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一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法

阅读：994发布：2020-06-10

专利汇可以提供一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，包括以下步骤：将SOI基片的器件层划分成集成电路区、MEMS结构区和隔离区。在集成电路区加工集成电路，设置跨过隔离区的电极。由SOI基片的衬底层一侧，依次去除与MEMS结构区和隔离区位置对应的衬底层和埋氧层，形成背腔。由背腔一侧，去除的隔离区处器件层的单晶硅，完成隔离槽的加工。对SOI基片的表面进行光刻，定义MEMS结构图形，对MEMS结构区上的介质层进行刻蚀，得到MEMS结构掩模。然后根据MEMS结构掩模，对器件层进行硅各向异性刻蚀，直至穿通器件层，完成MEMS结构的加工。本发明满足集成电路代工厂生产的前提条件，工艺难度较低，成品质量较高。，下面是一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，包括以下步骤：
1)选择基片：
选择包括单晶硅器件层、二氧化硅埋氧层和单晶硅衬底层的SOI基片；
2)加工集成电路：
按照设计要求将SOI基片的器件层划分成集成电路区、MEMS结构区和用于分隔集成电路区和MEMS结构区的隔离区；采用标准集成电路加工方法，在集成电路区加工集成电路，在集成电路区和MEMS结构区对应的硅结构之间设置跨过隔离区的电极；
3)制作背腔：
由SOI基片的衬底层一侧，依次去除与MEMS结构区和隔离区位置对应的衬底层和埋氧层，形成背腔；
4)制作隔离槽：
由背腔一侧，去除的隔离区处器件层的单晶硅，直至器件层表面的介质层停止，完成隔离槽的加工；
5)制作MEMS结构掩模：
对SOI基片10的表面进行光刻，定义MEMS结构图形，以及用于引出集成电路信号的金属焊盘图形；然后以光刻胶为掩模，对MEMS结构区30上的介质层14进行刻蚀，得到由介质层14构成的MEMS结构掩模31，同时去除金属焊盘上方的介质层；
6)制作MEMS结构：
对步骤5)得到的SOI基片表面，设置除MEMS结构区以外的保护层，然后根据MEMS结构掩模，对器件层进行硅各向异性刻蚀，直至穿通器件层，完成MEMS结构的加工；
7)去除MEMS结构掩模：
继续以保护层保护MEMS结构区以外的SOI基片表面，对MEMS结构区的介质层进行进一步刻蚀，去除MEMS结构掩模；然后去除保护层，完成MEMS器件的加工。
2.如权利要求1的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用干法刻蚀依次去除与MEMS结构区和隔离区位置对应的衬底层和埋氧层。
3.如权利要求1的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用湿法腐蚀工艺依次去除与MEMS结构区和隔离区位置对应的衬底层和埋氧层，且在腐蚀过程中采用抗腐蚀材料对器件层上的集成电路进行保护。
4.如权利要求1或2或3的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用先光刻再进行硅各向异性刻蚀的方法去除的隔离区处器件层的单晶硅。
5.如权利要求1或2或3的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用无掩模的激光加工方法去除的隔离区处器件层的单晶硅。
6.如权利要求1或2或3所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：对所述介质层的刻蚀，采用各向异性反应离子刻蚀法。
7.如权利要求4所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：对所述介质层的刻蚀，采用各向异性反应离子刻蚀法。
8.如权利要求5所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：对所述介质层的刻蚀，采用各向异性反应离子刻蚀法。
9.如权利要求1～8任一项所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤6)中采用光刻胶材料作保护层。
10.如权利要求1～8任一项所述的一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，其特征在于：所述步骤6)中采用聚对二甲苯材料作保护层。

说明书全文

一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种集成芯片加工方法，特别是关于一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法。

背景技术

[0002] 采用微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)技术实现的惯性传感器等电容式传感器具有体积小、重量轻、成本低等优点，在军事、汽车工业、消费类电子产品等领域有广泛的应用前景。受尺寸限制，MEMS传感器信号一般比较弱，容易受寄生电容等影响。将MEMS传感器表头结构与信号处理电路集成在同一芯片上，可以有效地降低寄生效应的不利影响，同时还可以减小器件体积和降低制造成本，是目前MEMS技术发展的重要方向之一。在同一芯片上完成集成电路和MEMS结构的加工，需要解决MEMS结构之间以及与集成电路之间的电气隔离和机械连接问题，同时还必须确保MEMS制造工艺与集成电路制造工艺彼此兼容。通过集成电路代工厂完成全部的集成电路加工可以确保电路质量并能降低制造成本。但在实际生产中，由于集成电路代工厂一般不接受已经经过加工的基片订单，因此需要在集成电路加工完成后进行MEMS结构加工。

