專利名稱：Cmos電路與mems微電極的單片集成化方法
技術領域：
本發明涉及到集成化MEMS技術領域，特別是一種CMOS電路與MEMS微電極的單片集成化工藝方法。
背景技術：
現代生物醫學的發展，要求運用先進的科學技術發展新的分析原理并研究建立有效而實用的原位、在體、實時、在線和高靈敏度、高選擇性的生物分析設備，這已成為20世紀90年代以來生命科學、化學和微電子學等領域研究和開發的主要目標。例如，在腦-機接口中，科研工作者常常通過生物傳感器，即植入電極和頭皮電極來提取腦信號，使用腦信號來控制外部設備，而植入電極以其高信號強度、高分辨率等優點受到青睞，盡管如此，植入電極提取的腦電信號還是比較微弱，必須經過前置放大，才能進行后續信號處理，因此從減小系統尺寸等角度出發，將生物前置放大器與植入電極進行單片集成。
隨著集成電路工藝的迅猛發展，電路芯片的尺寸越來越小，其中硅基CMOS工藝以其低成本、高集成度、低功耗等特點受到各大公司和科研人員的廣泛關注，已成為主流的集成電路制造工藝，所以采用CMOS工藝制造生物前置放大器。植入電極主要包括金屬微電極、硅微電極陣列以及炭納米管陣列，考慮到與硅基CMOS電路的工藝兼容性，在我們的工作中制作硅基MEMS微電極作為腦皮層植入電極，實現硅基CMOS電路與MEMS植入電極的單片集成。
CMOS工藝已經非常成熟，而MEMS工藝起步晚，目前還不夠成熟，為了實現MEMS的產業化生產，采用CMOS工藝來制造MEMS，將CMOS電路與MEMS結構集成在一起勢在必行。現今有些科研機構獨立制造MEMS結構和CMOS電路，然后將二者進行硅片焊接，這不僅提高了成本，而且降低了整個系統的性能，因此在我們的說明中，采用CMOS工藝制造MEMS結構，這不僅可以大大降低生產成本，而且系統性能將會得到很大改善，受到了科研人員的普遍關注。
發明內容
一種將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，采用與CMOS工藝相兼容的方式單片集成CMOS電路與MEMS微電極，先確定MEMS微電極的形狀與尺寸，然后同時制作CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線，并同時形成CMOS電路的壓焊點以及MEMS微電極與腦神經元的接觸孔，最后通過使用光刻膠做保護層，并采用緩沖的HF溶液腐蝕硅片，這樣便得到釋放的數微米厚的MEMS微電極結構。
所述的方法，由于MEMS微電極尺寸超過2μm，所以利用濃硼深擴散形成自停止腐蝕層，并采用濕法腐蝕方法刻蝕硅片，得到數微米厚的濃硼摻雜的硅陣列，從而確定權利一中所述的MEMS微電極的形狀與尺寸。
所述的方法，所述的濕法腐蝕液為TMAH(Tetramethyl AmmoniumHydroxide四甲基氫氧化胺)，它具有高刻蝕速率，并且刻蝕后硅片有很好的表面平整度。
所述的方法，同時制作CMOS電路和MEMS微電極金屬連線，在這之前需要向濕法刻蝕出的硅槽內淀積SiO2，并進行化學機械拋光平坦化。
所述的方法所說的CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線均采用鋁線，這滿足CMOS工藝的要求，而且采用此工藝無需制作MEMS微電極的壓焊點，直接將MEMS微電極的金屬互連線引入到CMOS電路(此處為生物電前置放大器)的輸入端。
所述的方法，所述MEMS微電極接觸孔采用金屬鉑填充，使得金屬互連線與腦神經元形成良好接觸，同時，鉑與組織液之間具有良好的生物相容性。
在我們的生物芯片研究中，將生物電前置放大器與MEMS微電極單片集成，具體的工藝步驟如下所示1)清洗硅片1，在硅片1的兩面熱氧化生長SiO2層2；2)在SiO2層2的雙面淀積Si3N4層3；
