克服当前MEMS单片集成技术中电路跟MEMS结构电气隔离的困难，可以利用S0I材料在电路中抗辐射、耐高温等优点，且能够采用体硅工艺，得到厚的单晶硅结构层，满足高性能惯性MEMS传感器的要求。
[0038]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于五层SOI硅片的MEMS单片集成结构，所述五层SOI硅片包括电路层(1)、结构层(3)、衬底层(5)、位于电路层(1)和结构层(3)之间的第二绝缘层(2)以及位于结构层(3)和衬底层(5)之间的第一绝缘层(4)，其特征在于，所述集成结构包括: 在SOI硅片电路层(1)上采用标准的SOI CMOS工艺制作的集成电路(6); 在SOI硅片电路层(1)上淀积的钝化层(7); 在SOI硅片衬底层(5)表面光刻形成掩膜并且SOI硅片衬底层(5)后暴露出的SOI硅片中的第一绝缘层(4); 刻蚀SOI硅片电路层(1)的硅暴露出的第二绝缘层(2 )和结构层(3 ) 在SOI硅片电路层(1)表面以及暴露出的结构层(3)表面光刻，溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到MEMS结构区与集成电路之间的金属连线(8); 在SOI硅片电路层(1)表面以及暴露出的结构层(3 )表面光刻，定义MEMS结构图形，采用DRIE各向异性刻蚀，刻蚀结构层(3)得到的MEMS结构(9)。2.根据权利1所述的基于五层SOI硅片的MEMS单片集成结构，其特征在于，所述第二绝缘层(2)和第一绝缘层(4)包含二氧化硅。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于五层SOI的MEMS单片集成结构，包括：在硅片上采用标准的SOI？CMOS工艺完成集成电路部分的制作；在硅片上淀积钝化层保护集成电路部分；在硅片背面光刻，刻蚀背面硅至绝缘层，并刻蚀暴露出的绝缘层；在硅片正面光刻，刻蚀掉MEMS结构区上面的硅以及绝缘层，暴露出结构层；在硅片正面溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到MEMS结构与集成电路之间的金属连线；在硅片正面光刻，刻蚀得到MEMS结构；裂片、封装、测试。采用本实用新型的方法，能够克服当前MEMS单片集成技术中集成电路跟MEMS结构电气隔离的困难，且能够采用体硅工艺，得到厚的单晶硅结构层，满足高性能惯性MEMS传感器的要求。
【IPC分类】B81B7/00, B81C1/00, B81B7/02
【公开号】CN205115036
【申请号】CN201520899037
【发明人】张照云, 唐彬, 苏伟, 陈颖慧, 彭勃, 高扬, 熊壮
【申请人】中国工程物理研究院电子工程研究所
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月12日
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微电子机械系统微加工技术领域，特别涉及一种五层绝缘体上的石圭(Silicon on insulator，SOI)微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems,MEMS)的单片集成结构。
【背景技术】
[0002]近几年，MEMS技术得到了快速的发展，在很多领域都具有广阔的应用空间。将MEMS结构与驱动、检测、信号处理电路集成在一块芯片上能够减小信号传输损耗，降低电路噪声，抑制电路寄生电容的干扰，能够实现高信噪比，提高测量精度，也能有效减小功耗和体积。国外采用表面工艺已经成功将电路与MEMS结构集成到单芯片上，但表面工艺质量块厚度小，薄膜应力大、牺牲层结构释放困难，很难满足高性能惯性传感器的要求。体硅MEMS工艺质量块大，结构深宽比高，能够实现高性能的MEMS传感器，但体娃MEMS工艺与CMOS工艺集成困难，国际上尚没有成熟的体娃MEMS与电路的单芯片集成方案。
[0003]专利申请号为:200410049792.8的专利“一种将CMOS电路与体娃MEMS单片集成的方法”，在采用Post-CMOS技术的同时又采用了体硅MEMS工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了MEMS传感器的灵敏度，对MEMS集成的发展和产业化具有重要的意义。但是采用上述方法，MEMS结构跟电路的隔离比较困难，且MEMS结构区厚度均匀性很难控制。
[0004]专利申请号为201210110743.5的专利“一种SOI MEMS单片集成结构”，该方法同样采用Post-CMOS技术和体娃MEMS工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，但是该方法MEMS结构跟电路采用空气隔离槽进行电气隔离，隔离槽的加工也比较困难。
