版图设计和制作工艺

针对SOI 集成传感器芯片结构的特殊性，同时考虑到芯片成品率和器件的可靠性，根据已经开发的普通压阻工艺规则、考虑到光刻和键合设备能力、同时为保证加速度传感器件结构布线的需求制定了集成传感器芯片的工艺规则。

为保证结构加工的成品率，加速度传感器弹性支撑悬臂梁的厚度设计为30um 。考虑到整个器件的尺寸、加速度传感器的量程等诸多因素，加速度传感器支撑悬臂梁的宽度必须比较小；但为保证在一条弹性悬臂梁的宽度范围内并排放下两个压阻和六条金属导线，同时又要将图形尺寸设计的足够大，以尽可能减少加工偏差对图形尺寸影响的比例，以获得较高的成品率和可靠性。综合考虑以上因素，布线的工艺规则以5um 为最小图形线宽和间隔、压阻图形面引线孔覆盖最小为2um 、双面光刻和对准键合的图形覆盖最小为4um ，其他还要求器件的焊盘最小间距大于100um 、焊盘面积大于100100um um 、硅片划片槽宽度为200um 。

MEMS 光刻掩模版介绍

光刻技术是一种将掩模版的图形转移到衬底表面的图形复制技术，即利用光源选择性照射光刻胶层使其化学性质发生改变，然后显影去除相应的光刻胶得到相应图形的过程。光刻得到的图形一般作为后续工艺的掩模，进一步对光刻暴露的位置进行选择性刻蚀、注入或者淀积等。

MEMS 掩模版是一块单面附有金属铬层的厚度为c 的石英玻璃平板，掩模图案构造于铬层中。光刻掩模版的制作是MEMS 器件加工流程的开始。一般对掩模版的设计要求为：图形的尺寸要准确；图形边缘应光洁，陡直和无毛刺；图形黑白对比要深，图形内无针孔，图形外无黑点；整套版中的各块能一一套准；底版要牢固、耐磨；各图形区内应有掩蔽作用，图形区外应完全透过紫外光或对光吸收极少。

根据制定的集成传感器的工艺规则，结合需要的MEMS 器件结构，就可以开始进行MEMS 掩模版的版图设计。版图是一组具有一定对应关系的图形，它与器件的结构、所用的加工工艺密切相关，每层版图都对应于不同的工艺步骤。在加工过程中，各层版图利用十字对准标记进行光刻对准，以保证对准精度。MEMS 掩模版的制作是根据设计完成的版图来进行的。

集成传感器的版图设计说明

课题工艺流程设计首先必须考虑集成传感器的结构要求，由于集成传感器需要集成两种不同的传感器，因此在工艺流程设计中不但要求考虑单个传感器的制作，还要考虑各个传感器的工艺兼容性，同时根据三种传感器的结构尽量安排兼容性的工艺步骤，以减少工艺流程的复杂性和成本。集成传感器中可以兼容的工艺步骤包括：在器件正面分布的两种传感器浮雕式敏感电阻的制作；在器件背面的加速度传感器质量块和支撑膜的制作；加速度传感器支撑基底的制作等。同时课题工艺流程设计还必须考虑器件结构的可加工性、成品率和一致性的要求，以适应器件进一步工程化的需求。

因此在芯片工艺的研发过程中，从工艺原理和器件工作原理和结构特点出发，对器件工艺要求、指标进行了综合分析，经过工艺流程和版图设计的优化，确定了三轴加速度和温度集成传感器的工艺流程。集成传感器采用SOI硅片，整个工艺流程公用8块掩模版，分别为P+欧姆接触版（M1）、敏感电阻版（M2）、背腔版1（M3）、背腔版2（M4）、引线孔版（M5）、金属引线版（M6）、正面穿透版（M7）和玻璃金属电极版（M8）。其中P+欧姆接触版（M1）实现集成传感器中敏感电阻与金属引线的欧姆接触区，以及温度传感器温敏电阻的硼离子掺杂；敏感电阻版（M2）是负版，实现集成传感器中各个浮雕式敏感电阻；背腔版1（M3）和背腔版2（M4）用来实现加速度传感器质量块和悬臂梁；引线孔版（M5）实现敏感电阻与金属引线的接触孔定义；金属引线版（M6）用来完成器件间各个部分的电信号的互联，以形成完整的电路；正面穿透版（M7）用来形成加速度传感器的四个支撑悬臂梁；

本集成传感器利用Tanner L-Edit设计软件进行版图设计，版图设计完成后，即可交付用于制作光刻掩模版。

集成传感器的工艺流程

（1）使用HF溶液，清洗硅片。

（2）硅片的压敏电阻P-区硼掺杂至需要的浓度，具体过程为：硅片表面进

行热氧化工艺（厚度

500A）以提高离子注入均匀性；SOI硅片的器

件层进行硼离子注入，获得p型掺杂，注入能量为80keV，注入剂量为142

310cm-

⨯；注入杂质再分布的阱推（drive-in）扩散退火过程，退火温度1100℃，时间为1.5小时。为了保证所需要的杂质浓度，同时

保证在整个SOI 器件层中的杂质浓度均匀分布，注入过程采用氮气环境。

（3） 在金属接触区硼离子注入，形成P+区域，其具体过程为：利用P+欧

姆接触版，光刻M1区；再次硼离子注入，注入剂量为1621.510cm -⨯，注入能量为80keV ，以形成低阻的欧姆接触区和温度传感器的温敏电阻区，扩散退火的过程则利用下一步工艺步骤中的热氧化制备2SiO 层的工艺条件来完成，2SiO 热氧化的工艺条件：温度1000℃，时间60分钟。

（4） 利用P-敏感电阻版，光刻形成M2电阻图形；感应耦合等离子刻蚀技

术（ICP ）刻蚀其余区域的Si 器件层至2SiO 绝缘层，以形成集成传感器的浮雕式电阻，刻蚀厚度为1.65um 。然后通过热氧化工艺制备一层厚度为0

4000A 的2SiO 层，然后在这层2SiO 膜上面，使用低压化学气相沉积（LPCVD ）工艺交错制备两层034Si N (1100A)和一层

02SiO (2500A)复合薄膜，

作为接下来两次KOH 湿法腐蚀形成加速度质量块运动间隙腐蚀的掩模层，其中的热氧化工艺制作的2SiO 层还可以作为34Si N 薄膜的应力缓冲层。2SiO 热氧化工艺的条件：温度

1000℃，时间60分钟，这步热氧化工艺不但能利用硼离子杂质分凝提高电阻值以保证器件输出幅度，而且不影响杂质分布保证器件温度特性，同时能激活P+注入区。

（5） 利用背腔版1，背面光刻，刻蚀背面第一层2SiO 和34Si N ，形成M3

区（加速度传感器的悬臂梁区）的第一次KOH 腐蚀的掩模层；然后利用背腔版2，再次背面光刻，刻蚀背面第二层2SiO 和34Si N ，形成M4区（加速度传感器质量块的运动间隙区）的第二次KOH 腐蚀的掩模层；34Si N 和2SiO 复合薄膜刻蚀过程中，RIE 刻蚀背面34Si N 层，BHF 溶液刻蚀背面2SiO 层。