单片集成MEMS技术

2005年第24卷第3期传感器技术( Journal of Transducer Technology )1) 综述与评论单片集成MEMS技术江建明,娄利飞,汪家友,杨银堂(西安电子科技大学微电子所陕西西安710071 )商要:介绍了单片集成MEMS技术相对传统混合( hybrid )方法的优势;分析了单片集成MEMS技术实现的难点同时给出了目前与CMOS工艺兼容的多种单片集成MEMS的技术特点工艺流程详细阐述了目前各种post-CMOS技术。最后给出单片集成MEMS技术的未来发展趋势。关键词:微机电系统;单片集成;CMOS兼容中图分类号: TP212文献标识码: A文章编号: 1000 -9787( 2005 )03 -0001 -03.Monolithic integrated MEMS technologyJIANG Jjian-ming ,LOU Li-fei , WANG Jia-you , YANG Yin-tang( Inst of Microelectronics ,Xidian University ,Xi' an 710071 ,China )Abstract : The advantages of monolithic integrated MEMS technology over traditional hybrid method areintroduced and the difficulties of implementing monolithic integrated MEMS are analyzed. The characteristics andprocess of many CMOS-compatible monolithic integrated M EMS technologies are presented especially the currentpost-CMOS technologies are detailed. At last a forecast is given for their future trends.Key words : MEMS( microelectromechanical system ) ; monolithic integration ; CMOS-compatible0引.言MEMS制造过程对CMOS电路的污染同时两者生产过程在过去的20年中CMOS技术已成为集成电路主要制互不干扰。但是由于信号经过键合点和引线导致在高频造工艺制造成本下降的同时成品率和产量也得到很大提应用时信号传输质量下降并且，开发两套生产线增加了高,COMS工艺将继续以增加集成度和减小特制尺寸向前产品的成本。为了解决-些性能问题并降低制造成本提发展。当今CMOS集成工艺不仅被利用在集成电路设计出把MEMS部分做在和CMOS电路同-块衬底上也就是上,而且,也被利用在很多微传感器和微执行器上,这样可产生了与CMOS工艺兼容单片集成MEMS技术或叫以把微传感器与集成电路集成在一起构成功能强大的智CMOS-MEMS技术。这种方法相对混合方法总的来说有如能传感器。随着微传感应用范围的不断扩大对传感器的下优势'第一性能能得到很大的提高,因为寄生电容和要求也越来越高对未来微传感器的主要要求是微型化和串扰现象可以显著减小第二混合方法需要复杂的封装技集成化;低功耗和低成本高精度和长寿命;多功能和智能术以减小传感器接口的影响,而单片集成方法需要的封装化。硅微机械和集成电路的一体化集成,可以满足上述要技术相对简单所以降低传感器成本第三单片集成传感求。目前集成传感器的产品多数采用混合集成单片集成器技术也是阵列传感器的需要是克服阵列传感器与外围.的比例很小。而实现单片集成是实现传感器智能化的关译码电路互连瓶颈的一种有效方法;第四，开发单片集成键特别是单片集成MEMS传感器技术也是当今片上系统MEMS产品比开发混合MEMS产品所需的时间短而且开芯片能否实现的关键技术之一。可见,对各种单片集成发成本低。MEMS技术难点进行分析以及给出目前已有的各种单片集单片集成MEMS技术根据MEMS器件部分与CMOS成MEMS技术是非常必要的。电路部分加工顺序不同可以分为前CMOS( pre-CMOS )混1单片集成MEMS技术的优势和面临的挑战合CMOS( intermediate-CMOS )及后CMOS( post-CMOS )集成实现MEMS和CMOS共同工作是分别制造MEMS传方法中国煤化工感器和CMOS集成电路然后从各自的晶片切开,固定在1YHCNMHGCMOS电路的硅片上通一个共同的衬底上并且连线键合,这样就实现两者的集过一些附加MEMS微细加工技术以实现单片集成MEMS.成这就是所谓的混合( hybrid )方法。