[0003] 美国卡耐基梅隆大学发明了一种在单晶硅衬底上用空气隔离槽实现MEMS结构与集成电路之间电气隔离的集成加工方法，该方法中，MEMS工艺是在集成电路全部加工完成之后进行，满足了在集成电路代工厂制造生产的前提条件。但是这种方法也存在缺陷：在采用硅各向同性刻蚀法去除空气隔离槽中的单晶硅时，MEMS器件结构的一部分也会被横向刻蚀；另一方面，由氧化硅等介质材料和金属构成的悬空电极有较大的应力，会影响器件的可靠性。日本香川大学提出了一种在SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上硅)衬底上实现空气隔离槽和悬空电极的集成加工方法，MEMS工艺也是在集成电路全部加工完成后进行，且由于MEMS结构加工是在隔离槽制作完成后进行，从而避免了MEMS结构被横向刻蚀。但是在进行MEMS结构各向异性刻蚀的过程中，已经加工完成的隔离槽侧壁容易留有残留物，影响加工的成品率。另外，上述两种加工方法中，均需要采用硅各向同性刻蚀法完全去除横跨在隔离槽上的金属电极下的单晶硅才能确保MEMS结构与集成电路之间的有效隔离，这对刻蚀时间的控制有严格的要求，工艺控制的难度较高。

发明内容

[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种满足集成电路代工厂制造生产的前提条件，且工艺控制难度较低，成品质量较高的微机械结构与集成电路单片集成的加工方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种微机械结构与集成电路单片集成的加工方法，包括以下步骤：1)选择基片：选择包括单晶硅器件层、二氧化硅埋氧层和单晶硅衬底层的SOI基片；2)加工集成电路：按照设计要求将SOI基片的器件层划分成集成电路区、MEMS结构区和用于分隔集成电路区和MEMS结构区的隔离区；采用标准集成电路加工方法，在集成电路区加工集成电路，在集成电路区和MEMS结构区对应的硅结构之间设置跨过隔离区的电极；3)制作背腔：由SOI基片的衬底层一侧，依次去除与MEMS结构区和隔离区位置对应的衬底层和埋氧层，形成背腔；4)制作隔离槽：由背腔一侧，去除的隔离区处器件层的单晶硅，直至器件层表面的介质层停止，完成隔离槽的加工；5)制作MEMS结构掩模：对SOI基片10的表面进行光刻，定义MEMS结构图形，以及用于引出集成电路信号的金属焊盘图形；然后以光刻胶为掩模，对MEMS结构区30上的介质层14进行刻蚀，得到由介质层14构成的MEMS结构掩模31，同时去除金属焊盘上方的介质层；6)制作MEMS结构：对步骤5)得到的SOI基片表面，设置除MEMS结构区以外的保护层，然后根据MEMS结构掩模，对器件层进行硅各向异性刻蚀，直至穿通器件层，完成MEMS结构的加工；7)去除MEMS结构掩模：继续以保护层保护MEMS结构区以外的SOI基片表面，对MEMS结构区的介质层进行进一步刻蚀，去除MEMS结构掩模；然后去除保护层，完成MEMS器件的加工。

[0006] 上述步骤3)中，采用干法刻蚀依次去除与MEMS结构区和隔离区位置对应的衬底层和埋氧层。

[0007] 上述步骤3)中，采用湿法腐蚀工艺依次去除与MEMS结构区和隔离区位置对应的衬底层和埋氧层，且在腐蚀过程中采用抗腐蚀材料对器件层上的集成电路进行保护。

[0008] 上述步骤4)中，采用先光刻再进行硅各向异性刻蚀的方法去除的隔离区处器件层的单晶硅。

[0009] 上述步骤4)中，采用无掩模的激光加工方法去除的隔离区处器件层的单晶硅。

[0010] 对上述介质层的刻蚀，采用各向异性反应离子刻蚀法。

[0011] 上述步骤6)中，采用光刻胶材料作保护层。

[0012] 上述步骤6)中，采用聚对二甲苯材料作保护层。

[0013] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明中的MEMS结构加工是在集成电路加工全部完成之后进行，因此满足在集成电路代工厂制造生产的前提条件。2、由于本发明中隔离槽的加工无需硅各向同性刻蚀，因此避免了MEMS结构被横向刻蚀，成品质量较高。3、由于本发明中没有采用硅各向同性刻蚀，因此工艺控制的难度较低，易于实现。附图说明

