專利名稱：如用于質(zhì)量感測的單塊fbar-cmos結(jié)構的制作方法
如用于質(zhì)量感測的單塊FBAR-CM0S結(jié)構要求優(yōu)先權在此要求于2009年4月29日遞交的美國臨時專利申請序列No. 61/173，866 (代理案號No. 2413. 107PRV)和于2009年5月7日遞交的美國臨時專利申請序列 No. 61/215，611(代理案號No. 2413. 107PV2)的優(yōu)先權權益，通過引用將這兩個申請的全部內(nèi)容結(jié)合于此。關于聯(lián)邦政府贊助研究或開發(fā)的聲明本發(fā)明是在來自國家環(huán)境健康科學協(xié)會(National Institute of Environmental Health Sciences)或國家健康協(xié)會(National Institutes of Health)的資助號 U01ES016074下由政府支持進行的。政府在本發(fā)明中具有一定的權利。版權信息本專利文獻的公開內(nèi)容的一部分包含受版權保護的材料。版權所有者不反對由專利文獻或?qū)＠_內(nèi)容的任何人復制，如它出現(xiàn)在專利商標局專利文件或記錄中一樣， 但另外無論如何保留所有版權。接下來的信息適用于形成本文獻的一部分的附圖和圖片 版權2010，紐約市哥倫比亞大學信托人，版權所有(Copyright 2010，The Trustees of Columbia University in the City of New York, All Rights Reserved)。
背景技術：
超高精質(zhì)量感測會是重要的檢測方法，如用于生物分子和化學檢測。通過質(zhì)量檢測分子不需要要求化學或熒光標記，這可以允許簡化檢測規(guī)程和用于受標記的不利影響的系統(tǒng)中的感測。例如，熒光標記的一般粘合劑的有限交叉反應會限制如其中用于分析或表征多種細胞、生物標志、自身免疫性疾病的蛋白質(zhì)化驗的特異性。此外，未結(jié)合的標記指示器的使用也會具有限制，如阻止約束性事件的實時檢測和量化，同樣未結(jié)合的指示器在光學詢問之前必須洗凈。

發(fā)明內(nèi)容
其中，本文獻呈現(xiàn)了一種機械地和電學地連接至諸如互補金屬-氧化物-半導體 (CMOS)集成電路之類的有源集成電路的單塊、集成式固貼式薄膜體聲波諧振器(FBAR)。這種FBAR-CM0S傳感器或這種傳感器的單塊陣列可以用于質(zhì)量感測應用。與外部連接的FBAR 結(jié)構或其它類型的諧振質(zhì)量傳感器相反，本發(fā)明人已經(jīng)認識到，集成傳感器陣列可以直接構建在有源驅(qū)動和讀出電路的上方。在FBAR-CM0S陣列中，包括在該陣列的一個或多個單獨的FBAR質(zhì)量傳感器可以以指定的方式起作用或功能化，如用于捕獲特定蛋白質(zhì)、核酸或氣體分子。這種功能化的傳感器陣列可以允許對單個(如，單塊)傳感器芯片上的多個目標進行同時、多路的、高靈敏度的測量(如，多種、不同種類的檢測或測量)。在其它實施例中，一個或多個FBAR-CM0S器件可以用作濾波器、振蕩器或變壓器，如其中用于微波或固態(tài)功率轉(zhuǎn)換應用。單塊、固貼式FBAR諧振設備可以包括位于機械隔離的聲反射鏡的頂上的壓電氧化鋅諧振器。當聲波通過四分之一波長層和相長干涉向回反射到諧振器中時，該反射鏡可以起機械模擬光學布拉格堆棧的作用。通過隔離聲反射鏡進行的這種反射可以抑制或防止聲能耦合到諧振器下面的襯底中。在實施例1中，一種設備可以包括薄膜體聲波諧振器，該薄膜體聲波諧振器包括聲反射鏡、在聲學上連接至聲反射鏡的壓電區(qū)域、電連接至壓電區(qū)域的第一導體、以及電連接至壓電區(qū)域并與第一導體電絕緣的第二導體。在實施例1，該設備任選地包括集成電路襯底，該集成電路襯底包括接口電路，所述第一導體和第二導體電連接至接口電路，該集成電路襯底構造為機械地支撐諧振器，聲反射鏡構造為抑制或阻止聲能以薄膜體聲波諧振器的諧振頻率或附近的頻率從壓電區(qū)域耦合到集成電路襯底中。在實施例2中，實施例1的主題任選地包括包含氧化鋅的壓電區(qū)域。