这种方法不会产生系统,目前,单片集成MEMS技术主要以这种方法为主。收稿日期2004 -08 -24.*基金项目国家自然科学基金资助项目( 90207022 )2传感器技术第24卷post-CMOS方法主要问题是MEMS加工工艺温度会对前面微结构所需要的高温,但是在600 C时,钨容易与硅形成的CMOS电路性能产生影响,更为严重的是后面高温反应伯克利大学是通过在接触孔上放一层TiN阻挡层来.MEMS加工工艺温度与前面CMOS工艺金属化不兼容。以解决这一问题的。MICS 工艺基本流程是完成钨金属化的目前研究最多的多晶硅作为结构层的MEMS为例使磷硅CMOS工艺后淀积300x 10 -10 nm低温氧化物( LTO )然玻璃致密化退火温度为950C而使作为结构层多晶硅的后低压化学气相淀积200x10-10nm的氮化硅薄膜保护应力退火温度则达到1050C这将使CMOS器件结深发生已生产的CMOS电路腐蚀完微结构与CMOS电路的接触迁移。特别是800C时浅结器件的结深迁移就会影响器件孔后淀积第1层现场掺杂多晶硅(350x10-10nm)作为的性能。另- - -方面采用常规铝金属化工艺时当温度达到CMOS电路与微结构的互连线,再在上面淀积1 μum厚的400~450C时,CMOS电路可靠性将受到严重的影响。从PSG作为牺牲层以及淀积厚度为2um多晶硅结构层。通以上可以看出如何克服后面高温MEMS微结构加工温度过在第2层多晶硅上再淀积一层0.5 μm的PSG ,以及在氮对前面的已加工完的CMOS电路影响是解决单片集成气环境下的1000C快速退火1min来降低作为结构层的多MEMS系统关键所在。目前国际上解决这个问题基本是晶硅应力。最后刻蚀多晶硅结构图形以及腐蚀掉其下面.通过3种方式第-种是以难熔金属化互连代替铝金属化的牺牲层( PSG )以释放微结构。互连如伯克利大学的以钨代替铝金属互连方案,这样提2.1.2以其他材 料作结构层集成表面微细加工技术高容忍后续加工MEMS所需的高温;第二种方式是通过寻多晶硅锗不仅有与多晶硅相似的优良机械性能而且,找低制作温度且机械性能优良的材料代替多晶硅作为结构淀积温度低与CMOS工艺兼容所以,目前被广泛研究。伯层材料;第三种方式是利用CMOS本身已有结构层作为克利大学开发的基于硅锗结构层的工艺与MICS工艺基本MEMS结构层。相似[2。主要技术革新第- ,保护层采用不同的材料,以pre-CMOS集成方法是先制造MEMS结构后制造前MICS工艺采用835 C的LPCVD氮化硅,而现在则是采CMOS电路,这种集成CMOS技术虽然克服post-CMOS方用两层LT0和中间夹-层不定型硅( a-Si )作为CMOS电路法中MEMS高温工艺对CMOS电路的影响但由于存在垂保护层其中a-Si 分两步淀积第一步淀积在450°C ;第二直的微结构所以,存在传感器与电路互连台阶覆盖性问步淀积则在410C这样温度是不会损坏铝金属化CMOS.题而且在CMOS电路工艺过程中对微结构的保护也是一电路第二采用低淀积温度多晶硅锗作为结构层材料其个需要考虑的问题。甚至已优化微调的CMOS工艺流程,低压化学气相淀积( LPCVD )温度只有400 C采用快速退例如栅氧化可能被重掺杂的结构层影响。另外,MEMS工火温度也仅为550C时间为30s。而MICS工艺淀积多晶.艺过程中不能有任何的金属或其他的材料,如压电材料聚硅结构温度则超过600。从以上两点可知,由于整个后合物等,使得这种方法只适合-些特殊应用。续MEMS加工温度不超过450C所以不会对铝金属化互intermediate-CMOS 是在CMOS电路生产过程中插入一连CMOS电路产生很大的影响。些MEMS微细加工工艺来实现单片集成MEMS的方法。采用铝作为结构层材料也会获得很大成功最为成功这种方法已很成熟并已有很多商品化产品也是研究最早的是德州仪器开发低温表面微细加工技术并用这种技术-种单片集成方法是解决pre-CMOS和post-CMOS方法存成功生产了数字微镜设备( DMD )。技术革新主要表现在在问题有效方法,但是,由于需要对现有的标准CMOS或采用溅射铝作为结构层材料并且采用光致抗蚀剂作为牺BiCMOS工艺进行较大的修改,因此这种方法的使用有一牲层这种低温后处理使得已生产的下面SRAM单元不被定限制。破坏3。2单片集成MEMS的主要技术现状锆钛酸铅( PZT )压电材料因具有优良的压电性能、热目前单片集成MEMS技术主要以post-CMOS技术为释电性能、铁电性能和介电性能而被广泛应用在铁电存储主通过一系列的与CMOS工艺兼容的表面微细加工和体器中以及作为高介质材料。同时还可以利用锆钛酸铅压电加工实现单片集成MEMS。又可分为2种一种是在CMOS效应制作微传感器以及微执行器。