MEMS三维芯片集成技术

　　《MEMS三维芯片集成技术》一书由微机电系统（MEMS）领域的国际著名专家江刺正喜教授主编，对MEMS器件的三维集成与封装进行了全面而系统的探索，梳理了业界前沿的MEMS芯片制造工艺，详细介绍了与集成电路成熟工艺兼容的MEMS技术，重点介绍了已被广泛使用的硅基MEMS以及围绕系统集成的技术。主要内容包括：体微加工、表面微加工、CMOSMEMS、晶圆互连、晶圆键合和密封、系统级封装等。 本书全面总结了各类MEMS三维芯片的集成工艺以及目前最先进的技术，非常适合MEMS器件、集成电路、半导体等领域的从业人员阅读，为后摩尔时代半导体行业提供了发展思路以及研究方向，并且为电路集成和微系统的实际应用提供了一站式参考。

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第1部分 导论 1 第1章概述2 参考文献8 第2部分 片上系统（SoC） 9 第2章体微加工10 2.1体微加工技术的工艺基础11 2.2基于晶圆键合的体微加工技术14 2.2.1SOI MEMS14 2.2.2空腔SOI技术19 2.2.3玻璃上硅工艺：溶片工艺（DWP）20 2.3单晶圆单面加工工艺24 2.3.1单晶反应刻蚀及金属化工艺（SCREAM）24 2.3.2牺牲体微加工（SBM）27 2.3.3空腔上硅（SON）28 参考文献32 第3章基于MIS工艺的增强体微加工技术36 3.1多层3D结构或多传感器集成的重复MIS循环36 3.1.1PS3型结构的压力传感器36 3.1.2P+G集成传感器39 3.2压力传感器制备：从MIS更新到TUB41 3.3用于各种先进MEMS器件的MIS扩展工艺43 参考文献44 第4章外延多晶硅表面微加工46 4.1外延多晶硅的工艺条件46 4.2采用外延多晶硅的MEMS器件46 参考文献51 第5章多晶SiGe表面微加工53 5.1介绍53 5.1.1SiGe在IC芯片和MEMS上的应用53 5.1.2MEMS所需的SiGe特性54 5.2SiGe沉积54 5.2.1沉积方法54 5.2.2材料性能对比54 5.2.3成本分析55 5.3LPCVD多晶SiGe56 5.3.1立式炉56 5.3.2颗粒控制57 5.3.3过程监测和维护57 5.3.4在线测量薄膜厚度和锗含量58 5.3.5工艺空间映射59 5.4CMEMS?k加工60 5.4.1CMOS接口问题61 5.4.2CMEMS工艺流程62 5.4.3释放67 5.4.4微盖的Al-Ge键合68 5.5多晶SiGe应用69 5.5.1电子定时谐振器/振荡器69 5.5.2纳米机电开关71 参考文献74 第6章金属表面微加工78 6.1表面微加工的背景78 6.2静态器件79 6.3单次运动后固定的静态结构80 6.4动态器件81 6.4.1MEMS开关81 6.4.2数字微镜器件83 6.5总结86 参考文献87 第7章异构集成氮化铝MEMS谐振器和滤波器88 7.1集成氮化铝MEMS概述88 7.2氮化铝MEMS谐振器与CMOS电路的异构集成89 7.2.1氮化铝MEMS工艺流程90 7.2.2氮化铝MEMS谐振器和滤波器的封装91 7.2.3封装氮化铝MEMS的重布线层92 7.2.4选择单个谐振器和滤波器频率响应93 7.2.5氮化铝MEMS与CMOS的倒装芯片键合94 7.3异构集成自愈滤波器96 7.3.1统计元素选择（SES）在CMOS电路AlN MEMS滤波器中的应用96 7.3.2三维混合集成芯片的测量98 参考文献99 第8章使用CMOS晶圆的MEMS102 8.1CMOS MEMS的架构及优势简介102 8.2CMOS MEMS工艺模块107 8.2.1薄膜工艺模块109 8.2.2基底工艺模块113 8.32P4M CMOS平台（0.35μm）115 8.3.1加速度计115 8.3.2压力传感器116 8.3.3谐振器117 8.3.4其他120 8.41P6M CMOS平台（0.18μm）120 8.4.1触觉传感器120 8.4.2红外传感器122 8.4.3谐振器124 8.4.4其他127 8.5带有附加材料的CMOS MEMS129 8.5.1气体和湿度传感器129 8.5.2生化传感器135 8.5.3压力和声学传感器137 8.6电路和传感器的单片集成141 8.6.1多传感器集成141 8.6.2读出电路集成143 8.7问题与思考150 8.7.1残余应力、CTE失配和薄膜蠕变150 8.7.2品质因数、材料损失和温度稳定性156 8.7.3电介质充电158 8.7.4振荡器中的非线性和相位噪声159 8.8总结160 参考文献162 第9章晶圆转移175 9.1介绍175 9.2薄膜转移177 