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外文翻譯資料
單片集成MEMS技術(shù)
在過去的20年中,CMOS技術(shù)已成為集成電路主要制造工藝,制造成本下降的同時,成品率和產(chǎn)量也得到很大提高,COMS工藝將繼續(xù)以增加集成度和減小特制尺寸向前發(fā)展。當(dāng)今,CMOS集成工藝不僅被利用在集成電路設(shè)計上,而且,也被利用在很多微傳感器和微執(zhí)行器上,這樣可以把微傳感器與集成電路集成在一起,構(gòu)成功能強大的智能傳感器。隨著微傳感應(yīng)用范圍的不斷擴大,對傳感器的要求也越來越高,對未來微傳感器的主要要求是:微型化和集成化;低功耗和低成本;高精度和長壽命;多功能和智能化。硅微機械和集成電路的一體化集成,可以滿足上述要求。目前,集成傳感器的產(chǎn)品多數(shù)采用混合集成,單片集成的比例很小。而實現(xiàn)單片集成是實現(xiàn)傳感器智能化的關(guān)鍵,特別是單片集成MEMS傳感器技術(shù)也是當(dāng)今片上系統(tǒng)芯片能否實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。可見,對各種單片集成MEMS技術(shù)難點進行分析以及給出目前已有的各種單片集成MEMS技術(shù)是非常必要的。
1.單片集成MEMS技術(shù)的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)
實現(xiàn)MEMS和CMOS共同工作是分別制造MEMS傳感器和CMOS集成電路,然后,從各自的晶片切開,固定在一個共同的襯底上,并且,連線鍵合,這樣就實現(xiàn)兩者的集成,這就是所謂的混合(hybrid)方法。這種方法不會產(chǎn)生MEMS制造過程對CMOS電路的污染,同時,兩者生產(chǎn)過程互不干擾。但是,由于信號經(jīng)過鍵合點和引線,導(dǎo)致在高頻應(yīng)用時,信號傳輸質(zhì)量下降,并且,開發(fā)兩套生產(chǎn)線增加了產(chǎn)品的成本。為了解決一些性能問題,并降低制造成本,提出把MEMS部分做在和CMOS電路同一塊襯底上,也就是產(chǎn)生了與CMOS工藝兼容單片集成MEMS技術(shù)或叫CMOS-MEMS技術(shù)。這種方法相對混合方法總的來說有如下優(yōu)勢:第一,性能能得到很大的提高,因為寄生電容和串?dāng)_現(xiàn)象可以顯著減小;第二,混合方法需要復(fù)雜的封裝技術(shù)以減小傳感器接口的影響,而單片集成方法需要的封裝技術(shù)相對簡單,所以,降低傳感器成本;第三,單片集成傳感器技術(shù)也是陣列傳感器的需要,是克服陣列傳感器與外圍譯碼電路互連瓶頸的一種有效方法;第四,開發(fā)單片集成MEMS產(chǎn)品比開發(fā)混合MEMS產(chǎn)品所需的時間短,而且,開發(fā)成本低。
單片集成MEMS技術(shù)根據(jù)MEMS器件部分與CMOS電路部分加工順序不同可以分為前CMOS(pre-CMOS)、混合CMOS(intermediate-CMOS)及后CMOS(post-CMOS)集成方法。
post-CMOS方法是在加工完CMOS電路的硅片上,通過一些附加MEMS微細(xì)加工技術(shù)以實現(xiàn)單片集成MEMS系統(tǒng),目前,單片集成MEMS技術(shù)主要以這種方法為主。post-CMOS方法主要問題是MEMS加工工藝溫度會對前面的CMOS電路性能產(chǎn)生影響,更為嚴(yán)重的是后面高溫MEMS加工工藝溫度與前面CMOS工藝金屬化不兼容。以目前研究最多的多晶硅作為結(jié)構(gòu)層的MEMS為例,使磷硅玻璃致密化退火溫度為950℃,而使作為結(jié)構(gòu)層多晶硅的應(yīng)力退火溫度則達(dá)到1050℃,這將使CMOS器件結(jié)深發(fā)生遷移。特別是800℃時淺結(jié)器件的結(jié)深遷移就會影響器件的性能。另一方面,采用常規(guī)鋁金屬化工藝時,當(dāng)溫度達(dá)到400-450℃時,CMOS電路可靠性將受到嚴(yán)重的影響。從以上可以看出:如何克服后面高溫MEMS微結(jié)構(gòu)加工溫度對前面的已加工完的CMOS電路影響是解決單片集成MEMS系統(tǒng)關(guān)鍵所在。目前,國際上解決這個問題基本是通過3種方式:第一種是以難熔金屬化互連代替鋁金屬化互連,如,伯克利大學(xué)的以鎢代替鋁金屬互連方案,這樣提高容忍后續(xù)加工MEMS所需的高溫;第二種方式是通過尋找低制作溫度且機械性能優(yōu)良的材料代替多晶硅作為結(jié)構(gòu)層材料;第三種方式是利用CMOS本身已有結(jié)構(gòu)層作為MEMS結(jié)構(gòu)層。
