CMOS集成压电MEMS工艺设计入门

逍遥设计自动化

引言
7 C$ f( Y5 Q( O6 F' W$ q在当今快速发展的微电子领域中，微机电系统（MEMS）与CMOS技术的集成代表着半导体制造的重要进展。本文探讨了压电MEMS器件工艺设计工具包（PDK）的开发，重点介绍了基于氮化铝（AlN）的技术及其与CMOS工艺的集成[1]。
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压电MEMS PDK的必要性
9 w) _5 r9 i/ o' n% R' d/ n与拥有完善工艺设计工具包的CMOS产业不同，MEMS领域缺乏标准化的设计流程。这种差距在压电MEMS中尤为明显，目前共用的多项目晶圆（MPW）工艺很少。开发压电MEMS PDK能使CMOS设计人员在不需要深入MEMS专业知识的情况下，创建集成系统。
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* g2 Y9 c0 X/ W, l. D0 g, M图1展示了压电MEMS工艺流程的横截面，说明了层状结构和集成方法。

  x2 y) N! V  ^9 C$ n: c+ z% C2
; i6 a8 a% x7 E$ w  W7 w层叠结构与工艺实现
该工艺采用精心设计的薄膜层叠结构，包括：
二氧化硅释放层（1000纳米）
氮化铝缓冲层（50纳米）
底部钛/铂电极（100/20纳米）
氮化铝压电层（0.5、1和1.5微米）
  h0 j+ [1 {1 ?  h5 H顶部钛/铝电极（200/20纳米）
顶部氮化硅缓冲层（300-900纳米）

: z9 W( N" b8 w- u# G  Y) n4 D4 A这种层叠配置支持释放器件和体耦合GHz换能器，适用于多种应用。该工艺已在4英寸和8英寸晶圆上成功实现，后者对CMOS兼容性具有重要意义。
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4 P* `; O4 a* A# m$ J$ m" e图2显示了掩模布局，包括双形变器、CMR、PMUT、FBAR和GHz换能器等各种器件区域。

; y& e8 S5 U9 G+ }3
/ Y3 R1 i7 Q$ l" J  \" s制造工艺与器件实现
( h; P9 V: g4 M制造工艺采用先进的加工技术，包括：
# A* N* G6 s. y1 ^: w& f8 f; \ASML 248纳米深紫外光刻工艺，实现高分辨率图形
UV210深紫外正胶配合UV42P抗反射涂层
& ~' S. q2 g% I: k) Z" |$ S优化的铂膜沉积，提高晶体质量
, w9 P- r: ^+ @* O2 W氮化铝沉积的精确应力控制
多步离子束刻蚀电极图形

3 C& E, q% v: M4 e# C3 o/ }. v. n

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, B8 M: q( p- A( s: |图3展示了包含释放和固定安装的氮化铝换能器以及用于双形变器的氮化硅缓冲层的工艺流程。

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器件表征与结果
) s3 A" B9 @% u: Y该工艺成功展示了多种器件类型，包括GHz换能器、FBAR和CMR谐振器。

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7 Z) r: D. q+ ]! b& V图4展示了已制造的器件：(a) FBAR（150x150微米），(b) CMR（150x100微米），(c) PMUT（2x4阵列，R=50微米），(d) GHz换能器（200微米x200微米）。
+ {( [' a& i8 C" p: t) \

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# x  M% Y5 O# e- g' z5 u图5展示了器件测量结果：(a) 100微米GHz BAW换能器的接收信号，(b) CMR的S11测量，(c) 100微米FBAR的Z11测量。
3 h* L: o/ u+ K
* S4 m4 p. E; C7 v7 ^性能测试显示：

GHz换能器通过3dB衰减器实现>80mVpp振幅

FBAR谐振器达到设计频率2.5 GHz

CMR器件展示预期的800 MHz谐振

虽然PMUT产率受选择性问题影响，但其他器件显示良好结果

6 s5 c5 J& X( i$ }5
6 W1 G) {. w8 R4 s未来发展方向
- z9 h# ^1 x2 i! K! s0 c要将这项工作转化为全面的PDK，需要以下关键发展：
* ?0 |* B2 @% k7 g4 n$ T1. 工艺流程改进：
实现图形化释放层
: b7 x; i. v# G+ o$ T集成电极间互连
添加频率调节功能
优化释放薄膜应力控制

' K, S# c9 s8 B2. PDK组件：
. n4 a# W7 m3 @! m  O1 o' M; t仅MEMS设计的Openlayout实现
; T: p, w3 c% I8 GCMOS-MEMS设计的OpenLayout集成
+ b) Y2 c* k2 d) _! w3 R. r9 k开发pVerify DRC和LVS规则库
3 {+ N9 J4 R2 E. a" X3 t创建原理图仿真模型
9 c& I: N# N/ P( F& u( [% u0 L实现版图参数单元

3. 支持系统：
$ S# G1 K% R' T带有有限元模型的参考设计
测量的S参数数据
' m/ h" T' m% ^! O) t% ^# `, p全面的设计指南
! ?  x* ?4 u- r( n% q工艺集成说明

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3 R# \& ^, I& D6 x+ [结论
CMOS集成压电MEMS PDK的开发标志着MEMS器件制造和集成标准化的重要进步。尽管在工艺优化和全面PDK开发方面仍存在挑战，但在单一工艺流程中成功制造多种类型器件显示了良好的发展前景。这项进展将显著推动MEMS技术在主流CMOS设计领域的应用，促进更加集成和精密的微系统发展。
6 N  H0 {& X) t; O) Z
多种类型器件（包括GHz换能器、FBAR和CMR谐振器）的成功集成，验证了统一工艺流程的可行性。未来的发展将集中在提高工艺可靠性、扩展器件功能和创建全面的设计工具，以支持在研究和商业应用中的广泛采用。

参考文献
[1] B. Davaji, J. Kuo, M. Rinaldi, and A. Lal, "Towards a CMOS integrated piezoelectric MEMS process design kit," in Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, Jun. 5-9, 2022, pp. 31-34.
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