在實施例3中，實施例1-2中的任意一個或多個的主題任選地包括聲反射鏡，該聲反射鏡包括鎢和二氧化硅的交替層。在實施例4中，實施例1-3中的任意一個或多個的主題任選地包括包含CMOS電路的接口電路和位于集成電路的頂面上的諧振器。在實施例5中，實施例1-4中的任意一個或多個的主題任選地包括振蕩器，該振蕩器包括接口電路的至少一部分和所述聲波諧振器。在實施例6中，實施例1-5中的任意一個或多個的主題任選地包括至少部分地由加載所述壓電區(qū)域的質(zhì)量確定的振蕩器工作頻率。在實施例7中，實施例1-6中的任意一個或多個的主題任選地包括諧振器，所述諧振器包括感測表面，該感測表面構造為檢測指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA低聚體的指定雜化或指定氣體分子的吸附中的至少一種。在實施例8中，實施例1-7中的任意一個或多個的主題任選地包括被功能化為吸附氣體分子的感測表面。在實施例9中，實施例1-8中的任意一個或多個的主題任選地包括包括固定抗體、 抗體片段或核酸探測器的感測表面。在實施例10中，實施例1-9中的任意一個或多個的主題任選地包括構造為響應于指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA低聚體的指定雜化或指定氣體分子的吸附中的至少一種增加質(zhì)量的感測表面。在實施例11中，實施例1-10中的任意一個或多個的主題任選地包括構造為采用該諧振器的機械振蕩的剪切模式(thear mode)進行運行的振蕩器。在實施例12中，實施例1-11中的任意一個或多個的主題任選地包括構造為當該設備與液體介質(zhì)接觸或由液體介質(zhì)包圍時以指定工作頻率振蕩的振蕩器。在實施例13中，實施例1-12中的任意一個或多個的主題任選地包括集成電路，該集成電路包括頻率計數(shù)器，該頻率計數(shù)器連接至所述振蕩器并構造為提供表示所述振蕩器的振蕩頻率的信息。在實施例14中，一種設備，包括薄膜體聲波諧振器陣列，每個諧振器包括聲反射鏡、在聲學上連接至聲反射鏡的壓電區(qū)域、連接至壓電區(qū)域的第一導體電、以及電連接至壓電區(qū)域并與第一導體電絕緣的第二導體。在該實施例中，該設備任選地包括包括接口電路的集成電路襯底，每個諧振器的第一導體和第二導體電連接至接口電路，該集成電路襯底構造為機械地支撐所述諧振器陣列，每個對應的聲反射鏡構造為減少或抑制聲能以包括所述對應的聲反射鏡的對應薄膜體聲波諧振器的諧振頻率或附近的頻率從對應的壓電區(qū)域耦合到集成電路襯底中。在該實施例中，所述陣列任選地包括振蕩器陣列，每個振蕩器包括接口電路的至少一部分和至少一個聲波諧振器。在實施例15中，實施例1-14中的任意一個或多個的主題任選地包括位于該陣列中的至少一個振蕩器，所述至少一個振蕩器包括諧振器，該諧振器具有感測表面，該感測表面構造為檢測指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA低聚體的指定雜化或指定氣體分子的吸附中的至少一種。指在實施例16中，實施例1-15中的任意一個或多個的主題任選地包括集成電路，所述集成電路包括頻率計數(shù)器，該頻率計數(shù)器連接至包括在所述陣列中的至少一個振蕩器并構造為提供表示所述至少一個振蕩器的振蕩頻率的信息。在實施例17中，一種方法，包括在集成電路襯底上形成薄膜體聲波諧振器，形成薄膜體聲波諧振器的步驟如包括下述步驟形成聲反射鏡，該聲反射鏡構造為降低聲能以薄膜體聲波諧振器的諧振頻率或附近的頻率從壓電區(qū)域耦合到集成電路襯底中；形成在聲學上連接至聲反射鏡的壓電區(qū)域；將第一導體電連接在壓電區(qū)域和包括在集成電路襯底中的接口電路之間；以及將第二導體電連接在壓電區(qū)域和包括在集成電路襯底中的接口電路之間。在實施例18中，根據(jù)實施例1-17中的任意一個或多個的主題，任選地，將第一導體和第二導體電連接至壓電區(qū)域的步驟包括沉積金屬。在實施例19中，實施例1-18中的任意一個或多個的主題任選地包括沉積鎢。在實施例20中，實施例1-19中的任意一個或多個的主題任選地包括形成聲反射鏡，形成聲反射鏡的步驟包括在集成電路襯底的頂面上形成二氧化硅和鎢的交替層。