MEMS器件及其制造方法技术

本申请公开了MEMS器件及其制造方法。所述MEMS器件包括：衬底；位于衬底上的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括在衬底上形成的空腔以及位于空腔上的结构层；以及位于MEMS传感器上的晶体管，其中，所述晶体管的至少一部分形成在所述MEMS传感器的结构层中。该MEMS器件将MEMS传感器和晶体管堆叠形成垂直结构，从而减小芯片尺寸、提高芯片性能以及降低器件成本。

MEMS device and method of manufacturing the same

The invention discloses a MEMS device and a manufacturing method thereof. The MEMS device includes: a substrate; the substrate is located on the MEMS sensor, the MEMS sensor includes a cavity formed on the substrate and the structural layer located in the cavity; and in transistor, MEMS sensor in which at least a portion of the transistor formed on the structure layer of the MEMS sensor in. The MEMS device forms a vertical structure of the MEMS sensor and the transistor stack, thereby reducing the size of the chip, improving the performance of the chip and reducing the cost of the device.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子机械系统(MEMS)
，更具体地，涉及单片集成的MEMS器件及其制造方法。
技术介绍
MEMS(MicroElectromechanicalSystem，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。目前，MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪和硬盘驱动头等。随着集成电路小型化和多功能化的发展，MEMS传感器与信号处理电路的集成已经成为一种必然趋势。二者的集成方法有三种：混合集成、半混合集成和完全单片集成。混合集成是将MEMS传感器与信号处理电路制造在不同的管芯中，然后封装成一个封装组件。半混合集成是将MEMS传感器和信号处理电路制作在不同的硅晶片上，采用硅晶片级的键合实现二者的互连，然后封装成一个封装组件。完全单片集成则是将MEMS传感器和信号处理电路制作在同一个硅晶片上，形成单个管芯。单片集成的MEMS器件是目前最主流和最先进的技术。在现有的单片集成MEMS器件制造工艺中，首先在硅晶片的第一区域制作信号处理电路的晶体管等结构，然后采用牺牲层保护第一区域，在硅晶片的第二区域制作MEMS传感器。MEMS传感器和信号处理电路的晶体管形成平面结构，最后形成金属互联。在这种制造工艺中，MEMS传感器和晶体管的制作工艺彼此独立，互不兼容，因而存在着制造步骤多导致工艺复杂化的问题。另外，由于MEMS传感器和信号处理电路按照平面结构布置，因此导致管芯面积增加。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提供一种将MEMS传感器和晶体管堆叠形成垂直结构的MEMS器件及其制造方法，从而减小芯片尺寸、提高芯片性能以及降低器件成本。根据本专利技术的一方面，提供一种MEMS器件，包括：衬底；位于衬底上的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括在衬底上形成的空腔以及位于空腔上的结构层；以及位于MEMS传感器上的晶体管，其中，所述晶体管的至少一部分形成在所述MEMS传感器的结构层中。优选地，所述MEMS传感器还包括：位于衬底上的第一种子层，在所述第一种子层中形成所述空腔；位于所述空腔上的第二种子层，其中，所述结构层包括所述第二种子层以及在所述第一种子层和所述第二种子层的表面上形成的外延层。优选地，所述MEMS传感器还包括：位于所述第一种子层中的第一隔离结构，所述第一隔离结构围绕所述空腔，用于限定所述MEMS传感器的有源区域。优选地，所述第一隔离结构为位于所述第一种子层中的掺杂区，所述第一隔离结构从所述第一种子层表面向下延伸，其结深为5微米以上。