基于硅柱互连的MEMS三维圆片级封装技术研究

作     者：梁亨茂 

作者单位：中国科学院大学 

学位级别：博士

导师姓名：熊斌

授予年度：2020年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：MEMS谐振器 三维圆片级真空封装 硅柱互连 结构表征 

摘      要：随着封装技术的发展，以垂直互连为特征的先进三维封装技术已成为MEMS集成制造的关键，而圆片级真空封装是实现高Q值谐振式MEMS器件的低成本制造和实用化的重要环节。然而现有基于垂直互连的MEMS三维封装技术面临工艺复杂、缺乏全硅制造潜力、以及应用局限性（难以对含有多层金属互连线进行气密封装的信号接口）等诸多挑战。为此，本论文工作融合金硅共晶键合技术创新性地提出一种基于硅柱互连的全硅MEMS三维圆片级封装技术，其通过构建共面键合结构并以两步光刻实现低阻硅盖板对器件气密封装的同时形成硅柱垂直互连通路。具体地，本论文就其中所涉及关键的KOH腐蚀减薄的工艺兼容性、金硅键合的欧姆接触电阻和键合强度展开了深入研究，并以此为基础实现了基于硅柱互连的MEMS谐振器三维圆片级真空封装技术，进而对三维封装的工艺效果、封装结构性能进行了表征分析。\n 首先，针对金硅共晶键合技术与KOH腐蚀工艺兼容性研究的空白，本论文详细论述了Au/bulk Si键合和Au/α-Si键合两种结构与KOH腐蚀的工艺兼容性。其一利用KOH各向异性腐蚀的特点分析并解释了Au/bulk Si键合在KOH腐蚀中侧向钻蚀现象与成因;其二提出了为保证Au/α-Si键合结构与KOH腐蚀工艺兼容性所需满足α-Si/Au薄膜厚度比的条件;其三创新性地提出一种基于两步LOCOS(Local Oxidation Of Silicon)的改进型Au/bulk Si键合结构，从而解决了传统Au/bulk Si键合结构在高键合质量与KOH腐蚀兼容性之间的矛盾。\n 其次，为了发掘金硅共晶键合技术在三维互连中的应用潜力，一方面通过对不同键合温度（350℃、400℃和430℃）和接触图形半径（3～20μm）下金硅键合欧姆接触电阻的测试发现，当键合温度高于金硅共晶温度363℃时为保证电互连的可靠性需满足接触半径大于10μm（此时接触电阻2Ω），但上述键合温度下总测试电阻值差异不大（均值偏差20％），这奠定了金硅共晶键合应用于硅柱垂直互连结构中的可行性基础;另一方面基于有限元分析和金硅键合强度测试结果讨论了键合强度与单一键合图形形状（方形与圆形）的关系以及与键合面积(1mm2)的反比关系，这为后续硅柱互连结构的形状和尺寸设计提供了指导。\n 再次，为解决MEMS封装中多层金属互连线跨越键合密封环产生“台阶导致的封装泄漏这一共性问题，论文创新性地构建了基于金硅共面键合的硅柱互连结构，并通过气密性测试（He检漏试验，5×***/sec）和硅柱互连阻抗测试（单硅柱电阻约1Ω，含0.5Ω的金属/半导体欧姆接触电阻）验证了共面键合结构在满足MEMS气密封装中多层金属互连所需的垂直信号接口的有效性。\n 最后，论文以金硅共面键合的硅柱互连结构为基础，设计并实现了基于硅柱互连的MEMS谐振器三维圆片级真空封装结构。其一，论文通过对器件封装的寄生电容量化分析，提出了以接地屏蔽方法实现谐振特性测试中馈通效应的抑制（寄生电容在接地屏蔽前后pF→fF量级）;其二，论文所实现的MEMS谐振器三维圆片级封装，具有较高的晶圆单片合格率（硅柱互连结构电绝缘性的3片晶圆的单片合格率分别为78.6％、76.5％、46.9％，封装气密性的3片晶圆的单片合格率分别为72.7％、87.5％、100％），并具备真空封装能力(～1kPa)和真空度保持的长期稳定性（6个月）;其三，论文就影响器件Q值的封装工艺和封装结构等因素进行了测试和分析，为MEMS谐振器封装的Q值提升提供了优化设计思路。综上所述，所提出的基于硅柱互连的三维封装技术为MEMS三维圆片级真空封装开辟了一条低阻垂直互连、工艺简单、可全硅制造、可对气密封装中多层金属互连信号接口的高性价比解决思路，并具较广泛的应用潜力和通用性。