在實施例21中，實施例1-20中的任意一個或多個的主題任選地包括在集成電路襯底上形成薄膜體聲波諧振器陣列的步驟。在實施例22中，實施例1-21中的任意一個或多個的主題任選地包括在所述諧振器上提供感測表面的步驟，該感測表面用于檢測指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA 低聚體的指定雜化和指定氣體分子的吸附中的至少一種。在實施例23中，實施例1-22中的任意一個或多個的主題任選地包括功能化所述諧振器上的感測表面以促進指定氣體分子的吸附的步驟。在實施例M中，實施例1-23中的任意一個或多個的主題任選地包括采用所述接口電路的至少一部分和所述諧振器提供振蕩器，并且所述振蕩器的工作頻率至少部分地由加載所述壓電區(qū)域的質(zhì)量確定。在實施例25中，實施例I-M中的任意一個或多個的主題任選地包括提供頻率計數(shù)器的步驟，該頻率計數(shù)器構造為采用所述接口電路的至少一部分測量表示所述振蕩器的振蕩頻率的信息。這些實施例可以以任何排列或組合結(jié)合。本概述是要提供本專利申請的主題的綜述。它不是要提供本發(fā)明的排外的或詳盡的說明。
具體實施方式
被包括以提供關于本專利申請的其它信息。


在附圖中，相同的數(shù)字在不同視圖可以描述相似的部件，附圖沒有必要按比例繪制。具有不同字母后綴的相似數(shù)字可以表示相似部件的不同例子。附圖大致以舉例的方式而非限制性的方式圖示在本文獻中討論的多種實施方式。圖1大致圖示了薄膜體聲波諧振器(FBAR)和接口電路的一部分的側(cè)視圖的示例。圖2大致圖示了包括FBAR和接口電路的振蕩器電路的示例。圖3大致圖示了包括聲反射鏡部的固貼式FBAR的側(cè)視圖的示例。圖4A-I大致圖示了諸如包括在FBAR-CM0S振蕩器陣列中的單塊薄膜體聲波諧振器(FBAR)的post-CMOS制造的示例。圖5包括如根據(jù)圖4A-I的示例的處理制造的固貼式單塊FBAR的說明性示例的 SEM顯微照片。圖6包括FBAR-CM0S振蕩器的6X4陣列的說明性示例的兩個管芯照片，包括CMOS 制造之后的第一管芯照片和如根據(jù)圖4A-I制造的FBAR結(jié)構的制造之后的第二管芯照片。圖7A-C大致圖示了在玻璃上制造的單個FBAR結(jié)構的電性能的說明性示例。圖8 一般地圖示振蕩頻率相對沉積的二氧化硅的厚度的圖的說明性示例，諸如用于包括圖6的示例的6X4陣列的六個不同F(xiàn)BAR-CM0S振蕩器。
具體實施例方式在重量分析生物分子檢測中，特定抗體、抗體片段或核酸探測器可以固定在諸如機械諧振器之類的機械傳感器的表面上。目標分子可以結(jié)合至固定的探測器，進一步增加結(jié)合質(zhì)量。在一個例子中，通過電監(jiān)測輕質(zhì)、高Q機械諧振器的諧振頻率可以進行質(zhì)量感測，如與將被測量的這種結(jié)合材料接觸。諧振器表面處的質(zhì)量增加引起負載系統(tǒng)的機械頻率整體降低、且因此電學諧振頻率整體降低，并且該頻率可以被測量并用來確定質(zhì)量增加， 如隨著結(jié)合材料的積聚實時確定，而不要求熒光標記。石英晶體微量天平OiCM)已經(jīng)用來如以與傳統(tǒng)標記免疫測定法可比擬的靈敏度檢測抗體和抗原。然而，在QCM中，諧振頻率會受到自支撐石英的厚度的限制(如，在兆赫范圍內(nèi))。在諧振質(zhì)量傳感器中，每單位質(zhì)量的頻率變化范圍可以與諧振頻率的平方相關聯(lián)， 因此限制QCM的靈敏度。而且，厘米刻度的QCM傳感器會排除高密度集成，這會將QCM傳感器限制到涉及相對小數(shù)量的目標分析物的應用。相反，本發(fā)明人已經(jīng)認識到薄膜體聲波諧振器(FBAR)可以允許比諸如QCM之類的其它諧振結(jié)構高的靈敏度幅度量級，因為FBAR可以具有在數(shù)百MHz至數(shù)千兆赫茲的諧振頻率。例如，單獨的FBAR可以與有源CMOS元件連接在一起，如通過引線鍵合或倒裝芯片連接方法(如，“外部”連接方法)。但是，這種外部連接會阻止多于一個或兩個的諧振器集成在單個芯片中。