[0014] 图1是本发明实施例的三维示意图

[0015] 图2是本发明实施例制作集成电路的示意图

[0016] 图3是本发明实施例制作背腔的示意图

[0017] 图5是本发明实施例制作隔离槽的示意图

[0018] 图4是本发明实施例制作MEMS结构掩模的示意图

[0019] 图6是本发明实施例制作MEMS结构的示意图

[0020] 图7是本发明实施例去除MEMS结构掩模的示意图

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

[0022] 如图1所示，本发明在SOI基片10上加工集成电路和MEMS器件。SOI基片10包括单晶硅器件层11、二氧化硅埋氧层12和单晶硅衬底层13。器件层11划分为集成电路区20和MEMS结构区30以及用于分隔集成电路区20和MEMS结构区30的隔离区40。其中，隔离区40中的硅被去除，形成隔离槽，使集成电路区20、各MEMS结构区30对应的硅结构之间相互独立，实现电气隔离。集成电路区20、各MEMS结构区30对应的硅结构之间通过埋氧层12和衬底层13实现机械连接。集成电路区20、各MEMS结构区30对应的硅结构之间通过跨过隔离区40的电极41实现电气连接。本发明包括以下步骤：

[0023] 1)选择基片：

[0024] 选择包括单晶硅器件层11、二氧化硅埋氧层12和单晶硅衬底层13的SOI基片10。

[0025] 2)制作集成电路：

[0026] 如图2所示，首先按照设计要求将SOI基片10的器件层11划分为集成电路区20和MEMS结构区30和用于分隔集成电路区20和MEMS结构区30的隔离区40；然后采用如CMOS工艺、BiCMOS工艺或双极电路工艺等标准集成电路加工方法，在集成电路区20内加工集成电路，并在集成电路区20和MEMS结构区30对应的硅结构之间设置跨过隔离区40的电极41，电极41可以是单层金属电极，也可以是多层金属电极。在集成电路加工过程中，器件层11表面生成有一介质层14。

[0027] 3)制作背腔：

[0028] 如图3所示，由SOI基片10的衬底层13一侧，依次去除与MEMS结构区30和隔离区40位置对应的衬底层13和埋氧层12，形成背腔50。

[0029] 4)制作隔离槽：

[0030] 如图4所示，由背腔50一侧，去除隔离区40处器件层11的单晶硅，直至器件层11表面的介质层14停止，完成隔离槽42的加工。

[0031] 5)制作MEMS结构掩模：

[0032] 如图5所示，对SOI基片10的表面进行光刻，定义MEMS结构图形，以及用于引出集成电路信号的金属焊盘21的图形；然后以光刻胶为掩模，对MEMS结构区30上的介质层14进行刻蚀，得到由介质层14构成的MEMS结构掩模31，同时去除金属焊盘21上方的介质层。

[0033] 6)制作MEMS结构：

[0034] 如图6所示，对步骤5)得到的SOI基片10的表面，设置除MEMS结构区30以外的保护层15，然后根据MEMS结构掩模31，对器件层11进行硅各向异性刻蚀，直至穿通器件层11，完成MEMS结构32的加工。

[0035] 7)去除MEMS结构掩模：

[0036] 如图7所示，继续以保护层15保护MEMS结构区30以外的SOI基片10的表面，对MEMS结构区30的介质层14进行进一步刻蚀，去除MEMS结构掩模31。然后去除保护层15，完成MEMS器件的加工。

[0037] 上述实施例中，步骤3)中，可以采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺依次去除与MEMS结构区30和隔离区40位置对应的衬底层13和埋氧层12。如果采用湿法腐蚀工艺，腐蚀过程中要采用夹具或如碳化硅的抗腐蚀材料对器件层11上的集成电路进行保护。

[0038] 上述实施例中，步骤4)中，去除的隔离区40处器件层11的单晶硅，可以采用先光刻再进行硅各向异性刻蚀的方法，也可以采用无掩模的激光加工方法。

[0039] 上述实施例中，步骤6)中可以采用光刻胶或聚对二甲苯(Parylene)材料作保护层。

[0040] 上述实施例中，对介质层14的刻蚀可以优先采用各向异性反应离子刻蚀法(RIE)。

[0041] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

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