晶圆级薄膜封装毫米波RF-MEMS开关与CMOS电路的单片集成
2022-06-25 19:59:17 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员通过晶圆级薄膜封装（WLE），将用于毫米波（mmWave）应用的RF-MEMS开关通过单片集成形式整合到130 nm BiCMOS技术的铝基后道（BEOL）工艺之中。在晶圆级封装之前，研究人员开发并展示了用于MEMS器件释放的湿法和蒸汽释放技术。
过去数十年来，市场对MEMS器件的兴趣主要集中在加速度计、陀螺仪、喷墨打印头、麦克风、投影显示芯片、血压和胎压传感器等，主要应用于直流或低频应用。射频MEMS（RF-MEMS）开关的推出尽管已有几十年历史，但RF-MEMS开关的市场渗透仍受到与封装和环境密切相关的可靠性阻碍。
RF-MEMS开关的主要应用包括交换网络、移动电话、汽车和消费电子产品等。例如，2014年~2019年，平板电脑和智能手机的全球互联网流量保持约25%的年增长率持续增长。在这些器件中的输入和输出匹配网络，要求阻抗匹配必须由高性能、低功耗的开关控制。
对于此类应用，RF-MEMS并联开关是一种很有前景的选择，它可以实现显著的电容变化，从而改变和控制总阻抗。RF-MEMS开关的工艺集成必须具有良好的结构，因为它不仅决定了器件的最终性能，还决定了成本、良率和可靠性。目标集成器件的技术环境对其集成方案的影响很大。
由于RF-MEMS开关对高压和控制电路的高要求，需要全CMOS或双极CMOS（BiCMOS）集成。这种单片集成在RF-MEMS开关与高压控制电子器件之间提供了最短的连接。单片集成可以通过在CMOS制造之前构建RF-MEMS开关，通过将开关嵌入可用的CMOS或BiCMOS工艺流程，或通过在完成BiCMOS工艺后添加额外的工艺步骤来实现。任何一种方法都有其自身的优势和局限性，每种技术都需要在特定RF-MEMS开关的热预算、CMOS兼容材料、设计规则和可用工艺集成方案的制造成本之间权衡。
封装是MEMS器件面临的主要挑战之一。RF-MEMS开关通常需要比其他类型器件更复杂的封装。如果没有足够的环境保护，RF-MEMS开关的可靠性会受到严重限制。其机械可移动部件以及对颗粒物的敏感性，使其封装过程极具挑战。此外，RF-MEMS开关需要封装腔体中的特定环境条件，以实现可靠稳定的运行寿命。
虽然已有许多不同的集成技术被开发并用于封装RF-MEMS开关，但晶圆级封装方法似乎仍是最有前途的方案之一，它为半导体代工厂提供了高性能、易集成以及更低的成本优势。在这种封装工艺中，RF-MEMS器件上方或周围的小孔用于释放，释放后，这些小孔被封闭，RF-MEMS器件被密封完成封装。
据麦姆斯咨询介绍，德国IHP莱布尼茨创新微电子研究所（IHP–Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik）的研究人员近期在IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology上发表了一篇研究成果。在这项研究中，研究人员通过晶圆级薄膜封装（WLE），将用于毫米波（mmWave）应用的RF-MEMS开关通过单片集成形式整合到130 nm BiCMOS技术的铝基后道（BEOL）工艺之中。在晶圆级封装之前，研究人员开发并展示了用于MEMS器件释放的湿法和蒸汽释放技术。
最终的器件封装实现为晶圆级封装，具有采用Ti/TiN/AlCu/Ti/TiN层堆叠的3 μm厚金属栅。采用高沉积速率（HDR）的二氧化硅沉积工艺对释放孔完全封闭。最后，研究人员通过D波段的低频C-V和高频S参数测量，评估了封装对RF-MEMS开关性能的影响。
结果表明该器件的功能完整，性能无明显下降。该封装不需要额外的掩模，并且面向8英寸晶圆级工艺而开发，因此，为RF-MEMS开关的封装提供了一种低成本、高通量的解决方案。
（a）130 nm BEOL剖面图，（b）FIB-SEM图像
标准BEOL工艺后未释放的RF-MEMS开关剖面示意图，及其功能膜、RF信号线和HV电极
Pad打开的RF-MEMS开关示意图，包括M4上的VES（垂直蚀刻阻挡层）和mLES（基于金属的横向蚀刻阻挡层）
初步封装的RF-MEMS开关
完成封装的RF-MEMS开关的SEM图像
论文信息：https://ieeexplore.ieee.org/document/9767825
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