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外文翻譯資料
單片集成MEMS技術(shù)
在過(guò)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(shí)，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(jì)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(qiáng)大的智能傳感器。隨著微傳感應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)傳感器的要求也越來(lái)越高，對(duì)未來(lái)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(zhǎng)壽命；多功能和智能化。硅微機(jī)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(shí)現(xiàn)單片集成是實(shí)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。可見(jiàn)，對(duì)各種單片集成MEMS技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)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(shì)和面臨的挑戰(zhàn)
實(shí)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(kāi)，固定在一個(gè)共同的襯底上，并且，連線鍵合，這樣就實(shí)現(xiàn)兩者的集成，這就是所謂的混合（hybrid）方法。這種方法不會(huì)產(chǎn)生MEMS制造過(guò)程對(duì)CMOS電路的污染，同時(shí)，兩者生產(chǎn)過(guò)程互不干擾。但是，由于信號(hào)經(jīng)過(guò)鍵合點(diǎn)和引線，導(dǎo)致在高頻應(yīng)用時(shí)，信號(hào)傳輸質(zhì)量下降，并且，開(kāi)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(wèn)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(duì)混合方法總的來(lái)說(shuō)有如下優(yōu)勢(shì)：第一，性能能得到很大的提高，因?yàn)榧纳娙莺痛當(dāng)_現(xiàn)象可以顯著減??；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(duì)簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)單片集成MEMS產(chǎn)品比開(kāi)發(fā)混合MEMS產(chǎn)品所需的時(shí)間短，而且，開(kāi)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(guò)一些附加MEMS微細(xì)加工技術(shù)以實(shí)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(wèn)題是MEMS加工工藝溫度會(huì)對(duì)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(shí)淺結(jié)器件的結(jié)深遷移就會(huì)影響器件的性能。另一方面，采用常規(guī)鋁金屬化工藝時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到400-450℃時(shí)，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(duì)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(guó)際上解決這個(gè)問(wèn)題基本是通過(guò)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(guò)尋找低制作溫度且機(jī)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(duì)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(tái)階覆蓋性問(wèn)題，而且，在CMOS電路工藝過(guò)程中對(duì)微結(jié)構(gòu)的保護(hù)也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)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(guò)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(guò)程中插入一些MEMS微細(xì)加工工藝來(lái)實(shí)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(wèn)題有效方法，但是，由于需要對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CMOS或BiCMOS工藝進(jìn)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(guò)一系列的與CMOS工藝兼容的表面微細(xì)加工和體加工實(shí)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(kāi)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(shí)，鎢容易與硅形成反應(yīng)，伯克利大學(xué)是通過(guò)在接觸孔上放一層TiN阻擋層來(lái)解決這一問(wèn)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(hù)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(chǎng)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(guò)在第2層多晶硅上再淀積一層0.5um的PSG，以及在氮?dú)猸h(huán)境下的1000℃快速退火1min來(lái)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(jī)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(kāi)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(hù)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(hù)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(huì)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(shí)間為30s。而MICS工藝淀積多晶硅結(jié)構(gòu)溫度則超過(guò)600℃。從以上兩點(diǎn)可知，由于整個(gè)后續(xù)MEMS加工溫度不超過(guò)450℃，所以，不會(huì)對(duì)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(huì)獲得很大成功，最為成功的是德州儀器開(kāi)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(chǔ)器中以及作為高介質(zhì)材料。同時(shí)，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(jī)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(gè)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(guò)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(gè)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(guò)程包括：（1）保護(hù)電氣連接觸點(diǎn)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(jī)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(hù)CMOS電路免受后面工藝影響，并通過(guò)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(lái)，覆蓋在側(cè)面和水平面上。通過(guò)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(hù)，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(shí)，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(jìn)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(kāi)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(gè)工藝中不僅用作金屬互連，而且，還作為微機(jī)械結(jié)構(gòu)尾?；竟に囘^(guò)程為：首先，標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝采用三層金屬0.5upmN阱工藝實(shí)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(jī)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(gè)芯片上的鈍化層被清除掉，在第3層金屬斷開(kāi)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(dòng)器這樣的微結(jié)構(gòu)。
2.2.4 體加工CMOS-MEMS工藝
主要是通過(guò)蝕刻硅襯底等體加工技術(shù)來(lái)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(guò)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(gè)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(guò)適當(dāng)?shù)膮^(qū)域設(shè)計(jì)、連接和加掩模，在指定部位打開(kāi)絕緣層，使基底硅局部暴露給蝕刻劑。因?yàn)閄eF2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(wú)掩模蝕刻出微機(jī)構(gòu)。
3.發(fā)展趨勢(shì)
單片集成MEMS技術(shù)已開(kāi)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(guó)的MOSIS.Europractice和歐洲的TIMACMP；美國(guó)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(jī)電系統(tǒng)工藝等；美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(lái)，如，德國(guó)的羅伯特博施公司和挪威的SensoNor公司等。從目前來(lái)看，集成MEMS技術(shù)將有如下趨勢(shì)：
（1）post-CMOS集成方法仍將是未來(lái)的主要開(kāi)發(fā)技術(shù)，并將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)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(qiáng)大、價(jià)格便宜的智能系統(tǒng)；
（3）開(kāi)發(fā)封裝技術(shù)保護(hù)CMOS芯片免受環(huán)境的影響，不僅需要開(kāi)發(fā)適應(yīng)MEMS集成系統(tǒng)的封裝，而且，也需要開(kāi)發(fā)能適應(yīng)封裝的單片MEMS集成技術(shù)。
4.結(jié)束語(yǔ)
單片集成MEMS是實(shí)現(xiàn)智能傳感器的關(guān)鍵，也是IC業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。雖然目前各種方法都還存在一些問(wèn)題，但是，隨著對(duì)其不斷的研究與CMOS工藝兼容性各種問(wèn)題也會(huì)一一解決。本文對(duì)單片集成MEMS技術(shù)對(duì)工藝提出的要求進(jìn)行了討論，并對(duì)目前各種單片集成MEMS技術(shù)特點(diǎn)、工藝流程進(jìn)行了介紹，同時(shí)，還給出未來(lái)單片集成MEMS技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
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