因此，本發(fā)明人還已經(jīng)認識到，將FBAR連同有源CMOS元件單塊地集成在一起可以允許明顯比外部連接方法小的尺寸。因此，可以直接在有源驅(qū)動和讀出電路(如，包括 CMOS電路)的上方構建FBAR的集成陣列。在這種質(zhì)量傳感器的陣列中，包括在該陣列中的一個或多個單獨的質(zhì)量傳感器可以以指定的方式被功能化或起作用，如用于檢測指定蛋白質(zhì)的結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、指定雜化DNA低聚體或指定吸附的氣體分子。這種功能化傳感器的陣列可以允許對單塊傳感器組件上的多個目標進行同時的、多路的、高靈敏度的測量(如，多種、不同的種類的檢測或測量)。在一種實施例中，F(xiàn)BAR-CM0S傳感器或陣列可以用于工業(yè)、醫(yī)療或農(nóng)業(yè)的免疫測定用途，其中，如用于識別病原體、雜質(zhì)(contaminent)、過敏原(allergen)、毒素或其它化合物。在另一種實施例中，F(xiàn)BAR-CM0S傳感器或陣列可以用作用于靜態(tài)的(如，在反應終點處) 或?qū)崟r的基因表達的質(zhì)量傳感器。在又一種實施例中，F(xiàn)BAR-CM0S傳感器或陣列可以用于氣體感測或空氣樣品監(jiān)測，如響應于被包括作為FBAR-CM0S傳感器或陣列的一部分的感測表面上的表面改性(如，吸附或汽相冷凝)。在其它實施例中，F(xiàn)BAR諧振器還可以用在微波電路應用中。這種FBAR諧振器在高頻率下可以具有相對強烈的諧振，如用在濾波器、振蕩器中或作為變壓器(如，電壓或阻抗變壓器等)。圖1大致圖示了薄膜體聲波諧振器(FBAR) 102的一部分的側(cè)視圖100的示例，薄膜體聲波諧振器(FBAR) 102包括電連接至第一電極112的感測表面116、壓電區(qū)域114、第二電極110和接口電路104。在一種實施例中，接口電路104可以如采用第一電連接106A 和第二電連接106B電連接至FBAR 102，第一電連接106A和第二電連接106B如包括包括在集成電路中的金屬層。在一種實施例中，第一電極112或第二電極110中的一個或多個可以包括如濺射或沉積在集成電路襯底上的鎢。在另一種實施例中，可以采用一種或多種其它金屬，如金、銀等。在圖1的示例中，接口電路104可以提供如輸送表示振蕩頻率的電壓、電流或其它信號的輸出108。在一種實施例中，F(xiàn)BAR102和接口電路104可以提供一種振蕩器，如包括至少部分地由結(jié)合至或以其它方式加載在感測表面116上的質(zhì)量確定的工作頻率。在說明性實施例中，F(xiàn)BAR102的高度可以為約2微米，感測表面116的寬度可以為約100微米。在一種實施例中，壓電區(qū)域114可以包括氧化鋅(SiO)、鋯鈦酸鉛(PZT)或一種或多種其它壓電聚合物、壓電陶瓷或其它壓電材料。在一種實施例中，F(xiàn)BAR102可以采用剪切振蕩模式諧振，如以在約500MHz至大于2千兆赫的諧振工作頻率諧振。在一種實施例中，如圖3、圖4A-I和圖5-6所示，諸如聲反射鏡之類的機械隔離器可以抑制或阻止聲能以FBAR102的諧振工作頻率或附近的頻率耦合到周圍襯底中，如以提供較高的品質(zhì)因數(shù) “Q” (如，更清晰的峰值諧振工作頻率)。圖2大致圖示了振蕩器電路200的示例，振蕩器電路200包括FBAR202和接口電路，接口電路包括MOS晶體管M1-M6。在一種實施例中，圖2的電路200可以表示如包括在 FBAR 202的陣列中的單個傳感器，如包括在圖6的示例中示出的6X4陣列中的單個傳感器。在圖2的示例中，F(xiàn)BAR202可以連接至反相CMOS放大器204，放大器204包括如用來形成集成FBAR-CM0S振蕩器電路200的MOS晶體管M1-M6。在嚴格的意義上，MOS晶體管M1-M6 不需要包括金屬柵，代替的是采用多晶硅或其它導電柵材料，如采用商用0. 18微米CMOS制造工藝制造的。類似地，在一種實施例中，除硅之外的半導體材料或除二氧化硅之外的氧化物可以用來實現(xiàn)晶體管M1-M6中的一個或多個。