pre-CMOS集成方法是先制造MEMS結(jié)構(gòu)后制造CMOS電路,這種集成CMOS技術(shù)雖然克服post-CMOS方法中MEMS高溫工藝對CMOS電路的影響,但由于存在垂直的微結(jié)構(gòu),所以,存在傳感器與電路互連臺階覆蓋性問題,而且,在CMOS電路工藝過程中對微結(jié)構(gòu)的保護也是一個需要考慮的問題。甚至已優(yōu)化微調(diào)的CMOS工藝流程,例如:柵氧化可能被重?fù)诫s的結(jié)構(gòu)層影響。另外,MEMS工藝過程中不能有任何的金屬或其他的材料,如壓電材料聚合物等,使得這種方法只適合一些特殊應(yīng)用。
intermediate-CMOS是在CMOS電路生產(chǎn)過程中插入一些MEMS微細(xì)加工工藝來實現(xiàn)單片集成MEMS的方法。這種方法已很成熟,并已有很多商品化產(chǎn)品,也是研究最早一種單片集成方法,是解決pre-CMOS和post-CMOS方法存在問題有效方法,但是,由于需要對現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CMOS或BiCMOS工藝進行較大的修改,因此,這種方法的使用有一定限制。
2.單片集成MEMS的主要技術(shù)現(xiàn)狀
目前,單片集成MEMS技術(shù)主要以post-CMOS技術(shù)為主,通過一系列的與CMOS工藝兼容的表面微細(xì)加工和體加工實現(xiàn)單片集成MEMS。又可分為2種:一種是在CMOS結(jié)構(gòu)層上面再淀積一層結(jié)構(gòu)層的微加工;另一種是直接以CMOS原有的結(jié)構(gòu)層作為MEMS結(jié)構(gòu)層的微加工。
2.1 淀積新的結(jié)構(gòu)材料作MEMS結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)
2.1.1 多晶硅作為結(jié)構(gòu)層的集成表面微細(xì)加工技術(shù)
這種工藝典型代表是伯克利大學(xué)開發(fā)模塊集成CMOS與MEMS工藝(modular integration of CMOS with micro-structures,MICS),這種方法是以多晶硅為微結(jié)構(gòu)層,磷硅玻璃(PSG)作為犧牲層的表面微細(xì)加工技術(shù)。采用難熔金屬鎢的金屬化互連代替鋁金屬化互連以承受后面的生產(chǎn)多晶硅微結(jié)構(gòu)所需要的高溫,但是,在600℃時,鎢容易與硅形成反應(yīng),伯克利大學(xué)是通過在接觸孔上放一層TiN阻擋層來解決這一問題的。MICS工藝基本流程是:完成鎢金屬化的CMOS工藝后,淀積300×10-10nm低溫氧化物(LTO),然后,低壓化學(xué)氣相淀積200×10-10nm的氮化硅薄膜保護已生產(chǎn)的CMOS電路,腐蝕完微結(jié)構(gòu)與CMOS電路的接觸孔后,淀積第1層現(xiàn)場摻雜多晶硅(350×10-10)作為CMOS電路與微結(jié)構(gòu)的互連線,再在上面淀積1um厚的PSG作為犧牲層以及淀積厚度為2um多晶硅結(jié)構(gòu)層。通過在第2層多晶硅上再淀積一層0.5um的PSG,以及在氮氣環(huán)境下的1000℃快速退火1min來降低作為結(jié)構(gòu)層的多晶硅應(yīng)力。最后,刻蝕多晶硅結(jié)構(gòu)圖形以及腐蝕掉其下面的犧牲層(PSG)以釋放微結(jié)構(gòu)。
2.1.2 以其他材料作結(jié)構(gòu)層集成表面微細(xì)加工技術(shù)