[0005]以上两种方法所制作的电路跟采用普通单晶硅片制作的电路相同，不能利用S0I材料在电路中的抗辐射、低功耗、耐高温等优点。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种一种基于五层S0I硅片的MEMS单片集成结构满足了高性能惯性MEMS传感器的要求。
[0007]一种基于五层S0I硅片的MEMS单片集成结构，所述五层S0I硅片包括电路层、结构层、衬底层、位于电路层和结构层之间的第二绝缘层以及位于结构层和衬底层之间的第一绝缘层，其特征在于，所述集成结构包括:
[0008]在S0I硅片电路层上采用标准的SOICMOS工艺制作的集成电路；
[0009]在S0I硅片电路层上淀积的钝化层；
[0010]在S0I硅片衬底层表面光刻形成掩膜并且S0I硅片衬底层后暴露出的S0I硅片中的第一绝缘层；
[0011 ]刻蚀SOI硅片电路层的硅暴露出的第二绝缘层和结构层
[0012]在SOI硅片电路层表面以及暴露出的结构层表面光刻，溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到MEMS结构区与集成电路之间的金属连线；
[0013]在SOI硅片电路层表面以及暴露出的结构层表面光刻，定义MEMS结构图形，采用DRIE各向异性刻蚀，刻蚀结构层得到的MEMS结构。
[0014]优选地，所述第二绝缘层和第一绝缘层中包含二氧化硅。
[0015]本实用新型的技术方案具有以下有益效果:
[0016]本实用新型提出的一种基于五层SOI硅片的MEMS单片集成结构，综合了表面Post-CM0S和体娃MEMS加工的优点，在采用Post-CMOS技术的同时又采用了体娃MEMS工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了 MEMS传感器的灵敏度;利用绝缘层作为刻蚀自停止层，能克服现有技术MEMS结构区厚度均匀性难控制的缺点，使得MEMS结构区厚度均与性好;利用两层之间的绝缘层，方便电路区跟MEMS结构区的电气隔离;利用单独的一层制作电路，该层的结构参数能够满足SOI CMOS集成电路的制作要求，从而能够利用S0I材料在电路中的抗辐射、低功耗、耐高温等优点。总之，利用该技术可以克服当前MEMS单片集成技术中电路跟MEMS结构电气隔离的困难，可以利用S0I材料在电路中抗辐射、耐高温等优点，且能够采用体硅工艺，得到厚的单晶硅结构层，满足高性能惯性MEMS传感器的要求。
【附图说明】
[0017]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
[0018]图1为本实用新型一种基于五层S0I的MEMS单片集成结构中所采用的五层S0I材料的纵向结构示意图；
[0019]图2a_2f为本实用新型的加工流程示意图。
[0020]附图标记说明:1_电路层2-第二绝缘层3-结构层4-第一绝缘层5-衬底层6_集成电路7-钝化层8-金属连线9-MEMS结构。
【具体实施方式】
[0021]为了清楚了解本实用新型的技术方案，将在下面的描述中提出其详细的结构。显然，本实用新型实施例的具体施行并不足限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本实用新型的优选实施例详细描述如下，除详细描述的这些实施例外，还可以具有其他实施方式。
[0022]下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。
[0023]本实施例所采用的材料为五层S0I硅片，电路层1厚度200nm，N型硅，电阻率5?8 Ω /cm；电路层1跟结构层3之间的绝缘层2厚度500nm;结构层厚度60μηι，电阻率0.01?0.1 Ω /cm，〈110>晶向；结构层3跟衬底层5之间的绝缘层4厚度Ιμπι;衬底层4厚度300微米，N型硅。
[0024]该单片集成结构，其结构制作过程如下:
[0025](1)利用五层S0I硅片，在硅片电路层上采用标准的SOI CMOS工艺完成集成电路6的制作(如图2a所示)；
[0026](2)淀积钝化层7保护集成电路6部分，去掉MEMS结构区域的钝化层7(如图2b所示)；
[0027](3)在五层SOI硅片衬底层5表面光刻形成掩膜，刻蚀衬底层硅，直至暴露出SOI硅片中的绝缘层4，并刻蚀掉暴露出来的绝缘层4(如图2c所示)；
[0028](4)在SOI硅片电路层1表面上光刻，刻蚀电路层1的硅以及暴露出的绝缘层2，暴露出结构层3，得到MEMS结构区(如图2d所示)；
[0029](5)制作集成电路6与MEMS结构9之间的金属连线(如图2e所示):