在圖2中，振蕩器電路200可以包括皮爾斯(Pierce)振蕩器布局。例如，反相放大器204可以被實施為由MOS晶體管M1-M6實現(xiàn)的三個串聯(lián)式CMOS反相器，如用于提供增益以克服FBAR材料損耗、持續(xù)振蕩。在圖2的示例中，MOS晶體管M7可以向MOS晶體管M1-M6 提供偏壓。例如，晶體管M7可以包括壓控柵極，如被調(diào)整以使偏壓強度與振蕩器負荷平衡。 在一種實施例中，晶體管M7可以由節(jié)點Vfiffi處的電壓控制，如用于校準振蕩器電路或適應單個FBAR傳感器中的由于設計或制造變化或其它變化源引起的變化。在一種實施例中，節(jié)點VfM處的輸出電壓可以提供至共合體式或片外模擬或數(shù)字頻率計數(shù)器，如用于在指定操作間隔期間對振蕩器200的輸出頻率進行連續(xù)的監(jiān)測或采樣(如，用于測量對應于質(zhì)量增加的頻率漂移，或用于一種或多種其它用途)。在圖2的示例中，第一電容器Cl和第二電容器C2可以促進振蕩器啟動。例如， Cl和C2可以包括可以被設置為近似相等的值的金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。再一次，術語金屬-絕緣體-金屬不需要精確地涉及金屬板，如電容器Cl和C2可以共同集成在與晶體管M1-M7相同的單塊CMOS集成電路上。在說明性實施例中，F(xiàn)BAR 102可以由等效 Butterworth-Van Dyke電路表示，如圖2所示。在該說明性實施例中，Cm、Rm和Lm在電學上可以表示FBAR的動態(tài)分量，Co和Rx可以表示FBAR的固有電特性(如，如諸如ZnO之類的壓電材料的整體性質(zhì))。在一種實施例中，F(xiàn)BAR 102可以用作用于振蕩器的高-Q諧振回路。圖3大致圖示了包括聲反射鏡部的固貼式FBAR 300的一部分的側(cè)視圖的示例。在圖3中，F(xiàn)BAR 300可以制造在集成電路(如無源襯底304或有源集成電路襯底304)的第一、第二和第三鈍化區(qū)域320A-C的頂部上。在另一種實施例中，F(xiàn)BAR 300可以制造在不具有鈍化區(qū)域320A-C的集成電路上(如，在傳感器組件的有源電路部分的制造期間與其它處理一起，在鈍化之前，如并行)。第一電極312可以電連接至該集成電路的第一頂層金屬層區(qū)域322A，第二電極310可以電連接至該集成電路的第二頂層金屬層區(qū)域322B。本發(fā)明人還已經(jīng)認識到，與其它體聲波結(jié)構(如包括隔膜的體聲波結(jié)構)不同，固貼式FBAR 300結(jié)構可以允許簡單的制造，如圖4A-I中描述的那樣。例如，F(xiàn)BAR 300或FBAR 300的陣列可以經(jīng)由每一層的順序沉積和圖案化構建而成，不要求如可能用在其它類型的體聲波結(jié)構的制造中的底切或犧牲層集成工藝。在圖3的示例中，F(xiàn)BAR 300可以包括如由第一電極312的一部分形成的感測表面 316。感測表面316可以連接至壓電區(qū)域314(如，ZnO或一種或多種其它壓電材料)。與圖 1的示例不同，圖3的FBAR 300包括聲反射鏡，如用于將FBAR 300的機械諧振部分與機械支撐襯底304(如，位于鈍化區(qū)域320A-C下面)機械地隔離。通常，機械諧振器可以與其支撐襯底機械地隔離，如用于幫助避免將太多的能量耗散到其周圍環(huán)境(這會阻尼且可能阻止振蕩)。在一些實施例中，這種隔離可以用氣隙實現(xiàn)，其中FBAR300結(jié)構可以被實施為隔膜或懸臂結(jié)構。在其它實施例中，所述隔離可以通過介電聲反射鏡實現(xiàn)。這種隔離可以允許FBAR 300以清晰的峰值諧振響應工作，而不管是否固貼至襯底304。在圖3的示例中，可以采用相對高的聲阻抗材料和相對低的聲阻抗材料的一個或多個交替層，如用來將機械模擬提供至分布式Bragg反射鏡。例如，絕緣層318和導電層320中的一個或多個都可以為聲波波長厚度的四分之一，諸如在每個對應材料中在FBAR 300的諧振工作頻率或附近的頻率的聲波波長。