3)采用濕法腐蝕方法，即分別使用熱磷酸和NH4F緩沖的氫氟酸溶液去掉沒有被光刻膠掩蓋的Si3N4層3和SiO2層2，形成電極區域4；4)濃硼深擴散形成自停止腐蝕區5，在此工藝步驟中，氧分子的存在可以增加擴散速度，并在硅表面形成帶鳥嘴的厚氧化層，溫度為160攝氏度，在10小時左右，濃硼的擴散深度可以達到10μm，同時在厚氧化層下面會形成Si3N4，即所謂的白斑；5)分別使用熱磷酸和NH4F緩沖的氫氟酸溶液去掉硅片1正面和背面的Si3N4層3和SiO2層2，再進行一次熱氧化，去掉工藝步驟4)中產生的白斑；6)重新生長SiO2，并淀積Si3N4層；7)采用濕法腐蝕去掉MEMS電極區域的Si3N4和SiO2，并使用TMAH溶液腐蝕暴露出來的硅，腐蝕溫度為85度，TMAH溶液在硅(100)晶向形成54.74度的腐蝕角度，然后采用化學氣相淀積(CVD)法向刻蝕的溝槽中淀積SiO2，并采用化學機械拋光(CMP)對硅片正面進行平坦化；8)分別用濃磷酸和緩沖的HF溶液腐蝕掉Si3N4和SiO2，并采用CMOS工藝制作生物電前置放大器電路，同時形成MEMS電極的金屬連線；9)淀積PSG以及Si3N4鈍化層，刻蝕出CMOS電路的壓焊點(Pad)和MEMS電極接觸孔；10)利用光刻膠做掩膜，向MEMS電極與腦神經接觸的接觸孔內蒸金屬鉑，然后反刻金屬鉑，去掉光刻膠上的鉑和光刻膠，這樣CMOS電路壓焊點和填充鉑的MEMS電極接觸孔均已形成；11)通過反應離子刻蝕(RIE)，刻蝕掉部分Si3N4鈍化層、PSG和BPSG；12)向工藝步驟11)的刻蝕槽內蒸光刻膠，并刻蝕光刻膠，使用光刻膠來保護步驟11刻蝕槽兩側的BPSG、PSG；13)將整個硅片放入緩沖的HF槽內，這樣暴露在HF內的SiO2便被腐蝕掉，然后去除起保護作用的光刻膠，最終形成所需要的集成化的MEMS結構。
以上是對CMOS生物電前置放大器與提取腦電信號的MEMS植入電極進行單片集成的具體工藝步驟，并輔以剖面圖進行說明，剖面圖可參見附圖1，此芯片的俯視圖請參見附圖2。
圖1是本發明CMOS電路與MEMS微電極的單片集成芯片的剖面圖。
圖2是本發明CMOS電路與MEMS微電極的單片集成芯片的俯視圖。
具體實施例方式
圖1(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)、(m)和圖2的CMOS電路與MEMS微電極的單片集成芯片的剖面圖和俯視圖。
工藝步驟中進行數字標號的各部分說明如下1、P型硅襯底的外延片2、SiO2層3、淀積的Si3N4層4、Si3N4和SiO2被刻蝕掉的區域5、濃硼擴散層6、CMOS電路中有源區的接觸孔7、CMOS電路中柵電極的接觸孔8、MEMS微電極的金屬互連線9、CMOS電路的N+源/漏區10、CMOS電路的P+源/漏區11、N阱12、MEMS微電極與腦神經元之間的接觸孔13、向MEMS微電極接觸孔中填充金屬鉑14、被刻蝕掉的Si3N4鈍化層、PSG和BPSG區域
15、保護側壁結構的光刻膠保護層16、部分起保護作用的光刻膠被刻蝕的區域17、CMOS電路的壓焊點18、生物電前置放大器19、與參考電極相連的金屬引線
權利要求
1.一種將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，采用與CMOS工藝相兼容的方式單片集成CMOS電路與MEMS微電極，先確定MEMS微電極的形狀與尺寸，然后同時制作CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線，并同時形成CMOS電路的壓焊點以及MEMS微電極與腦神經元的接觸孔，最后通過使用光刻膠做保護層，并采用緩沖的HF溶液腐蝕硅片，這樣便得到釋放的數微米厚的MEMS微電極結構。
2.根據權利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，由于MEMS微電極尺寸超過2μm，所以利用濃硼深擴散形成自停止腐蝕層，并采用濕法腐蝕方法刻蝕硅片，得到數微米厚的濃硼摻雜的硅陣列，從而確定權利一中所述的MEMS微電極的形狀與尺寸。
3.根據權利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，所述的濕法腐蝕液為TMAH，它具有高刻蝕速率，并且刻蝕后硅片有很好的表面平整度。
4.根據權利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，同時制作CMOS電路和MEMS微電極金屬連線，在這之前需要向濕法刻蝕出的硅槽內淀積SiO2，并進行化學機械拋光平坦化。