PZT 薄膜工艺与硅集成结构层上面再淀积-层结构层的微加工;另一种是直接以工艺兼容如,目前的基于金属有机化学气相淀积( MOCVD)CMOS原有的结构层作为MEMS结构层的微加工。方法制作PZT薄膜温度已降低到430 ~475°C[4]这个温度2.1 淀积新的结构材料作MEMS结构的集成技术还在中国煤花工生为结构层是很有希望与2.1. 1多 晶硅作为结构层的集成表面微细加工技术CMGTH这种工艺典型代表是伯克利大学开发模块集成CMOS. CNMHGms结构的集成技术与MEMS工艺( modular integration of CMOS with micro-struc-2.2.1牺牲 铝的微加工技术trures ,MICS )这种方法是以多晶硅为微结构层磷硅玻璃.如果CMOS金属化合物用作牺牲材料则可能存在和(PSG)作为牺牲层的表面微细加工技术。采用难熔金属钨CMOS工艺完全兼容的表面微细加工工艺,这种方法被称的金属化互连代替铝金属化互连以承受后面的生产多晶硅作牺牲铝蚀刻sacrificial aluminum etching SALE)。在许多第3期江建明等单片集成MEMS技术CMOS工艺过程中都采用了两层由铝合金构成的金属层。采用XeF2干法蚀刻的post-CMOS工艺也得到很大的第1层金属作为牺牲层被清除可以制造出电介质金属化发展。XeF2 是一种各向异性硅蚀刻剂,蚀刻速度很高,它合物第2层由金属和钝化物组成第2层金属介于两个电是惰性气体氙的一种稀有化合物。XeF, 既不蚀刻IC绝缘介质之间适当结构化后便可以作为反射镜、电极、热电阻层也不蚀刻铝合金金属化合物因此和CMOS完全兼容。或电热调节器。其基本工艺过程包括( 1 )保护电气连接经过适当的区域设计、连接和加掩模在指定部位打开绝缘触点不受到蚀刻(2)腐蚀牺牲铝层(3)涮洗清除微结构层使基底硅局部暴露给蚀刻剂。因为XeF2即不蚀刻陶里面的蚀刻剂( 4 )烘干微机构。瓷也不蚀刻塑料,从而适合集成CMOS微系统的微加工。2.2.2单 晶体硅活化蚀刻和金属化法使用这种方法可在已完成的CMOS芯片上无掩模蚀刻出微单体硅活化蚀刻和金属化法( single crystal reactive机构[8]。etching and melallization SCREAM )可用于制造梁、桥这样3发展趋势的结构甚至可以用单晶硅制造更复杂的结构'1。这种方单片集成MEMS技术已开发10多年了,已得到了迅猛法始于制造完的CMOS电路硅片,首先淀积一层覆盖接触.发展也涌现出各种MEMS制造服务组织和企业,从而可孔的氧化硅这层氧化物保护CMOS电路免受后面工艺影以获得-些组织或直接由特殊集成电路制造商提供MEMS响并通过反应离子蚀刻RIE )图形化这层氧化物遮蔽层;加工。代表微系统IC技术发展方向的组织包括美国的然后,RIE 蚀刻硅沟槽深度可达到10 um氧化硅薄膜淀积MOSIS ,Europractice 和欧洲的TIMACMP美国北卡罗纳州下来覆盖在侧面和水平面上。通过反应离子蚀刻掉水平的Cronos集成微系统公司除了提供基本的CMOS工艺以面上的氧化物而使竖直面受到保护第二次反应离子蚀刻外还提供体微加工和表面微加工、LICA工艺以及多用户.硅最后各向同性蚀刻硅释放出悬浮的微结构,同时,蚀微机电系统工艺等美国桑迪亚国家实验室开发的超平面刻接触孔氧化物并溅射金属这层金属化淀积物使大纵横多层多晶硅工艺也已商品化在欧洲从事特殊应用集成电比的梁变成电容性元素用厚的抗蚀剂作掩蔽模图形化金路制造技术研究的包括奥地利微系统公司和瑞士的EM微属层。由于SCREAM的每-步均在低于300C的温度下进电子公司。还有很多基于传感器的特殊硅工艺也已经被研究出来如德国的罗伯特博施公司和挪威的SensoNor公行的,因此是与CMOS电路兼容的。司等。从目前来看集成MEMS技术将有如下趋势:2.2.3大纵横 比的CMOS-MEMS工艺( 1 )post-CMOS集成方法仍将是未来的主要开发技术,Garnegie Mellon大学开发的与CMOS兼容干法蚀刻方法°]它应用各向同性硅蚀刻产生绝缘薄膜CMOS介质和并将现有实验室已开发的各种post-CMOS单片集成MEMS金属化层在这个工艺中不仅用作金属互连而且还作为微技术产业化;机械结构层。基本工艺过程为首先标准的CMOS工艺采(2)在集成MEMS系统上集成更多的复杂的电路包括用三层金属0.5μm N阱工艺实现其次,金属层1和2被数字接口和微控制器这样得到功能更强大、价格便宜的智用作电活性层而第3层作为微机械加工的蚀刻掩模。应能系统;(3)开发封装技术保护CMOS芯片免受环境的影响,用化合物CHF;/O2的反应离子蚀刻( RIE)使整个芯片上不仅需要开发适应MEMS集成系统的封装而且,也需要.的钝化层被清除掉在第3层金属断开区域,CMOS薄膜夹开发能适应封装的单片MEMS集成技术。