多晶硅鍺不僅有與多晶硅相似的優(yōu)良機械性能,而且,淀積溫度低與CMOS工藝兼容,所以,目前被廣泛研究。伯克利大學(xué)開發(fā)的基于硅鍺結(jié)構(gòu)層的工藝與MICS工藝基本相似。主要技術(shù)革新:第一,保護層采用不同的材料,以前MICS工藝采用835℃的LPCVD氮化硅,而現(xiàn)在則是采用兩層LTO和中間夾一層不定型硅(a-Si)作為CMOS電路保護層,其中,a-Si分兩步淀積,第一步淀積在450℃;第二步淀積則在410℃,這樣溫度是不會損壞鋁金屬化CMOS電路;第二,采用低淀積溫度多晶硅鍺作為結(jié)構(gòu)層材料,其低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)溫度只有400℃,采用快速退火溫度也僅為550℃,時間為30s。而MICS工藝淀積多晶硅結(jié)構(gòu)溫度則超過600℃。從以上兩點可知,由于整個后續(xù)MEMS加工溫度不超過450℃,所以,不會對鋁金屬化互連CMOS電路產(chǎn)生很大的影響。
采用鋁作為結(jié)構(gòu)層材料也會獲得很大成功,最為成功的是德州儀器開發(fā)低溫表面微細(xì)加工技術(shù),并用這種技術(shù)成功生產(chǎn)了數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)。技術(shù)革新主要表現(xiàn)在采用濺射鋁作為結(jié)構(gòu)層材料,并且,采用光致抗蝕劑作為犧牲層,這種低溫后處理使得已生產(chǎn)的下面SRAM單元不被破壞 。
鋯鈦酸鉛(PZT)電材料因具有優(yōu)良的壓電性能、熱釋電性能、鐵電性能和介電性能而被廣泛應(yīng)用在鐵電存儲器中以及作為高介質(zhì)材料。同時,還可以利用鋯鈦酸鉛壓電效應(yīng)制作微傳感器以及微執(zhí)行器。PZT薄膜工藝與硅集成工藝兼容,如,目前的基于金屬有機化學(xué)氣相淀積(OCVD)方法制作PZT薄膜溫度已降低到430~75℃,這個溫度還在降低,因此,采用這種材料作為結(jié)構(gòu)層是很有希望與CMOS工藝集成的。
2.2 以原CMOS結(jié)構(gòu)層作MEMS結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)
2.2.1 犧牲鋁的微加工技術(shù)
如果CMOS金屬化合物用作犧牲材料,則可能存在和CMOS工藝完全兼容的表面微細(xì)加工丁藝,這種方法被稱作犧牲鋁蝕刻(sacrificial aluminum etching,SALE)。在許多CMOS工藝過程中,都采用了兩層由鋁合金構(gòu)成的金屬層。第1層金屬作為犧牲層被清除,可以制造出電介質(zhì)金屬化合物;第2層由金屬和鈍化物組成,第2層金屬介于兩個電介質(zhì)之間,適當(dāng)結(jié)構(gòu)化后,便可以作為反射鏡、電極、熱電阻或電熱調(diào)節(jié)器。其基本工藝過程包括:(1)保護電氣連接觸點不受到蝕刻;(2)腐蝕犧牲鋁層;(3)涮洗清除徼結(jié)構(gòu)里面的蝕刻劑;(4)烘干微機構(gòu)。
2.2.2 單晶體硅活化蝕刻和金屬化法
單體硅活化蝕刻和金屬化法(single crystal reactiveetching and metallization,SCREAM)可用于制造,梁、橋這樣的結(jié)構(gòu),甚至可以用單晶硅制造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這種方法始于制造完的CMOS電路硅片,首先,淀積一層覆蓋接觸孔的氧化硅,這層氧化物保護CMOS電路免受后面工藝影響,并通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)圖形化這層氧化物遮蔽層;然后,RIE蝕刻硅溝槽,深度可達(dá)到10um,氧化硅薄膜淀積下來,覆蓋在側(cè)面和水平面上。通過反應(yīng)離子蝕刻掉水平面上的氧化物,而使豎直面受到保護,第二次反應(yīng)離子蝕刻硅;最后,各向同性蝕刻硅,釋放出懸浮的微結(jié)構(gòu),同時,蝕刻接觸孔氧化物,并濺射金屬,這層金屬化淀積物使大縱橫比的粱變成電容性元素,用厚的抗蝕劑作掩蔽模圖形化金屬層。由于SCREAM的每一步均在低于300℃的溫度下進行的,因此,是與CMOS電路兼容的。
2.2.3大縱橫比的CMOS-MEMS工藝