5.根據權利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，所說的CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線均采用鋁線，這滿足CMOS工藝的要求，而且采用此工藝無需制作MEMS微電極的壓焊點，直接將MEMS微電極的金屬互連線引入到CMOS電路的輸入端。
6.根據權利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，所述MEMS微電極接觸孔采用金屬鉑填充，使得金屬互連線與腦神經元形成良好接觸，同時，鉑與組織液之間具有良好的生物相容性。
7.根據權利要求1的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，具體步驟如下1)清洗硅片1，在硅片1的兩面熱氧化生長SiO2層2；2)在SiO2層2的雙面淀積Si3N4層3；3)采用濕法腐蝕方法，去掉沒有被光刻膠掩蓋的Si3N4層3和SiO2層2，形成電極區域4；4)濃硼深擴散形成自停止腐蝕區5；5)去掉硅片1正面和背面的Si3N4層3和SiO2層2，再進行一次熱氧化，去掉工藝步驟4)中產生的白斑；6)重新生長SiO2，并淀積Si3N4層；7)采用濕法腐蝕去掉MEMS電極區域的Si3N4和SiO2，并使用TMAH溶液腐蝕暴露出來的硅，腐蝕溫度為85度，TMAH溶液在硅晶向形成54.74度的腐蝕角度，然后采用化學氣相淀積法向刻蝕的溝槽中淀積SiO2，并采用化學機械拋光對硅片正面進行平坦化；8)分別用濃磷酸和緩沖的HF溶液腐蝕掉Si3N4和SiO2，并采用CMOS工藝制作生物電前置放大器電路，同時形成MEMS電極的金屬連線；9)淀積PSG以及Si3N4鈍化層，刻蝕出CMOS電路的壓焊點和MEMS電極接觸孔；10)利用光刻膠做掩膜，向MEMS電極與腦神經接觸的接觸孔內蒸金屬鉑，然后反刻金屬鉑，去掉光刻膠上的鉑和光刻膠，這樣CMOS電路壓焊點和填充鉑的MEMS電極接觸孔均已形成；11)通過反應離子刻蝕，刻蝕掉部分Si3N4鈍化層、PSG和BPSG；12)向工藝步驟11)的刻蝕槽內蒸光刻膠，并刻蝕光刻膠，使用光刻膠來保護步驟11)刻蝕槽兩側的BPSG、PSG；13)將整個硅片放入緩沖的HF槽內，這樣暴露在HF內的SiO2便被腐蝕掉，然后去除起保護作用的光刻膠，最終形成所需要的集成化的MEMS結構。
8.根據權利要求7的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，采用濕法腐蝕方法，即分別使用熱磷酸和NH4F緩沖的氫氟酸溶液去掉沒有被光刻膠掩蓋的Si3N4層3和SiO2層2，形成電極區域4。
9.根據權利要求7的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，濃硼深擴散形成自停止腐蝕區，在此工藝步驟中，氧分子的存在可以增加擴散速度，并在硅表面形成帶鳥嘴的厚氧化層，溫度為160攝氏度，在10小時左右，濃硼的擴散深度可以達到10μm，同時在厚氧化層下面會形成Si3N4，即所謂的白斑。
10.根據權利要求9的將CMOS電路與MEMS微電極進行單片集成的方法，其特征在于，分別使用熱磷酸和NH4F緩沖的氫氟酸溶液去掉硅片正面和背面的Si3N4和SiO2，再進行一次熱氧化，去掉工藝步驟4)中產生的白斑。
全文摘要
本發明涉及到集成化MEMS技術領域，特別是一種CMOS電路與MEMS微電極的單片集成化工藝方法。采用與CMOS工藝相兼容的方式單片集成CMOS電路與MEMS微電極，先確定MEMS微電極的形狀與尺寸，然后同時制作CMOS電路和MEMS微電極金屬互連線，并同時形成CMOS電路的壓焊點以及MEMS微電極與腦神經元的接觸孔，最后通過使用光刻膠做保護層，并采用緩沖的HF溶液腐蝕硅片，這樣便得到釋放的數微米厚的MEMS微電極結構。針對腦－機接口的應用場合，本發明將生物前置放大器與MEMS微電極進行單片集成，通過此實例來具體說明CMOS電路與MEMS微電極的單片集成化工藝方法。
文檔編號H01L21/8238GK1915797SQ20051009064
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月18日 優先權日2005年8月18日
發明者陳弘達, 隋曉紅, 裴為華 申請人:中國科學院半導體研究所