MEMS 与CMOS 集成工艺技术的区别

MEMS 技术源于 CMOS 工艺技术，MEMS 与CMOS 集成是指在主流标准CMOS 工艺技术基础上制造 MEMS，即在芯片设计及工艺中由两个基本模块组成，一个模块是 CMOS 器件区，包括控制电路、信号处理电路、1/0接口电路等外围电路；另一个模块是 MEMS 器件区，主要进行微机械结构的加工制造。通过这种方法可以集成制备各种微系统，如压力与惯性传感器系统，化学与生化敏感、声学、仿生学和 RF MEMS 元件，以及电路感测系统等。进人21世纪以来，生物微机电系统(Bio-MEMS)备受关注，Bio-MEMS 是将以生物医疗诊断或生物信息分析为目的的生物芯片与 CMOS 集成在同一芯片上，其应用主要包括生物信息识别分析、医疗诊断、组织细胞工程、医疗注射及手术辅助等。制造过程由标准 CMOS 工艺和与其兼容的 MEMS 微机械加工工艺共同完成。MEMS微机械加工和 CMOS 工艺的集成可以通过不同的方法来实现，外加的工艺模块及步骤可以在标准 CMOS 工艺流程之前（Pre-CMOS/MEMS)、之中 (Intra-CMOS/MEMS)或之后 (Post-CMOS/MEMS）进行。

1、Pre-CMOS/MEMS 工艺

Pre-CMOS/MEMS 是指部分或全部的 MEMS 结构在制作 CMOS 之前完成，带有MEMS 微结构部分的硅片可以作为 CMOS 工艺的初始材料。

Pre-CMOS/MEMS 工艺是 Sandia National Laboratorices 开发的模块化 MEMS 加工技术。首先，在硅基片上采用各向异性的刻蚀方法形成浅隔离槽，接着在浅隔离槽中沉积多层多晶硅材料并加工形成微结构。形成 MEMS 微结构后，在隔离槽中沉积 SiO2等填充物质，并利用 CMP 平坦化硅片表面，最终的基片作为起始材料送到标准 CMOS 生产线上在预留的区域制备出 CMOS 电路部分。然后通过金属互连连接 CMOS 电路和 MEMS 结构，最后用干法刻蚀或化学腐蚀法将微结构释放，完成 Pre-CMOS/ MEMS 微机械加工。将 MEMS 结构在CMOS 之前完成，可以完全避免CMOS 电路受损，提高敏感 MEMS 器件的性能。

2、Intra-CMOS/MEMS 工艺

在标准的 CMOS 制作过程中，在后段互连金属之前也可以插人薄膜工艺以形成 MEMS 结构。这种方法多用于形成高温多晶硅的微结构，以确保多晶硅沉积和退火工艺与 CMOS 工艺兼容。首先在 CMOS 衬底上形成一层场氧作为牺牲层，然后沉积摻杂的或未掺杂的多晶硅层作为微结构层再用干法刻蚀或湿法刻蚀清除牺牲层，释放微结构。然后回到 CMOS 流程，在微结构表面沉积氧化硅，并继续制作其他 CMOS 后段金属互连线。

3.、Post-CMOS/MEMS 工艺

Post-CMOS/MEMS 工艺是指先在 CMOS 工厂完成标准的 CMOS 工艺，然后在专门的 MEMS 工厂完成 MEMS 工艺。Post-CMOS/MEMS 工艺成本比前两种工艺的成本低，是目前广泛应用的 CMOS/MEMS 工艺。只需要将传统的版图设计做适当的改变，保持Post-CMOS 的工艺温度不超过 450°C，最后通过刻蚀的方法将 MEMS 微结构释放出来，即可实现 MEMS 微结构与 CMOS 外围电路的单芯片集成。根据 CMOS 电路部分与 MEMS 结构部分相对位置的不同，Post-CMOS/MEMS 工艺可以分为如下3种。

(1） 在CMOS 衬底上形成整个 MEMS 结构：以低温多晶锗硅 （Poly-SiGe）为结构层的陀螺仪集成在常规的 0.35um CMOS 工艺平合上。

(2）带附加层的 Post-CMOS/MEMS 加工：为了避免杂质再分布，保持所需的高温稳定金属化，后处理的工艺温度必须低于 450°C。例如，MEMS 集成加速度计就是通过低温熔融键合（Fusion Bonding）在 CMOS 的金属层上叠加硅结构层，然后经过深反应离子刻蚀（DRIE）形成 MEMS 结构层，并由钨栓塞连接MEMS 和 CMOS。

(3） CMOS 与 MEMS 各自完成加工后，通过圆片级共晶键合 (Eutectic Bonding）集成单一芯片（如采用 CMOS 与 MEMS 圆片级键合集成加速度计陀螺仪）。该方法具有较好的工艺兼容性，MEMS 结构材料的选择可以多样化，并可有效节省芯片面积。