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外文翻譯資料
單片集成MEMS技術
在過去的20年中，CMOS技術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。當今，CMOS集成工藝不僅被利用在集成電路設計上，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，構成功能強大的智能傳感器。隨著微傳感應用范圍的不斷擴大，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)傳感器智能化的關鍵，特別是單片集成MEMS傳感器技術也是當今片上系統(tǒng)芯片能否實現(xiàn)的關鍵技術之一?？梢?，對各種單片集成MEMS技術難點進行分析以及給出目前已有的各種單片集成MEMS技術是非常必要的。
1.單片集成MEMS技術的優(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。這種方法不會產生MEMS制造過程對CMOS電路的污染，同時，兩者生產過程互不干擾。但是，由于信號經過鍵合點和引線，導致在高頻應用時，信號傳輸質量下降，并且，開發(fā)兩套生產線增加了產品的成本。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，也就是產生了與CMOS工藝兼容單片集成MEMS技術或叫CMOS-MEMS技術。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，因為寄生電容和串擾現(xiàn)象可以顯著減小；第二，混合方法需要復雜的封裝技術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相對簡單，所以，降低傳感器成本；第三，單片集成傳感器技術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產品比開發(fā)混合MEMS產品所需的時間短，而且，開發(fā)成本低。
單片集成MEMS技術根據(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微細加工技術以實現(xiàn)單片集成MEMS系統(tǒng)，目前，單片集成MEMS技術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電路性能產生影響，更為嚴重的是后面高溫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構層的MEMS為例，使磷硅玻璃致密化退火溫度為950℃，而使作為結構層多晶硅的應力退火溫度則達到1050℃，這將使CMOS器件結深發(fā)生遷移。特別是800℃時淺結器件的結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，當溫度達到400-450℃時，CMOS電路可靠性將受到嚴重的影響。從以上可以看出：如何克服后面高溫MEMS微結構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構層材料；第三種方式是利用CMOS本身已有結構層作為MEMS結構層。
pre-CMOS集成方法是先制造MEMS結構后制造CMOS電路，這種集成CMOS技術雖然克服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構，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構的保護也是一個需要考慮的問題。甚至已優(yōu)化微調的CMOS工藝流程，例如：柵氧化可能被重摻雜的結構層影響。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用。
intermediate-CMOS是在CMOS電路生產過程中插入一些MEMS微細加工工藝來實現(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)有的標準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的主要技術現(xiàn)狀
目前，單片集成MEMS技術主要以post-CMOS技術為主，通過一系列的與CMOS工藝兼容的表面微細加工和體加工實現(xiàn)單片集成MEMS。又可分為2種：一種是在CMOS結構層上面再淀積一層結構層的微加工；另一種是直接以CMOS原有的結構層作為MEMS結構層的微加工。
2.1 淀積新的結構材料作MEMS結構的集成技術
2.1.1 多晶硅作為結構層的集成表面微細加工技術
這種工藝典型代表是伯克利大學開發(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構層，磷硅玻璃（PSG）作為犧牲層的表面微細加工技術。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多晶硅微結構所需要的高溫，但是，在600℃時，鎢容易與硅形成反應，伯克利大學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，低壓化學氣相淀積200×10-10nm的氮化硅薄膜保護已生產的CMOS電路，腐蝕完微結構與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電路與微結構的互連線，再在上面淀積1um厚的PSG作為犧牲層以及淀積厚度為2um多晶硅結構層。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來降低作為結構層的多晶硅應力。最后，刻蝕多晶硅結構圖形以及腐蝕掉其下面的犧牲層（PSG）以釋放微結構。
2.1.2 以其他材料作結構層集成表面微細加工技術
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。伯克利大學開發(fā)的基于硅鍺結構層的工藝與MICS工藝基本相似。主要技術革新：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構層材料，其低壓化學氣相淀積（LPCVD）溫度只有400℃，采用快速退火溫度也僅為550℃，時間為30s。而MICS工藝淀積多晶硅結構溫度則超過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電路產生很大的影響。
采用鋁作為結構層材料也會獲得很大成功，最為成功的是德州儀器開發(fā)低溫表面微細加工技術，并用這種技術成功生產了數(shù)字微鏡設備（DMD）。技術革新主要表現(xiàn)在采用濺射鋁作為結構層材料，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用在鐵電存儲器中以及作為高介質材料。同時，還可以利用鋯鈦酸鉛壓電效應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構層是很有希望與CMOS工藝集成的。
2.2 以原CMOS結構層作MEMS結構的集成技術
2.2.1 犧牲鋁的微加工技術
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之間，適當結構化后，便可以作為反射鏡、電極、熱電阻或電熱調節(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）涮洗清除徼結構里面的蝕刻劑；（4）烘干微機構。
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、橋這樣的結構，甚至可以用單晶硅制造更復雜的結構。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，深度可達到10um，氧化硅薄膜淀積下來，覆蓋在側面和水平面上。通過反應離子蝕刻掉水平面上的氧化物，而使豎直面受到保護，第二次反應離子蝕刻硅；最后，各向同性蝕刻硅，釋放出懸浮的微結構，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大學開發(fā)的與CMOS兼容干法蝕刻方法，它應用各向同性硅蝕刻產生絕緣薄膜，CMOS介質和金屬化層在這個工藝中不僅用作金屬互連，而且，還作為微機械結構尾?；竟に囘^程為：首先，標準的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。應用化合物CHF3／O2的反應離子蝕刻（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構側壁情況下各向同性蝕刻硅襯底。狹窄的絕緣層和導電層融為一體制造出梁和橋，例如：梳狀驅動器這樣的微結構。
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來形成所需的MEMS結構，這種技術主要以蘇黎世大學為主?？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構，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。經過適當?shù)膮^(qū)域設計、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。
3.發(fā)展趨勢
單片集成MEMS技術已開發(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；在歐洲從事特殊應用集成電路制造技術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，并將現(xiàn)有實驗室已開發(fā)的各種post-CMOS單片集成MEMS技術產業(yè)化；
（2）在集成MEMS系統(tǒng)上集成更多的復雜的電路包括數(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)封裝技術保護CMOS芯片免受環(huán)境的影響，不僅需要開發(fā)適應MEMS集成系統(tǒng)的封裝，而且，也需要開發(fā)能適應封裝的單片MEMS集成技術。
4.結束語
單片集成MEMS是實現(xiàn)智能傳感器的關鍵，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技術未來發(fā)展趨勢。
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