9.3器件转移（后通孔）180 9.4器件转移（先通孔）183 9.5芯片级转移188 参考文献190 第10章压电微机电系统192 10.1导言192 10.1.1基本原则192 10.1.2作为执行器的PZT薄膜特性192 10.1.3PZT薄膜成分和取向193 10.2PZT薄膜沉积194 10.2.1溅射194 10.2.2溶胶-凝胶196 10.2.3PZT薄膜的电极材料和寿命199 10.3PZT-MEMS制造工艺199 10.3.1悬臂和微扫描仪199 10.3.2极化201 参考文献201 第3部分 键合、密封和互连 203 第11章阳极键合204 11.1原理204 11.2变形206 11.3阳极键合对电路的影响208 11.4各种材料、结构和条件的阳极键合210 11.4.1各种组合210 11.4.2中间薄膜的阳极键合213 11.4.3阳极键合的变化213 11.4.4玻璃回流工艺215 参考文献216 第12章直接键合218 12.1晶圆直接键合218 12.2亲水晶圆键合219 12.3室温下的表面活化键合221 参考文献223 第13章金属键合226 13.1固液互扩散键合（SLID）227 13.1.1Au/In和Cu/In228 13.1.2Au/Ga和Cu/Ga229 13.1.3Au/Sn和Cu/Sn230 13.1.4孔洞的形成230 13.2金属热压键合231 13.3共晶键合233 13.3.1Au/Si233 13.3.2Al/Ge234 13.3.3Au/Sn235 参考文献235 第14章反应键合239 14.1动力239 14.2反应键合的基本原理239 14.3材料体系241 14.4技术前沿242 14.5反应材料体系的沉积概念242 14.5.1物理气相沉积242 14.5.2反应材料体系的电化学沉积244 14.5.3具有一维周期性的垂直反应材料体系247 14.6与RMS键合250 14.7结论252 参考文献252 第15章聚合物键合255 15.1引言255 15.2聚合物晶圆键合材料256 15.2.1聚合物的黏附机理256 15.2.2用于晶圆键合的聚合物性能257 15.2.3用于晶圆键合的聚合物259 15.3聚合物晶圆键合技术262 15.3.1聚合物晶圆键合中的工艺参数262 15.3.2局部聚合物晶圆键合266 15.4聚合物晶圆键合中晶圆对晶圆的精确对准267 15.5聚合物晶圆键合工艺实例268 15.6总结与结论270 参考文献270 第16章局部加热钎焊275 16.1MEMS封装钎焊275 16.2激光钎焊275 16.3电阻加热和钎焊278 16.4感应加热和钎焊280 16.5其他局部钎焊工艺282 16.5.1自蔓延反应加热282 16.5.2超声波摩擦加热283 参考文献285 第17章封装、密封和互连287 17.1晶圆级封装287 17.2密封288 17.2.1反应密封288 17.2.2沉积密封(壳体封装)291 17.2.3金属压缩密封293 17.3互连296 17.3.1垂直馈通互连296 17.3.2横向馈通互连301 17.3.3电镀互连304 参考文献306 第18章真空封装310 18.1真空封装的问题310 18.2阳极键合真空封装310 18.3控制腔压的阳极键合封装314 18.4金属键合真空封装315 18.5沉积真空封装315 18.6气密性测试317 参考文献318 第19章单片硅埋沟320 19.1LSI和MEMS中的埋沟/埋腔技术320 19.2单片SON技术及相关技术322 19.3SON的应用330 参考文献333 第20章基底通孔（TSV）336 20.1TSV的配置336 20.1.1实心TSV337 20.1.2空心TSV337 20.1.3气隙TSV338 20.2TSV在MEMS中的应用338 20.2.1信号传导至晶圆背面338 20.2.2CMOS-MEMS 3D集成338 20.2.3MEMS和CMOS 2.5D集成339 20.2.4晶圆级真空封装340 20.2.5其他应用341 20.3对MEMS中TSV的探讨341 20.4基本TSV制备技术342 20.4.1深孔刻蚀342 20.4.2绝缘体形成344 20.4.3导体形成345 20.5多晶硅TSV349 20.5.1实心多晶硅TSV349 20.5.2气隙多晶硅TSV352 20.6硅TSV353 20.6.1实心硅TSV353 20.6.2气隙硅TSV355 20.7金属TSV356 20.7.1实心金属TSV357 20.7.2空心金属TSV360 20.7.3气隙金属TSV365 参考文献366 附录376 附录1术语对照376 附录2单位换算384