專利名稱：Mems熱膜傳感器和ic電路單片集成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS-IC集成制造技術(shù)，尤其是一種將MEMS熱膜傳感器和IC調(diào) 理電路實現(xiàn)單片集成制造的方法。
背景技術(shù)：
IC(Integrated Circuit,即集成電路)工藝是制造集成電路的工藝，用于形成處 理信號、發(fā)出指令的電路功能單元；MEMS(Micro ElectromechanicalSystem，即微電子機械 系統(tǒng))是利用半導(dǎo)體工藝來制造整合機械及電子元件，達到系統(tǒng)微小化的目的，這兩大制 造技術(shù)在當今科學(xué)發(fā)展中的作用日趨重要。用MEMS技術(shù)制造的微型化、高性能的傳感器 必須同電路結(jié)合，使傳感器感知的各種信號經(jīng)電路處理放大才能發(fā)揮作用，因此實現(xiàn)IC和 MEMS技術(shù)的結(jié)合至關(guān)重要。 MEMS工藝是在IC制造工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，但是與IC制造工藝又有很大的 不同，兩者之間并不兼容，工藝繁雜，一般都需要50 60道工藝才能夠完成一個基本的運 放的制備。MEMS工藝多種多樣，難有標準化可言。因此如何把兩套差別很大的工藝集成在 一起，制造出單片集成的功能單元，就需要綜合各方面因素進行詳細的考慮。
對于MEMS熱膜傳感器同IC的單片集成技術(shù)中主要存在的主要問題是在制造 傳感器的MEMS工藝過程中要沉積低應(yīng)力氮化硅薄膜作為傳感器的支撐膜，此工藝過程同 IC工藝過程不兼容，主要是因為IC工藝前期要有高溫工藝，后期又要求不能經(jīng)受太高的溫 度，而傳感器的低應(yīng)力氮化硅薄膜所需溫度正好處于上述兩個溫度的中間態(tài)，使制造過程 困難。另外，由于兩種工藝的溫度不兼容，必然要求先做高溫工藝后作低溫工藝，由于氮化 硅溫度處于中間，必然在磷硅玻璃(PSG)淀積和回流工藝前完成，而在電路區(qū)為避免過厚 的介質(zhì)層需要刻蝕掉氮化硅，這樣會造成一個lym以上的臺階，這個臺階會造成后續(xù)光刻 工藝不處于一個平面，光刻的光的衍射現(xiàn)象造成質(zhì)量降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種MEMS熱膜傳感器和IC單片集成制造方法，
以解決MEMS工藝過程中低應(yīng)力氮化硅薄膜的生長同IC工藝不兼容的問題。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種MEMS熱膜傳感器和IC電
路單片集成的方法，本方法基于MEMS體硅加工工藝和IC單片制造工藝，其特征在于包括以
下步驟 1)按照預(yù)先設(shè)計在同一硅片劃分出IC電路區(qū)和MEMS熱膜傳感器區(qū)域；
2)在IC電路區(qū)進行IC電路制作中的實施前期高溫工藝步驟；
3)在MEMS熱膜傳感器區(qū)域淀積氮化硅薄膜，制備傳感器支撐膜；
4)在整個硅片上淀積磷硅玻璃，升溫回流平整化晶圓表面；
5)進而同步制備傳感器區(qū)電路和IC電路；
6)沉積保護層，并刻蝕釋放結(jié)構(gòu)。
