SiGe MEMS技術(shù)

MEMS技術(shù)自20世紀(jì)70年代末80年代初掀起第一輪商業(yè)化浪潮，其后經(jīng)歷了四次較大的變革。如今，除傳統(tǒng)的應(yīng)用外，推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無(wú)源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及生化藥品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動(dòng)器件等。

MEMS的很多應(yīng)用要求與傳統(tǒng)的電子制造不同，比如說(shuō)，MEMS包含更多的工藝步驟、背面工藝、特殊金屬以及晶圓鍵合等等。從理論上講，將電路部分和MEMS集成在同一芯片上可以提高整個(gè)電路的性能、效率和可靠性，并降低制造和封裝成本。因此，眾多的研究機(jī)構(gòu)將目光集中在了半導(dǎo)體制造中現(xiàn)有的CMOS、SiGe和GaAs等工藝。

提高集成度的一個(gè)主要途徑是通過(guò)表面微加工方法，在微電子裸片頂部的保留區(qū)域進(jìn)行MEMS結(jié)構(gòu)后處理。但是必須考慮溫度對(duì)前面已制造完成的微電子部分的破壞，所以對(duì)單片集成來(lái)講，在低溫下進(jìn)行MEMS制造是一個(gè)關(guān)鍵。根據(jù)MEMS器件的結(jié)構(gòu)特性，傳統(tǒng)的多晶硅處理工藝不能用來(lái)集成MEMS器件和傳統(tǒng)芯片。多晶硅芯片處理要求800度以上的高溫，如此高的溫度會(huì)損害甚至破壞MEMS結(jié)構(gòu)。但SiGe工藝則使MEMS集成到標(biāo)準(zhǔn)硅基電子器件上部成為可能（圖１）。

目前已開(kāi)發(fā)了多種用于SiGe MEMS的工藝，主要的發(fā)展趨勢(shì)是降低工藝溫度或在相同溫度下加快淀積速度。采用多層工藝，并結(jié)合PECVD和CVD技術(shù)，可在450℃以下的低溫獲得高質(zhì)量的薄膜（圖2），其淀積速度為100nm/min。通過(guò)調(diào)節(jié)SiH4的氣體流量或增加應(yīng)力補(bǔ)充層，SiGe層的應(yīng)力或應(yīng)力梯度可以進(jìn)行調(diào)整。這對(duì)于在標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件上淀積較厚的SiGe層來(lái)說(shuō)非常理想。研究結(jié)果顯示，Al層與SiGe間的接觸是歐姆級(jí)的，滿(mǎn)足CMOS集成的要求。

比利時(shí)IMEC開(kāi)發(fā)了一種多晶SiGe淀積技術(shù)，其臨界溫度為450℃，而多晶硅為800℃。不過(guò)溫度低時(shí)淀積速度也慢，因此又開(kāi)發(fā)了第二種淀積速度更高、溫度為520℃的方法。SiGe由不同Ge含量的兩層組成：體層(超過(guò)65%Ge)和頂層(超過(guò)50%Ge），分別由改變淀積氣體的成分得到。IMEC選擇雙層成分作為得到近似零應(yīng)變梯度的無(wú)支撐微光鏡的方法。因?yàn)閷娱g高硅含量（上面）產(chǎn)生的應(yīng)力由于高度壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)楦哝N含量(體)的層間低張力，此版本結(jié)構(gòu)的應(yīng)變梯度可壓縮頂層微調(diào)，以補(bǔ)償體材料的實(shí)際應(yīng)變梯度，得到超平版本的微光鏡。采用CMP工藝降低表面粗糙度以提高光鏡的反射率。平面化后，定型并刻蝕SiGe層以得到微光鏡結(jié)構(gòu)。最終的版本采用了犧牲SiO2的無(wú)粘滯蒸汽HF刻蝕。與在SiGe光鏡上曝光的Al鍵合襯墊和可能的薄Al涂層一致。

德國(guó)博世則制造出了單芯片角速度傳感器(陀螺儀)。其方案是在形成CMOS之后，再在上面形成MEMS。利用可在較低的溫度下形成的poly-SiGe來(lái)形成MEMS部分，這樣就不會(huì)對(duì)CMOS部分造成影響。多晶SiGe的工藝溫度在400～500℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于已達(dá)實(shí)用水平的多晶硅所需的800℃以上。形成MEMS部分的多晶SiGe僅厚10μm，比較容易制成高精度的傳感器。多晶SiGe則可在相當(dāng)?shù)偷臏囟认绿峁㎝EMS應(yīng)用所需的機(jī)械和電子特性。

SiGe對(duì)在未來(lái)的有源CMOS電路上加工MEMS來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)。它有和多晶硅可比擬的電學(xué)和機(jī)械特性，但能在更低的溫度下加工。此方法不僅適用于以上提到的情況，也可用于大量的MEMS結(jié)構(gòu)的通用技術(shù)。