层被一直蚀刻至基底而上面覆盖有第3层金属的CMOS4结束语薄膜夹层则保留完好;最后采用SF。/O2等离子在不蚀刻单片集成MEMS是实现智能传感器的关键也是IC业微结构侧壁情况下各向同性蚀刻硅衬底。狭窄的绝缘层和发展的一个重要方向。虽然目前各种方法都还存在-些问导电层融为一体制造出梁和桥例如梳状驱动器这样的微题但是随着对其不断的研究与CMOS工艺兼容性各种问结构。题也会一-解决。本文对单片集成MEMS技术对工艺提2.2.4体加工 CMOS-MEMS工艺主要是通过蚀刻硅衬底等体加工技术来形成所需的出的要求进行了讨论并对目前各种单片集成MEMS技术特点工艺流程进行了介绍,同时，还给出未来单片集成MEMS结构这种技术主要以苏黎世大学为主”。可以从MEMS技术未来发展趋势。正面蚀刻硅衬底也可以从反面蚀刻硅衬底利用各向异性中国煤化工腐蚀(100)方向的特性,从硅的正面蚀刻是可以得到未封[1TYHC pt al. Mrofabrication teh.闭的微结构,如梁和支撑膜等,可选用的蚀刻剂可以是氢CNMH GJ] Poedling of the IEE,2003 91(6) 839 - 863.氧化四甲基铵水溶液(TMATH)或乙烯二胺溶液(EDP)。[2] Franke A E ,Heck J M ,King T-J ,et al. Polycytalline silicon-通过从已完成的硅片背部蚀刻硅片可以得到封闭的介电薄germanium films for integrated microsystems [ J ]. Microelectro-膜需要一个额外的掩模定义膜片的大小通常采用的蚀刻mechanical Systems 2003 ,12( 2) 160-171.剂是KOH。(下转第6页)6传感器技术第24卷2.3 pm对应温度分辨力约为0.2C但由于目前的光纤激3结束语光器的稳定性及可调谐范围不太理想在一定程 度上限制随着对光纤光栅传感系统的深入研究其研究的重点:了光纤光栅传感器的个数和使用范围。一是对传感器能同时感测应变和温度变化的研究:二是对2光纤光栅传感系统的发展趋势信号解调系统的研究三是对光纤光栅传感器的封装技术、为了适应未来光纤光栅传感系统网络化、大范围、准分温度补偿技术、光源稳定性、传感系统网络化等实际应用研布式测量。许多研究者正在光纤光栅传感系统的各方面进究。特别是随着全光网络的发展光纤光栅传感系统可以行不断的研究使系统得到优化。光纤光栅传感系统的优应用成熟的波分复用、时分复用和空分复用技术以实现准化主要从三方面考虑即光源光纤光栅传感器及信号解分布式光纤传感复用数目多、测量精度高、灵敏度高的光.调。对于传感系统的优化主要是根据传感器的数目、传感纤光栅系统网将会在生产领域中有更广泛的应用。器的灵敏度和解调系统的分辨力根据实际的测量需要配参考文献:置不同的光源、传感器和解调系统使得成本低、测量误差[1] Falquier D G ,Shaw H J ,Digonnet M J F. A polarization-stable小测量精度高。针对未来光纤光栅传感系统网络化的要Er-doped superfluorescent fiber source including a Faraday rotator求应使用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺.miro[ J ] IEEE Photonics Technology Leters ,2000 ,12( 11 ):钕、掺镱等离子的光源是今后发展的重点。光纤光栅传感1465 - 1467.器既能实现单参量的测量又能实现多参量的测量。当单[2] Tsai S C ,Law P C ,Chen Y K. High-power flat L-band erbium-doped fiber ASE source using dualforward-pumping scheme[ J ]参量测量时应提高传感器的灵敏度和测试精度。在实际Optical and Quantum Electronics 2003 35( 2 ):161 - 167. .应用中要注意传感器的灵敏度和量程之间的折中。灵敏. 3 ] Zhao Yong Liao Yan-biao . Discrimination methods and demnodu-度高了量程自然小了。这是因为光纤光栅的应变有一个lation techniques for fiber Bragg grating sensan[ J ] Optics and极限值超过这个极限值光栅就会被破坏。为实现准分布Lasers in Engineering 2004 A41( 1 )1 - 18.式测量传感器复用数目较多在布置传感器时,有时一个[4] 王目光李唐军卓锋等.