采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于將低應(yīng)力氮化硅薄膜生長同IC工藝 中的PSG淀積結(jié)合起來，先淀積氮化硅薄膜，再把IC電路區(qū)的氮化硅薄膜刻蝕后淀積形成 PSG，利用它的流動性升溫使其回流填平臺階，使晶圓表面平坦化，由于本發(fā)明中所使用的 PSG回流溫度同淀積氮化硅薄膜工藝溫度接近，解決了兩種工藝的兼容性問題，消除了臺階 對后續(xù)加工工藝的影響。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
圖1是一般熱膜傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是用本發(fā)明提供的方法制備的MEMS熱膜傳感器與IC電路單片集成的結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖1中，21加熱器，22溫度檢測器； 圖2中，l硅片，2氧化硅，3N阱，4氧化硅、氮化硅層，5柵氧，6多晶硅，7N+區(qū)， 8N—區(qū)，9 +區(qū)，10P—區(qū)，11氮化硅薄膜，12磷硅玻璃，13Pt金屬層，14第一層金屬布線，15氧 化硅，16第二層金屬布線，17氮化硅保護層，18焊盤，19傳感器背腔，20隔熱槽
具體實施例方式
圖1為一般的熱膜傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括加熱器21和溫度檢測器22，其工作 原理為驅(qū)動電路采用閉環(huán)形式控制加熱器21中的加熱絲的溫度，氣體的流動將產(chǎn)生溫度 差，從而在溫度檢測器22中的溫敏電阻處產(chǎn)生了阻值的變化，在溫敏電阻構(gòu)成的全橋結(jié)構(gòu) 內(nèi)部產(chǎn)生了電壓差，通常經(jīng)過差分輸入和信號放大后以電壓形式被放大輸出，處理后進入 控制系統(tǒng)。 圖2為用本發(fā)明提供的方法制備的MEMS熱膜傳感器與IC電路單片集成的結(jié)構(gòu)示 意圖?；谝话銦崮鞲衅鞯幕竟ぷ髟?，本發(fā)明采用Pt作為加熱絲和溫敏電阻的構(gòu)成 材料，這是因為鉑材料具有非常穩(wěn)定的溫度特性和性能穩(wěn)定性，因此既可以作為加熱絲，又 可以作為溫度檢測器中的溫敏電阻。Pt加熱絲和溫敏電阻布置在利用MEMS體硅工藝加工 出的作為支撐膜結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力氮化硅薄膜上，低應(yīng)力氮化硅薄膜周圍腐蝕釋放出空腔，便 于氣體流動。 下面結(jié)合圖2對本發(fā)明進行具體實施方式
說明。 本方法基于MEMS體硅加工工藝和IC單片制造工藝，包括以下步驟 1)按照預(yù)先設(shè)計在同一硅片劃分出IC電路區(qū)和MEMS熱膜傳感器區(qū)域， 2)在IC電路區(qū)進行IC電路制作中的實施前期高溫工藝步驟； 3)在MEMS熱膜傳感器區(qū)域淀積氮化硅薄膜11 ，制備傳感器支撐膜； 4)在整個硅片上淀積磷硅玻璃12，升溫回流平整化晶圓表面； 5)進而同步制備傳感器區(qū)電路和IC電路； 6)沉積保護層，并刻蝕釋放結(jié)構(gòu)。 以上方法所述步驟2)中包括以下具體工序 1)材料準備，清洗，拋光，淀積氧化硅和氮化硅層，光刻腐蝕形成隔離區(qū)，氧化形成 氧化硅2隔離層；
2)刻蝕氮化硅和氧化硅層，在襯底上光刻、離子注入形成N阱3，并進行退火處 理； 3)生長薄膜氧化硅層和氮化硅層4，光刻形成有源區(qū)窗口 ；
4)刻蝕氮化硅、氧化硅層4 ，生長柵氧5 ; 5)沉積多晶硅6并摻雜，刻蝕多晶硅6形成柵圖形，并進行側(cè)墻氧化； 6)光刻顯影，對N+區(qū)7域進行離子注入，N+區(qū)7與側(cè)墻氧化物完全對齊，刻蝕側(cè)墻