优选地，所述晶体管为CMOS晶体管或双极性晶体管。优选地，所述晶体管的阱区形成在所述MEMS传感器的结构层中，所述晶体管还包括形成在阱区中的源/漏区、以及形成在阱区上的第一栅叠层。优选地，所述晶体管还包括位于第一栅叠层两侧的栅极侧墙，以及位于第一栅叠层表面上的硅化物层。优选地，还包括：层间介质层；在层间介质层中形成的开口；以及在层间介质层上形成经由开口到达所述源/漏区和所述第一栅叠层的互连。优选地，还包括：位于所述晶体管上的钝化层，用于保护所述MEMS器件的内部结构。优选地，还包括：第二隔离结构，用于限定所述晶体管的有源区，其中，所述第二隔离结构为采用硅局部氧化工艺形成的氧化层。优选地，还包括：第三隔离结构，用于限定所述晶体管的有源区，其中，所述第三隔离结构为浅沟槽隔离。优选地，所述MEMS传感器为压阻式传感器。优选地，还包括：多个敏感电阻，分别为位于所述外延层中的掺杂区，其中，所述多个敏感电阻位于所述晶体管的有源区的外部。优选地，还包括：多个第二栅叠层，分别位于所述多个敏感电阻上，其中，所述多个第二栅叠层的一个与所述多个敏感电阻中的相应一个分别组成电阻元件，用于改善压敏电阻的温度系数。优选地，所述多个敏感电阻的个数为四个，所述MEMS器件还包括：互连，用于将所述四个敏感电阻连接成惠斯通电桥。优选地，所述MEMS传感器为电容式传感器。优选地，还包括：接触区，所述接触区为位于所述外延层中的掺杂区，其中，所述接触区位于所述晶体管的有源区的外部。优选地，所述结构层的厚度为6微米至10微米。优选地，所述第一种子层的厚度为10微米至50微米。优选地，所述阱区从所述结构层的表面向下延伸2微米至4微米。优选地，所述源/漏区从所述阱区的表面向下延伸0.5微米至2微米。根据本专利技术的另一方面，提供一种MEMS器件的制造方法，包括：在衬底上形成MEMS传感器，所述MEMS传感器包括在衬底上形成的空腔以及位于空腔上的结构层；以及在MEMS传感器上形成晶体管，其中，所述晶体管的至少一部分形成在所述MEMS传感器的结构层中。优选地，形成所述MEMS传感器的步骤包括：在衬底上形成第一种子层；在所述第一种子层中形成第一隔离结构，所述第一隔离结构用于限定所述MEMS传感器的有源区域；在所述第一隔离结构限定的有源区域内进行电化学腐蚀，从而在所述第一种子层中形成彼此邻接的第一多孔层和第二多孔层，所述第一多孔层位于所述第二多孔层的下方，并且所述第一多孔层的孔隙率高于所述第二多孔层；进行退火，使得所述第一多孔层转变成所述空腔，以及所述第二多孔层转变成第二种子层。优选地，所述第一多孔层的厚度为5.5至6.5微米，所述第二多孔层的厚度为0.5至1.5微米。优选地，所述第一多孔层的孔隙率为70％-90％，所述第二多孔层的孔隙率为10％-40％。优选地，所述第一种子层是P型硅层，所述第一隔离结构为N型掺杂区。优选地，在电化学腐蚀中，所述第一种子层连接电源的正电极，所述衬底连接电源的负电极。优选地，在所述电化学腐蚀中，先后施加第一电流和第二电流，其中，所述第一电流的电流密度小于所述第二电流的电流密度。优选地，所述第一电流的电流密度为20至50毫安每平方厘米，第二电流的电流密度为50至100毫安每平方厘米。优选地，在所述电化学腐蚀中采用酸性溶液。优选地，所述退火的温度高于1050摄氏度。优选地，在形成第一隔离结构的步骤和进行电化学腐蚀的步骤之间，还包括：在所述第一种子层上形成硬掩模，其中，所述硬掩模与所述第一隔离结构对准，并且与所述第一隔离结构一起限定所述MEMS传感器的有源区域。优选地，所述硬掩模为氮化硅层。优选地，形成结构层的步骤包括：在所述第一种子层和所述第二种子层的表面形成外延层。优选地，所述结构层的厚度为6微米至10微米。优选地，所述晶体管为CMOS晶体管或双极性晶体管。优选地，所述晶体管的阱区形成在所述MEMS传感器的结构层中，所述晶体管还包括形成在阱区中的源/漏区、以及形成在阱区上的第一栅叠层。优选地，在形成晶体管的步骤之后，还包括：在所述晶体管上形成层间介质层；在层间介质层中形成开口；以及在层间介质层上形成经由开口到达所述源/漏区和所述第一栅叠层的互连。优选地，在形成晶体管的步骤之后，还包括：在所述晶体管上形成钝化层，用于保护所述MEMS器件的内部结构。优选地，所述第一种子层的厚度为10微米至50微米。优选地，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS器件，包括：衬底；位于衬底上的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括在衬底上形成的空腔以及位于空腔上的结构层；以及位于MEMS传感器上的晶体管，其中，所述晶体管的至少一部分形成在所述MEMS传感器的结构层中。