交替層 318和320的組合(如，如包括比圖3的說明性實施例示出的更多的交替層)可以抑制或阻止聲能機械地耦合到壓電區(qū)域314、感測表面316和第二電極310下面的區(qū)域中的襯底 304中。例如，層318和320的尺寸和形狀可以形成為促進聲能以FBAR 300的諧振工作頻率或附近的頻率在層318和320之間的界面處以及在電極310和壓電區(qū)域314之間的相長干涉，將大多數(shù)聲能反射回壓電區(qū)域314。在說明性實施例中，導電層320可以為鎢，絕緣層318可以二氧化硅、或一種或多種其它絕緣材料。在圖3中，第二電極310也可以用作聲反射鏡中的頂層。然而，在其它實施例中，諸如二氧化硅之類的絕緣體可以用作該反射鏡的頂部功能層，如包括用于提供第二電極310的沉積或濺射薄膜導電涂層(如，包括薄的金或銀層，或其它導電材料)。在一種實施例中，感測表面316可以包括或可以涂敷有金、二氧化硅、層積聚對苯二甲撐、或一種或多種其它生物相容材料，如為用于后續(xù)的與其中指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA低聚體的指定雜化或指定氣體分子的吸附相關的質(zhì)量變化的檢測的功能化做準備。圖4A-I大致圖示了如包括在FBAR-CM0S振蕩器陣列中的單塊薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 400的post-CMOS制造的示例。圖4A-I的制造工藝不需要要求專用的制造技術或非標準CMOS制造工藝(如，這種制造可以包括類似于用于商用數(shù)字或混合數(shù)字CMOS器件制造的處理和材料的處理和材料)。在圖4A，F(xiàn)BAR 400A的post-CMOS制造可以從商用集成電路襯底404開始，集成電路襯底404如包括位于鈍化層中的用于暴露一個或多個金屬區(qū)域的開口。在說明性實施例中，集成電路襯底404可以包括有源CMOS襯底(如，包括一個或多個有源器件或電路的集成電路襯底)，如采用商用0. 18 μ m代工廠CMOS工藝或采用一種或多種其它制造工藝。在圖4B中，如可以采用相對厚(如，約1微米至8微米，或采用其它厚度)的光致抗蝕劑層對post-CMOS襯底404進行圖案化。隨后，如通過在圖案化化的襯底上進行RF 濺射，二氧化硅(如，約750納米厚)和鎢(如，約650納米厚)的交替層(如包括金屬層 420和絕緣層418，類似于上文在圖3的聲反射鏡的示例中討論的層)可以形成在襯底404 上。在圖4B中，由于光致抗蝕劑層可以相對厚，曝光時間可以相應地增加，以補償明顯的邊緣和角部珠子。在圖4C中，剩余光致抗蝕劑上的區(qū)域中的金屬層420和絕緣層418可以從 FBAR400C上弄走(如，采用超聲波幫助)或以其它方式移除，在襯底404的工作表面上留下如位于襯底404中的鈍化開口之間的金屬層420和絕緣層418。在說明性實施例中，金屬層420和絕緣層418可以形成聲反射鏡的至少一部分，如在圖3中討論的那樣。在圖4D 中，F(xiàn)BAR400D可以被再次圖案化，并且頂部鎢聲反射鏡層410(或其它導電材料)可以沉積或濺射FBAR 400D的位于襯底404的工作頂面區(qū)域之上的暴露部分上。在一種實施例中， 頂部鎢反射鏡層410也可以用作FBAR400D的底部電極，并且該層如可以通過鈍化層404中的開口連接至CMOS襯底的頂層金屬層。在圖4E中，鎢反射鏡層410的不想要的部分可以從FBAR 400E上弄走或以其它方式去除。在圖4F中，可以圖案化FBAR400F，并且可以形成壓電區(qū)域414，如包括RF濺射氧化鋅層(如，約1450納米厚)，或包括一種或多種其它壓電材料。在圖4G中，壓電區(qū)域414 的不想要的部分可以從FBAR 400G上弄走或以其它方式去除。在說明性實施例中，壓電區(qū)域可以包括如通過2 θ X射線衍射圖中的清晰的34. 4°峰值確定的晶向(<002>)(如，表示強C-軸壓電晶體)。在圖4Η中，可以圖案化FBAR 400Η，并且可以濺射或沉積頂部電極416。在圖41 中，頂部電極416的不想要的部分可以從FBAR 4001上弄走或以其它方式去除。