氧化物，對N—區(qū)8進行輕摻雜，N—區(qū)8與多晶硅柵對齊； 7)光刻顯影，對P+區(qū)9域進行離子注入，P+區(qū)9與側(cè)墻氧化物完全對齊，刻蝕側(cè)墻 氧化物，對P—區(qū)10進行輕摻雜，P—區(qū)10與多晶硅柵對齊；
8)沉積氧化硅層，并退火處理。 以上方法所述步驟3)的淀積氮化硅薄層11的溫度為70(TC 90(TC，厚度為 0. 8 ii m 2 ii m。 以上方法所述的磷硅玻璃12的回流溫度和步驟3)中所述沉積氮化硅薄層所用溫 度相近，回流溫度為80(TC。 以上方法所述步驟5)制備傳感器區(qū)電路和IC電路包括以下具體步驟
1)電子束蒸發(fā)Pt金屬層13，形成Pt金屬層13電阻，并退火處理；
2)濺射、光刻、電鍍多層金屬膜形成第一層金屬布線14 ;
3)淀積氧化硅15 ; 4)濺射、光刻、電鍍多層金屬膜形成第二層金屬布線16 ;
5)淀積氮化硅保護層17 ;
6)濺射、光刻、電鍍形成焊盤18。 以上方法所述步驟6)所述的沉積保護層并刻蝕釋放結(jié)構(gòu)包括以下具體步驟 1)淀積氧化硅保護層和濺射金屬保護層； 2)雙面光刻，背面刻蝕形成傳感器背腔19和隔熱槽20 ; 3)刻蝕保護層，釋放結(jié)構(gòu)。 進一步可以總結(jié)成為以下完整工序 1)準備材料選擇P型〈100〉晶向的硅片1 ，硅片厚度300 ii m 1000 ii m，電阻率 為3 Q cm 20 Q cm，單面或者雙面拋光； 2)用RCA清洗和HF清洗液對晶片表面進行清洗，當然清洗方法不限，可以采用半 導(dǎo)體工藝中達到MOS級別的任何清洗方法； 3)熱生長氧化硅層用干氧_濕氧_干氧氧化法在IIO(TC下制備氧化硅層，氧化 硅層的厚度為500埃 6000埃； 4)用低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)淀積氮化硅層，氮化硅層的厚度為1000埃 8000埃； 5)采用常規(guī)工藝進行光刻，刻蝕氧化硅和氮化硅掩膜層，用RIE刻蝕工藝刻蝕硅 層，深度為小于lPm，形成臺階； 6)高壓水汽氧化生長厚的氧化硅2，厚度為1. 5倍刻蝕深度，以1. 5 ii m為例，在有 源區(qū)之間形成隔離區(qū)； 7)用熱磷酸完全腐蝕氮化硅，去除干凈；用HF去除氧化硅；在9Q(TC IIO(TC下干氧生長一層犧牲氧化硅層，在生長柵氧5前將其漂去，以消除可能在有源區(qū)上殘留的氮 氧化物； 8)光刻N阱區(qū)； 9)從表面注入濃度為3X1016cm—3，2iim深的磷形成N阱3，并在1000°C 1100°C 下，氮氣氣氛中進行退火處理； 10)用熱氧化法淀積薄氧化硅層，生長溫度為900°C IIO(TC，淀積厚度為1000 埃； 11)用LPCVD淀積氮化硅層，厚度為1500埃，形成氧化硅、氮化硅層4 ; 12)光刻形成有源區(qū)窗口后，采用氧化或者淀積方法生長柵氧5，溫度為85(TC，厚
度200埃-800埃；用低壓化學(xué)氣相沉積法淀積多晶硅6，溫度為600°C 700°C ，厚度約2000
埃 8000埃，并擴散摻磷，方塊電阻為20 Q / □; 13)刻蝕多晶硅6和柵氧5，形成柵圖形，進行側(cè)墻氧化； 14)光刻N+區(qū)7后進行磷離子注入，表面磷離子濃度為1018cm—3 102°cm—3，形成的 N+區(qū)7與側(cè)墻氧化物完全對齊； 15)去除N區(qū)側(cè)墻氧化物，用自對準工藝進行N—區(qū)8磷離子輕摻雜，表面濃度 1017cm—3 1019cm—3，形成的N—區(qū)8與多晶硅柵對齊； 16)光刻P+區(qū)9后進行硼離子注入，表面硼離子濃度為1018cm—3 102°cm—3，形成的 P+區(qū)9與側(cè)墻氧化物完全對齊； 17)去除P區(qū)側(cè)墻氧化物，用自對準工藝進行P—區(qū)IO硼離子輕摻雜，表面濃度 1017cm—3 1019cm—3，形成的P—區(qū)10與多晶硅柵對齊； 18)用PECVD或者LPCVD沉積無摻雜氧化層，厚度為500埃 3000埃，用于保護元 件，并在氮氣氣氛下進行退火處理； 19)用LPCVD法沉積氮化硅薄膜ll，沉積溫度為700°C 90(TC厚度為0. 