[0030](a)溅射500 A钛和8000 A铝；
[0031](b)光刻定义出金属连线图形；
[0032](c)RIE(反应离子刻蚀)刻蚀或湿法腐蚀8000 A铝和500 A钛，去掉光刻胶，得到集成电路6与MEMS结构9之间的金属连线8 ；
[0033](6)在五层SOI硅片电路层1表面以及暴露出的结构层3表面光刻，定义MEMS结构图形，采用DRIE各向异性刻蚀，刻蚀结构层3，得到MEMS结构9(如图2f所示)；
[0034](7)裂片、封装、测试。
[0035]步骤S1中的五层SOI硅片包括电路层1、结构层3、衬底层5、位于电路层1和结构层3之间的第二绝缘层2以及位于结构层3和衬底层5之间的第一绝缘层4，且电路层1中单晶硅层较薄，用于制作SOI CMOS集成电路;第二绝缘层2和第一绝缘层4中包含二氧化硅。
[0036]上述实施例中，原始材料采用五层S0I硅片，硅片各层参数可以根据需要调整。溅射钛和铝的厚度也可以根据需要调整。
[0037]本实用新型提出的一种基于五层S0I硅片的MEMS单片集成结构，综合了表面Post-CM0S和体娃MEMS加工的优点，在采用Post-CMOS技术的同时又采用了体娃MEMS工艺，能制作出较大的质量块和高的结构深宽比，而且可以采用单晶硅作为MEMS结构材料，减少了结构中的应力问题，增加了电容式传感器的惯性质量和检测电容，从而提高了 MEMS传感器的灵敏度;利用绝缘层作为刻蚀自停止层，能克服现有技术MEMS结构区厚度均匀性难控制的缺点，使得MEMS结构区厚度均与性好;利用两层之间的绝缘层，方便电路区跟MEMS结构区的电气隔离;利用单独的一层制作电路，该层的结构参数能够满足SOI CMOS集成电路的制作要求，从而能够利用S0I材料在电路中的抗辐射、低功耗、耐高温等优点。总之，利用该技术可以克服当前MEMS单片集成技术中电路跟MEMS结构电气隔离的困难，可以利用S0I材料在电路中抗辐射、耐高温等优点，且能够采用体硅工艺，得到厚的单晶硅结构层，满足高性能惯性MEMS传感器的要求。
[0038]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于五层SOI硅片的MEMS单片集成结构，所述五层SOI硅片包括电路层(1)、结构层(3)、衬底层(5)、位于电路层(1)和结构层(3)之间的第二绝缘层(2)以及位于结构层(3)和衬底层(5)之间的第一绝缘层(4)，其特征在于，所述集成结构包括: 在SOI硅片电路层(1)上采用标准的SOI CMOS工艺制作的集成电路(6); 在SOI硅片电路层(1)上淀积的钝化层(7); 在SOI硅片衬底层(5)表面光刻形成掩膜并且SOI硅片衬底层(5)后暴露出的SOI硅片中的第一绝缘层(4); 刻蚀SOI硅片电路层(1)的硅暴露出的第二绝缘层(2 )和结构层(3 ) 在SOI硅片电路层(1)表面以及暴露出的结构层(3)表面光刻，溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到MEMS结构区与集成电路之间的金属连线(8); 在SOI硅片电路层(1)表面以及暴露出的结构层(3 )表面光刻，定义MEMS结构图形，采用DRIE各向异性刻蚀，刻蚀结构层(3)得到的MEMS结构(9)。2.根据权利1所述的基于五层SOI硅片的MEMS单片集成结构，其特征在于，所述第二绝缘层(2)和第一绝缘层(4)包含二氧化硅。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于五层SOI的MEMS单片集成结构，包括：在硅片上采用标准的SOI？CMOS工艺完成集成电路部分的制作；在硅片上淀积钝化层保护集成电路部分；在硅片背面光刻，刻蚀背面硅至绝缘层，并刻蚀暴露出的绝缘层；在硅片正面光刻，刻蚀掉MEMS结构区上面的硅以及绝缘层，暴露出结构层；在硅片正面溅射钛层和铝层，光刻腐蚀得到MEMS结构与集成电路之间的金属连线；在硅片正面光刻，刻蚀得到MEMS结构；裂片、封装、测试。采用本实用新型的方法，能够克服当前MEMS单片集成技术中集成电路跟MEMS结构电气隔离的困难，且能够采用体硅工艺，得到厚的单晶硅结构层，满足高性能惯性MEMS传感器的要求。
【IPC分类】B81B7/00, B81C1/00, B81B7/02
【公开号】CN205115036
【申请号】CN201520899037
【发明人】张照云, 唐彬, 苏伟, 陈颖慧, 彭勃, 高扬, 熊壮
【申请人】中国工程物理研究院电子工程研究所
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月12日
再多了解一些
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