在一種實施例中，頂部電極416可以包括頂部鎢觸點(如，約200納米厚)，頂部鎢觸點可以被圖案化，并且可以通過CMOS頂層金屬連接至下層電路(如，振蕩器、放大器、互連或別處的其它電路)。在一種實施例中，壓電材料可以在FBAR 400G的橫向區(qū)域中提供絕緣，如用于防止頂部電極416和一個或多個其它區(qū)域(如反射鏡層410)之間的電短路。圖5包括如根據(jù)圖4A-I的示例的處理制造的固貼式單塊FBAR的說明性實施例的 SEM顯微照片。在該說明性實施例中，F(xiàn)BAR的感測表面可以為近似正方向的，如近似為100 微米X 100微米，具有對應的主要由單個FBAR傳感器而不是任何下層電路的面積限制的陣列密度(如，如圖6所示)。圖6包括FBAR-CM0S振蕩器的6X4陣列的說明性實施例的兩個管芯照片，包括 CMOS制造之后且FBAR結(jié)構的制造之前的第一管芯照片600A和如根據(jù)圖4A-I說明的過程制造的FBAR結(jié)構的制造之后的第二管芯照片600B。在第一管芯照片600A的說明性實施例中，在管芯上可以包括一個或多個測試區(qū)域，如用于表征包括在管芯中的電路，或用于測量采用如在該陣列中的其它地方使用的類似材料或結(jié)構制造的一個或多個區(qū)域。例如，在第二管芯照片600B中，靠近該照片的頂部邊緣的光帶可以包括一個或多個無源測試結(jié)構，如用于有源FBAR-CM0S振蕩器的獨立測試或用于無源FBAR諧振器的測試。這種測試可以用于表征或校準包括在該陣列中的一個或多個FBAR結(jié)構。在第二管芯照片600B的說明性實施例中，該陣列中的每個FBAR-CM0S元件可以占據(jù)約0. 13平方毫米， 但據(jù)信FBAR元件的用于特定感測應用的其它優(yōu)化可以在某些實施方案中帶來更小的FBAR 覆蓋區(qū)和更高的陣列密度。在說明性實施例中，如第二管芯照片600B，每個FBAR-CM0S振蕩器可以包括它自己的與周圍的振蕩器隔離的聲反射鏡，如包括如上文在圖3和圖4A-I中示出和討論的一個或多個制造工藝或結(jié)構。在另一種實施例中，兩個或更多個FBAR結(jié)構可以被形成或可以結(jié)合如在所述兩個或更多個FBAR結(jié)構下面的區(qū)域中形成或構建的共享“覆蓋”聲反射鏡。圖7A-C大致圖示了類似于上文在圖3和圖4A-I中示出和討論的結(jié)構的單個FBAR 結(jié)構的電性能的說明性實施例。圖7A示出了單個FBAR的關于頻率700(以千兆赫)繪制的Sll參數(shù)710 (如，與回波損失成比例，以dB)的說明性實施例。在該說明性實施例中，F(xiàn)BAR結(jié)構制造在包括覆蓋聲反射鏡的玻璃襯底上，并在約f。= 905MHz處展示第一諧振720，并在約2. 18千兆赫處展現(xiàn)第二諧振730，這據(jù)信分別歸功于FBAR的剪切和縱向諧振模式，或者可能歸功于與合并組件的諧振相關聯(lián)的較高階模式。在集成FBAR-CM0S中還未觀察到第二諧振730。這些模式的聲速共享近似相同的比率。此外，諧振品質(zhì)因數(shù)“Q”可以被表示為f。/f (如，“全寬度半最大(full-width half-maximum)，，或FWHM表示)，并且對于第一諧振720約為113， 對于第二諧振730約為129。據(jù)信，采用聲反射鏡的更好的調(diào)諧可以實現(xiàn)相應更高的Q(如， 用于在諧振器和周圍襯底之間提供更有效的聲能反射或隔離)。圖7B示出了 FBAR-CM0S振蕩器的關于偏移頻率740 (按Hz)繪制的相位噪聲(按 dB/Hz)的說明性實施例，包括IOkHz的偏移下的約-83dB/Hz的測量噪聲和IOOkHz的偏移下的約-104dB/Hz的測量噪聲，這二者都是在振蕩基頻下從載波信號測量的。相位噪聲曲線770的相對傾斜區(qū)域表示根據(jù)Leeson相位噪聲關系的用于218的振蕩器的加載Q，其中曲線770在f。/2Q處的拐點可以表示至相對平的、白噪聲占優(yōu)勢的相位噪聲響應的轉(zhuǎn)換。在一種實施例中，當傳感器用來將輸入提供至頻率計數(shù)器時，測量綜合(如，平分或積分指定測量時間范圍期間的多個頻率或間隔測量值)可以調(diào)整相位噪聲的影響，以改善測量分辨率。