8 y m 2ym，刻蝕電路區(qū)氮化硅薄膜ll，形成傳感器支撐膜； 20)用PECVD或者LPCVD方法沉積磷硅玻璃12 (PSG) ， 800°C回流使晶圓表面平坦 化，并刻蝕IC電路區(qū)PSG形成金屬接觸孔，腐蝕掉傳感器區(qū)的PSG ; 21)對傳感器區(qū)進行光刻，電子束蒸發(fā)沉積Pt金屬層13，厚度為1000埃 10000 埃，刻蝕剝離形成Pt金屬層電阻，在真空條件下500°C 80(TC進行退火處理；
22)磁控濺射多層金屬膜，優(yōu)選金屬膜為Ti-W-Pt-Au，厚度分別為200埃-300 埃-500埃-1100埃，光刻金屬膜，電鍍一層金，金的厚度為0.5iim 1.5iim以內(nèi)，離子刻 蝕形成第一層金屬布線14 ; 23)用PECVD法淀積氧化硅15，形成隔離層，厚度為1 y m 2 y m，通過光刻、刻蝕 形成通孔； 24)磁控濺射多層金屬膜，優(yōu)選金屬膜為Ti-W-Pt-Au，厚度分別為200埃-300 埃-500埃-1100埃，光刻金屬膜，電鍍一層金，金的厚度為0. 5 ii m 1. 5 ii m，離子刻蝕形成 第二層金屬布線16，完成傳感器區(qū)電路布線，實現(xiàn)電橋的連接； 25)用PECVD法在整個晶圓表面沉積氮化硅保護層17，厚度為1 y m 2 y m，形成
鈍化保護層，使晶圓免受化學(xué)腐蝕和刮擦，光刻、刻蝕氮化硅形成焊盤區(qū)通孔； 26)通過濺射、光刻、電鍍實現(xiàn)傳感器和IC電路的互聯(lián)，形成最終的引出焊盤18，傳感器留出加電端口，電路留出輸出端口 ； 27)雙面淀積腐蝕保護層用PECVD法或者濺射生長氧化硅1 y m 5 y m，磁控濺 射NiCr，厚度至少為1500埃以上； 28)雙面光刻，刻蝕保護層NiCr和氧化硅，TMAH法腐蝕硅，深度到達正面的氮化硅 薄膜處，形成傳感器背腔19和隔離槽20 ; 29)腐蝕正面保護層NiCr和氧化硅，在異丙醇中浸泡，IO(TC熱板或者烘箱釋放薄
膜結(jié)構(gòu)。 其中，清洗，光刻(包括常規(guī)的涂膠、預(yù)烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕等常規(guī)工序)，沉 積，刻蝕，濺射，電鍍?yōu)楸绢I(lǐng)域人員所熟知的工藝，在此不再作具體說明。
權(quán)利要求
一種MEMS熱膜傳感器和IC電路單片集成的方法，本方法基于MEMS體硅加工工藝和IC單片制造工藝，其特征在于包括以下步驟1)按照預(yù)先設(shè)計在同一硅片劃分出IC電路區(qū)和MEMS熱膜傳感器區(qū)域；2)在IC電路區(qū)進行IC電路制作中的實施前期高溫工藝步驟；3)在MEMS熱膜傳感器區(qū)域淀積氮化硅薄膜(11)，制備傳感器支撐膜；4)在整個硅片上淀積磷硅玻璃(12)，升溫回流平整化晶圓表面；5)進而同步制備傳感器區(qū)電路和IC電路；6)沉積保護層，并刻蝕釋放結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS熱膜傳感器和IC電路單片集成的方法，其特征在于所 述的步驟2)中包括以下具體工序1) 材料準備，清洗，拋光，淀積氧化硅和氮化硅層，光刻腐蝕形成隔離區(qū)，氧化形成氧化硅(2)隔離層;2) 