Gamegle Melloa大學(xué)開發(fā)的與CMOS兼容干法蝕刻方法,它應(yīng)用各向同性硅蝕刻產(chǎn)生絕緣薄膜,CMOS介質(zhì)和金屬化層在這個工藝中不僅用作金屬互連,而且,還作為微機械結(jié)構(gòu)尾。基本工藝過程為:首先,標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝采用三層金屬0.5upmN阱工藝實現(xiàn);其次,金屬層1和2被用作電活性層,而第3層作為微機械加工的蝕刻掩模。應(yīng)用化合物CHF3/O2的反應(yīng)離子蝕刻(RIE),使整個芯片上的鈍化層被清除掉,在第3層金屬斷開區(qū)域,CMOS薄膜夾層被一直蝕刻至基底,而上面覆蓋有第3層金屬的CMOS薄膜夾層則保留完好;最后,采用SP6/O2等離子在不蝕刻微結(jié)構(gòu)側(cè)壁情況下各向同性蝕刻硅襯底。狹窄的絕緣層和導(dǎo)電層融為一體制造出梁和橋,例如:梳狀驅(qū)動器這樣的微結(jié)構(gòu)。
2.2.4 體加工CMOS-MEMS工藝
主要是通過蝕刻硅襯底等體加工技術(shù)來形成所需的MEMS結(jié)構(gòu),這種技術(shù)主要以蘇黎世大學(xué)為主??梢詮恼嫖g刻硅襯底,也可以從反面蝕刻硅襯底,利用各向異性腐蝕(100)方向的特性,從硅的正面蝕刻是可以得到未封閉的微結(jié)構(gòu),如,梁和支撐膜等,可選用的蝕刻劑可以是氫氧化四甲基銨水溶液(TMATH)或乙烯二胺溶液(EDP)。通過從已完成的硅片背部蝕該硅片可以得到封閉的介電薄膜,需要一個額外的掩模定義膜片的大小,通常采用的燭刻劑是KOH。
采用XeF2干法蝕刻的post-CMOS工藝也得到很大的發(fā)展。XeP2是一種各向異性硅蝕刻劑,蝕刻速度很高,它是惰性氣體氙的一種稀有化合物。XeP2既不蝕刻IC絕緣層,也不蝕刻鋁合金金屬化合物,因此,和CMOS完全兼容。經(jīng)過適當(dāng)?shù)膮^(qū)域設(shè)計、連接和加掩模,在指定部位打開絕緣層,使基底硅局部暴露給蝕刻劑。因為XeF2即不蝕刻陶瓷,也不蝕刻塑料,從而適合集成CMOS微系統(tǒng)的微加工。使用這種方法可在已完成的CMOS芯片上無掩模蝕刻出微機構(gòu)。
3.發(fā)展趨勢
單片集成MEMS技術(shù)已開發(fā)10多年了,已得到了迅猛發(fā)展,也涌現(xiàn)出各種MEMS制造服務(wù)組織和企業(yè),從而可以獲得一些組織或直接由特殊集成電路制造商提供MEMS加工。代表微系統(tǒng)IC技術(shù)發(fā)展方向的組織包括美國的MOSIS.Europractice和歐洲的TIMACMP;美國北卡羅納州的Croons集成微系統(tǒng)公司除了提供基本的CMOS工藝以外,還提供體微加工和表面徽加工、LIGA工藝以及多用戶微機電系統(tǒng)工藝等;美國桑迪亞國家實驗室開發(fā)的超平面多層多晶硅工藝也已商品化;在歐洲從事特殊應(yīng)用集成電路制造技術(shù)研究的包括奧地利微系統(tǒng)公司和瑞士的EM微電子公司。還有很多基于傳感器的特殊硅工藝也已經(jīng)被研究出來,如,德國的羅伯特博施公司和挪威的SensoNor公司等。從目前來看,集成MEMS技術(shù)將有如下趨勢:
(1)post-CMOS集成方法仍將是未來的主要開發(fā)技術(shù),并將現(xiàn)有實驗室已開發(fā)的各種post-CMOS單片集成MEMS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化;
(2)在集成MEMS系統(tǒng)上集成更多的復(fù)雜的電路包括數(shù)字接口和微控制器,這樣得到功能更強大、價格便宜的智能系統(tǒng);
(3)開發(fā)封裝技術(shù)保護CMOS芯片免受環(huán)境的影響,不僅需要開發(fā)適應(yīng)MEMS集成系統(tǒng)的封裝,而且,也需要開發(fā)能適應(yīng)封裝的單片MEMS集成技術(shù)。
4.結(jié)束語
單片集成MEMS是實現(xiàn)智能傳感器的關(guān)鍵,也是IC業(yè)發(fā)展的一個重要方向。雖然目前各種方法都還存在一些問題,但是,隨著對其不斷的研究與CMOS工藝兼容性各種問題也會一一解決。本文對單片集成MEMS技術(shù)對工藝提出的要求進行了討論,并對目前各種單片集成MEMS技術(shù)特點、工藝流程進行了介紹,同時,還給出未來單片集成MEMS技術(shù)未來發(fā)展趨勢。
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