專利名稱：Mems熱膜傳感器和ic電路單片集成的方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS-IC集成制造技術，尤其是一種將MEMS熱膜傳感器和IC調 理電路實現單片集成制造的方法。
背景技術：
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、發出指令的電路功能單元；MEMS(Micro ElectromechanicalSystem，即微電子機械 系統)是利用半導體工藝來制造整合機械及電子元件，達到系統微小化的目的，這兩大制 造技術在當今科學發展中的作用日趨重要。用MEMS技術制造的微型化、高性能的傳感器 必須同電路結合，使傳感器感知的各種信號經電路處理放大才能發揮作用，因此實現IC和 MEMS技術的結合至關重要。 MEMS工藝是在IC制造工藝的基礎上發展而來的，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，后期又要求不能經受太高的溫 度，而傳感器的低應力氮化硅薄膜所需溫度正好處于上述兩個溫度的中間態，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，而在電路區為避免過厚 的介質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光刻 工藝不處于一個平面，光刻的光的衍射現象造成質量降低。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種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。 為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是一種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)按照預先設計在同一硅片劃分出IC電路區和MEMS熱膜傳感器區域；
2)在IC電路區進行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電路和IC電路；
6)沉積保護層，并刻蝕釋放結構。
采用上述技術方案所產生的有益效果在于將低應力氮化硅薄膜生長同IC工藝 中的PSG淀積結合起來，先淀積氮化硅薄膜，再把IC電路區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 對后續加工工藝的影響。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是一般熱膜傳感器的結構示意圖； 圖2是用本發明提供的方法制備的MEMS熱膜傳感器與IC電路單片集成的結構示 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， 8N—區，9 +區，10P—區，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構示意圖，包括加熱器21和溫度檢測器22，其工作 原理為驅動電路采用閉環形式控制加熱器21中的加熱絲的溫度，氣體的流動將產生溫度 差，從而在溫度檢測器22中的溫敏電阻處產生了阻值的變化，在溫敏電阻構成的全橋結構 內部產生了電壓差，通常經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。 圖2為用本發明提供的方法制備的MEMS熱膜傳感器與IC電路單片集成的結構示 意圖。基于一般熱膜傳感器的基本工作原理，本發明采用Pt作為加熱絲和溫敏電阻的構成 材料，這是因為鉑材料具有非常穩定的溫度特性和性能穩定性，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 出的作為支撐膜結構的低應力氮化硅薄膜上，低應力氮化硅薄膜周圍腐蝕釋放出空腔，便 于氣體流動。 下面結合圖2對本發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)按照預先設計在同一硅片劃分出IC電路區和MEMS熱膜傳感器區域， 2)在IC電路區進行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電路和IC電路； 6)沉積保護層，并刻蝕釋放結構。 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，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，并進行側墻氧化； 6)光刻顯影，對N+區7域進行離子注入，N+區7與側墻氧化物完全對齊，刻蝕側墻
氧化物，對N—區8進行輕摻雜，N—區8與多晶硅柵對齊； 7)光刻顯影，對P+區9域進行離子注入，P+區9與側墻氧化物完全對齊，刻蝕側墻 氧化物，對P—區10進行輕摻雜，P—區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)制備傳感器區電路和IC電路包括以下具體步驟
1)電子束蒸發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構包括以下具體步驟 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，釋放結構。 進一步可以總結成為以下完整工序 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 源區之間形成隔離區； 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上殘留的氮 氧化物； 8)光刻N阱區； 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，進行側墻氧化； 14)光刻N+區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7與側墻氧化物完全對齊； 15)去除N區側墻氧化物，用自對準工藝進行N—區8磷離子輕摻雜，表面濃度 1017cm—3 1019cm—3，形成的N—區8與多晶硅柵對齊； 16)光刻P+區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9與側墻氧化物完全對齊； 17)去除P區側墻氧化物，用自對準工藝進行P—區IO硼離子輕摻雜，表面濃度 1017cm—3 1019cm—3，形成的P—區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PSG形成金屬接觸孔，腐蝕掉傳感器區的PSG ; 21)對傳感器區進行光刻，電子束蒸發沉積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，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，完成傳感器區電路布線，實現電橋的連接； 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，使晶圓免受化學腐蝕和刮擦，光刻、刻蝕氮化硅形成焊盤區通孔； 26)通過濺射、光刻、電鍍實現傳感器和IC電路的互聯，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
膜結構。 其中，清洗，光刻(包括常規的涂膠、預烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕等常規工序)，沉 積，刻蝕，濺射，電鍍為本領域人員所熟知的工藝，在此不再作具體說明。
權利要求
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)按照預先設計在同一硅片劃分出IC電路區和MEMS熱膜傳感器區域；2)在IC電路區進行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電路和IC電路；6)沉積保護層，并刻蝕釋放結構。
2. 根據權利要求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，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，并進行側墻氧化；6) 光刻顯影，對N+區(7)域進行離子注入，N+區(7)與側墻氧化物完全對齊，刻蝕側墻 氧化物，對N—區(8)進行輕摻雜，N—區(8)與多晶硅柵對齊；7) 光刻顯影，對P+區(9)域進行離子注入，P+區(9)與側墻氧化物完全對齊，刻蝕側墻 氧化物，對P—區(10)進行輕摻雜，P—區(10)與多晶硅柵對齊；8) 沉積氧化硅層，并退火處理。
3. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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)中制備傳感器區電路和IC電路包括以下具體步驟1) 電子束蒸發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. 根據權利要求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構包括以下具體步驟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，釋放結構。
全文摘要
本發明公開了一種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)按照預先設計在同一硅片劃分出IC電路區和MEMS熱膜傳感器區域，2)在IC電路區進行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電路和IC電路；6)沉積保護層，并刻蝕釋放結構。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 優先權日2009年11月12日
發明者何洪濤, 沈路 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所