刻蝕氮化硅和氧化硅層，在襯底上光刻、離子注入形成N阱(3)，并進行退火處理；3) 生長薄膜氧化硅層和氮化硅層(4)，光刻形成有源區(qū)窗口 ；4) 刻蝕氮化硅、氧化硅層(4)，生長柵氧(5);5) 沉積多晶硅(6)并摻雜，刻蝕多晶硅(6)形成柵圖形，并進行側(cè)墻氧化；6) 光刻顯影，對N+區(qū)(7)域進行離子注入，N+區(qū)(7)與側(cè)墻氧化物完全對齊，刻蝕側(cè)墻 氧化物，對N—區(qū)(8)進行輕摻雜，N—區(qū)(8)與多晶硅柵對齊；7) 光刻顯影，對P+區(qū)(9)域進行離子注入，P+區(qū)(9)與側(cè)墻氧化物完全對齊，刻蝕側(cè)墻 氧化物，對P—區(qū)(10)進行輕摻雜，P—區(qū)(10)與多晶硅柵對齊；8) 沉積氧化硅層，并退火處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS熱膜傳感器和IC電路單片集成的方法，其特征在于所 述步驟3)的淀積氮化硅薄膜(11)的溫度為700°C 900°C ，厚度為0. 8 ii m 2 ii m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS熱膜傳感器和IC電路單片集成的方法，其特征在于步 驟4)中所述的磷硅玻璃(12)的回流溫度和步驟3)中所述沉積氮化硅薄層ll所用溫度相 近，回流溫度為80(TC。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS熱膜傳感器和IC電路單片集成的方法，其特征在于步 驟5)中制備傳感器區(qū)電路和IC電路包括以下具體步驟1) 電子束蒸發(fā)Pt金屬層(13)，形成Pt金屬層(13)電阻，并退火處理；2) 濺射、光刻、電鍍多層金屬膜形成第一層金屬布線(14);3) 淀積氧化硅(15);4) 濺射、光刻、電鍍多層金屬膜形成第二層金屬布線(16);5) 淀積氮化硅保護層(17);6) 濺射、光刻、電鍍形成焊盤(18)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS熱膜傳感器和IC電路單片集成的方法，其特征在于步 驟6)中所述的沉積保護層并刻蝕釋放結(jié)構(gòu)包括以下具體步驟1) 淀積氧化硅保護層和濺射金屬保護層；2) 雙面光刻，背面刻蝕形成傳感器背腔(19)和隔熱槽(20);3) 刻蝕保護層，釋放結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MEMS熱膜傳感器和IC電路單片集成的方法，本方法中采用了MEMS體硅加工工藝和IC制造工藝，兩種工藝按照工藝溫度條件交叉進行加工。本方法包括以下步驟1)按照預(yù)先設(shè)計在同一硅片劃分出IC電路區(qū)和MEMS熱膜傳感器區(qū)域，2)在IC電路區(qū)進行IC電路制作中的實施前期高溫工藝步驟；3)在MEMS熱膜傳感器區(qū)域淀積氮化硅薄膜，制備傳感器支撐膜；4)在整個硅片上淀積磷硅玻璃，升溫回流平整化晶圓表面；5)進而同步制備傳感器區(qū)電路和IC電路；6)沉積保護層，并刻蝕釋放結(jié)構(gòu)。解決了兩種工藝的溫度不兼容性問題，解決了長期以來人們期望解決而沒有實現(xiàn)的。
文檔編號B81C1/00GK101723306SQ20091017540
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者何洪濤, 沈路 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所