应变和温度同时测量光纤光栅点要布置灵敏度不同的多个传感器,以实现温度和压力的传感器的研究J]传感器技术2001 20(9 )10-14.大范围测量。由于传感量主要是微小波长偏移为载体所[5]孙安乔学光,贾振安等.耐高压光纤Bragg光栅压力传感以一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分辨力。技术研究J]光子学报2004 3( 7 ):823 -825.其次要解决动态与静态信号的检测问题尤其是二者的结[6] Liu Yun-qi ,Guo Zhuan-yun ,Zhang Ying ,et al. Simulataneous合性检测已成为光栅传感实用解调技术中的难点。光纤光pressure and measurement with polymer coated fiber Bragg栅传感系统应用最大的优势在于很好地进行传感器的复用grating[ J ] Electronic Letters 2000 36( 6) 564 - 566.实现分布式传感,如美国的Micron Optics公司新推出的[7] 张昕明,余有龙,朱勇.光纤光栅传感系统信号解调技术[J]光电子技术与信息2002 15(4)17 -20.FBGSLI采用可调激光扫描方法利用时分技术,可以同时8]姜德生何伟.光纤光栅传感器的应用概况[ J]光电子.对四路光纤多达256个Bragg光栅进行查询。因此,未来激光2002 ,13(4) ;420 -430.的光纤光栅传感系统将能满足单点高精度的实时测量,又作者简介:能适应网络化的准分布式的多点多参量的测试要求在未禹大宽( 1980- )男河南驻马店人硕士研究生主要从事光来的传感领域发挥更大的作用。纤传感与光纤通信方面的研究。(上接第3页)aspect-atio integrated silicon microstructure{[ J ] J Microelectro-mechanical Syst 2002 ,11 93 - 101.[ 3 ] Niklaus F Haasl S Stemme G, Arrays of monocrystalline silicon mi-cromirors fabricated using CMOS compatible transfer bonding[ J ][7 ] Lange D ,Hagleitner C Hierlemann A pt al. Complementary metalMicroelectromechanical Systems 2003 ,12( 4 ) ;465 - 469.oxide semiconductor cantilever array on a single chip :Mass-sensi-[4] LungS L ,Lin D ,Chen S S ,et al. Modularized low tenperaturetive detection of volatile organic compounds[ J ] Anal Chem ,LNO/ PZT/LNO frolecrie capacitor-over interconneet( C0I )2002 ,74 3084 - 3095.FeRAM for advanced S0Q( AS0C ) Applicatior[ A ] ProceedingsI8]中国煤化工ngelo C H. Modeling and charaof the IEEE Custom Integrated Circuits Conference[ C ] OrlandoTY HC NM H Gon elching using vapor-phaseFlorida IEEE 2002. 479 - 482.xenon difluoride[ A ] Proc. IEEE MEMS2004[ C ] Maastricht[5] LeeCS B ,Webb R Y ,ChongJ M ,et al. Single crystal siliconNetherlands IEEE 2004. 737 - 740.( SCS ) micromirror arrays using deep silicon etching and IR a-lignment[ A ] Proc IEEE MEMS2002[ C ] Miyazaki Japan :IEEE 2002. 441 -448.江建畈( 1979- )男江西黎川人在读研究生研究方向为集[6] Xie H Erdmann L Zhu X et al. Post-CMOS processing for high-成MEMS技术研究。