AlScN 压电微机电系统共性工艺技术开发
摘要：使用掺钪氮化铝压电材料，我们开发了一种通用的压电 MEMS 工艺。同时我们设计了一个技术认证平台 (TQV) 来验证该工艺。我们的 TQV 设计是将压电 MEMS 构建为 2.5 维参数化单元 (p-cell) 来区分 MEMS 器件与其他半导体技术（尤其是 CMOS 技术）在结构和材料上的差异我们创建了一个定制的 TQV，我们可以在客户产品开发过程中，创建一个定制的 TQV，来优化客户的性能，这个定制的 TQV 中包含客户的芯片设计和我们的 PDK 测试密钥。
MEMS 是微米级多功能集成芯片，具备小型化、低成本、易量产等优势，广泛落地于汽车、消费电子、医疗领域，同时与 AI 深度协同，是智能化场景的底层核心技术；其中 AlN/AlScN 压电 MEMS 商业化成熟，可与 CMOS 芯片兼容集成，是行业主流发展方向。但传统 MEMS 采用 “一器件一工艺” 定制开发模式，研发周期长达 2-3 年，上市慢、成本压力大，行业亟需标准化通用工艺，推动产业从 IDM 自研转向晶圆代工。
本文介绍了我们基于通用 AlScN 压电 MEMS 工艺的技术开发，该工艺可用于制造加速度计、陀螺仪、压力传感器、谐振器和振荡器、超声波传感器和换能器等器件。为了验证该工艺，我们根据工业标准 JEP001 设计了一个技术认证平台（TQV）将压电 MEMS 构建为 2.5 维参数化单元 (p-cell) 设计。根据客户产品开发过，我们设计了一个定制的 TQV，其中包含客户的芯片设计和我们的 TQV 测试密钥，用于调整客户的器件性能。其 PDK 文档包含以下信息：
- 材料的机械、电气和压电特性；
- 制造信息以及关于工艺设计规则、层厚度等的规范；
- 工艺流程；
- TQV 过程控制监视器（PCM）测试结构；
- 来自 TQV 过程控制监视器（PCM）的过程控制数据；
- TQV 原型的仿真和测试数据。
工艺技术认证平台设计
工艺技术认证平台包含用于工艺控制和监控的测试密钥、用于工艺窗口和裕度开发的实验设计（DOE）、MEMS 元件及其构建模块、MEMS 原型以及用于技术认证的其他可靠性测试结构。图 2 显示了 MEMS TQV 设计的功能模块。为了更好地服务客户，我们推荐对于产品开发和小批量生产采用 MEMS MPW（多产品晶圆）的解决方案。我们也将进行严格的工艺控制为我们的客户带来更高的产品良率。
要实现一款 MEMS 产品，需要经历 7 个主要阶段，如下图所示：
PDK工艺开发路线图
关键材料工艺验证
MEMS 器件主要包含三个部分：机械组件、AlScN 执行器和 AlScN 传感器。通用压电 MEMS 结构主要包含三个部分：腔体、MEMS 器件和盖体。工艺中，腔体晶圆通过共晶键合的方式键合到 MEMS 器件 SOI 晶圆上，盖体晶圆则通过共晶键合的方式键合到腔体 - MEMS 晶圆上。如果采用盖体，则采用 TSV 技术进行互连。下图 是 AlScN 压电 MEMS 振荡器的横截面图。
AlScN 压电 MEMS 振荡器的横截面图
下图则展示了一个定制的 TQV 的版图分布情况。在设计中，原型芯片参数可以与测试结构的测量数据关联。在开发过程中，对原型芯片和测试结构的故障模式进行了分类。通过调整测试结构的参数，原型芯片的性能得到了调整。
TQV 的版图分布示意图
总结
我们开发了一种通用的 AlScN 压电 MEMS 工艺。为了验证该工艺，我们又设计了一个技术认证平台（TQV）。由于 MEMS 器件与其他半导体技术（尤其是 CMOS 技术）在结构和材料上的差异，我们的 TQV 设计将压电 MEMS 构建为 2.5 维参数化单元（p-cell）设计。在客户产品开发过程中，我们创建了一个定制的 TQV，其中包含客户的芯片设计和我们的 PDK 测试密钥，以此来优化客户的器件性能。
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