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS器件，包括：衬底；位于衬底上的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括在衬底上形成的空腔以及位于空腔上的结构层；以及位于MEMS传感器上的晶体管，其中，所述晶体管的至少一部分形成在所述MEMS传感器的结构层中。2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述MEMS传感器还包括：位于衬底上的第一种子层，在所述第一种子层中形成所述空腔；位于所述空腔上的第二种子层，其中，所述结构层包括所述第二种子层以及在所述第一种子层和所述第二种子层的表面上形成的外延层。3.根据权利要求2所述的MEMS器件，其中，所述MEMS传感器还包括：位于所述第一种子层中的第一隔离结构，所述第一隔离结构围绕所述空腔，用于限定所述MEMS传感器的有源区域。4.根据权利要求3所述的MEMS器件，其中，所述第一隔离结构为位于所述第一种子层中的掺杂区，所述第一隔离结构从所述第一种子层表面向下延伸，其结深为5微米以上。5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述晶体管为CMOS晶体管或双极性晶体管。6.根据权利要求5所述的MEMS器件，其中，所述晶体管的阱区形成在所述MEMS传感器的结构层中，所述晶体管还包括形成在阱区中的源/漏区、以及形成在阱区上的第一栅叠层。7.根据权利要求6所述的MEMS器件，其中，所述晶体管还包括位于第一栅叠层两侧的栅极侧墙，以及位于第一栅叠层表面上的硅化物层。8.根据权利要求6所述的MEMS器件，还包括：层间介质层；在层间介质层中形成的开口；以及在层间介质层上形成经由开口到达所述源/漏区和所述第一栅叠层的互连。9.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，还包括：位于所述晶体管上的钝化层，用于保护所述MEMS器件的内部结构。10.根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括：第二隔离结构，用于限定所述晶体管的有源区，其中，所述第二隔离结构为采用硅局部氧化工艺形成的氧化层。11.根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括：第三隔离结构，用于限定所述晶体管的有源区，其中，所述第三隔离结构为浅沟槽隔离。12.根据权利要求1-11任一所述的MEMS器件，其中，所述MEMS传感器为压阻式传感器。13.根据权利要求12所述的MEMS器件，还包括：多个敏感电阻，分别为位于所述外延层中的掺杂区，其中，所述多个敏感电阻位于所述晶体管的有源区的外部。14.根据权利要求13所述的MEMS器件，还包括：多个第二栅叠层，分别位于所述多个敏感电阻上，其中，所述多个第二栅叠层的一个与所述多个敏感电阻中的相应一个分别组成电阻元件，用于改善压敏电阻的温度系数。15.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中，所述多个敏感电阻的个数为四个，所述MEMS器件还包括：互连，用于将所述四个敏感电阻连接成惠斯通电桥。16.根据权利要求1-11任一所述的MEMS器件，其中，所述MEMS传感器为电容式传感器。17.根据权利要求16所述的MEMS器件，还包括：接触区，所述接触区为位于所述外延层中的掺杂区，其中，所述接触区位于所述晶体管的有源区的外部。18.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述结构层的厚度为6微米至10微米。19.根据权利要求2所述的MEMS器件，其中，所述第一种子层的厚度为10微米至50微米。20.根据权利要求6所述的MEMS器件，其中，所述阱区从所述结构层的表面向下延伸2微米至4微米。21.根据权利要求20所述的MEMS器件，其中，所述源/漏区从所述阱区的表面向下延伸0.5微米至2微米。22.一种MEMS器件的制造方法，包括：在衬底上形成MEMS传感器，所述MEMS传感器包括在衬底上形成的空腔以及位于空腔上的结构层；以及在MEMS传感器上形成晶体管，其中，所述晶体管的至少一部分形成在所述MEMS传感器的结构层中。23.根据权利要求22所述的方法，其中，形成所述MEMS传感器的步骤包括：在衬底上形成第一种子层；在所述第一种子层中形成第一隔离结构，所述第一隔离结构用于限定所述MEMS传感器的有源区域；在所述第一隔离结构限定的有源区域内进行电化学腐蚀，从而在所述第一种子层中形成彼此邻接的第一多孔层和第二多孔层，所述第一多孔层位于...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，闻永祥，季锋，刘琛，
申请(专利权)人：杭州士兰集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33