圖7C示出了如在片上FBAR-CM0S振蕩器的輸出端處測量的關于頻率700(按MHz) 的輸出振幅譜(按dB繪制)的說明性實施例，包括在約864. 5MHz處的峰值790。在如圖 6的照片中示出的陣列中，彼此相比起來，振蕩器交叉陣列可以在諧振頻率中展現(xiàn) IOMHz 的范圍，如由于氧化鋅厚度變化或其它因數(shù)引起。然而，這種變化并部阻礙差異質(zhì)量測量 (如，如在不同時間處測量)，如其中在質(zhì)量增加之前和之后測量振蕩頻率，因為在整個陣列范圍內(nèi)傳感器的質(zhì)量靈敏度可以相對相似(如，相似的質(zhì)量變化出現(xiàn)相似的頻率偏移， 與“基線”諧振頻率的變化無關)。圖8大致圖示了如用于圖6的示例的包括6個不同的FBAR-CM0S振蕩器的6X4 陣列的振蕩頻率810(按MHz)與沉積的二氧化硅的厚度800(按納米)之間的關系曲線的說明性實施例。在該說明性實施例中，所述六個振蕩器中的每一個的基礎振蕩頻率首先被測量作為基線，在此之后可以添加質(zhì)量(如，通過形成圖案化二氧化硅的連續(xù)層，RF濺射在FBAR頂面上，如感測表面上)。隨后當質(zhì)量依附或結(jié)合至對應的功能化感測表面時，在每次質(zhì)量添加之后可以進行頻率測量，如模擬這種傳感器的現(xiàn)場性能。在該說明性實施例中，示出了完成質(zhì)量系列的所有的振蕩器，而在測試過程之前或期間出現(xiàn)故障(如，不能承受可測量的振蕩)的振蕩器未示出。FBAR對質(zhì)量添加的頻率靈敏度(如，每單位質(zhì)量添加的頻率變化)可以由Sauerbrey方程表示，如Δ f = -(f。2 Δm/NA P )，其中f?？梢员硎竟ぷ黝l率，Am可以表示質(zhì)量增加，N可以表示靈敏度常數(shù)，A可以表示有效面積，P可以表示密度。Sauerbrey方程預測用于非均勻質(zhì)量的少量添加的頻率變化，類似于圖8的說明性實施例中示出的響應，圖8的示例的平均質(zhì)量靈敏度表示約3. 05X 10_12g/Hz cm2，其明顯高于典型QCM的靈敏度(約6X10_9g/Hz cm2)，并且可比擬于片外FBAR傳感器。其它事項上述詳細描述包括對附圖的引用，附圖形成所述詳細描述的一部分。附圖以舉例的方式示出其中可以實踐本發(fā)明的具體實施方式
。這些實施方式在此也稱為“實施例”。這些實施例可以包括除示出或描述的要素之外的要素。然而，本發(fā)明人還預期其中僅提供示出或描述的那些要素的實施例。而且，本發(fā)明人還預期采用示出或描述的那些要素(或其一個或多個方面)的任何組合或排列的實施例，無論是關于特定實施例(或其一個或多個方面)，還是關于在此示出或描述的其它實施例(或其一個或多個方面)。通過引用將在本文獻中涉及的所有公開文本、專利和專利文獻結(jié)合于此，好像通過引用單獨結(jié)合的那樣。在本文獻和通過引用如此結(jié)合的這些文獻之間的不一致的用法的情況中，所結(jié)合的引用文獻中的用法應當認為是本文獻的補充；對于不能協(xié)調(diào)的矛盾，本文獻中的用法控制。在本文獻中，如在專利文獻中常見的那樣，術語“a”或“an”用來包括一個或多個一個，而不管任何“至少一個”或“一個或更多個”的其它實例或用法。在本文獻中，除非另外指明，術語“或”用來涉及非排外的，使得“A或B”包括“A但不排除B”、“B但不排除A”以及“A和B”。在隨附權利要求中，術語“包括”和“在其中”用作對應的術語“包括”和“其中的”通俗易懂的等同物。此外，在接下來的權利要求中，術語“包括”和“包含”是開放式的， 即，包括除在權利要求中的這種術語之后列出的要素之外的要素的系統(tǒng)、裝置、物件或工藝
12仍然視為落入該權利要求的保護范圍之類。而且，在接下來的權利要求中，術語“第一”、“第二”和“第三”等僅僅用作標記，而不是要對它們的目標施加數(shù)值要求。
上述描述的意圖是說明性的，不是限制性的。例如，上述實施例(或其一個或多個方面)可以彼此組合使用?？梢杂杀绢I域技術人員在回顧上述描述之后采用其它實施方式。提供摘要以遵照37C.F.R. § 1.72(b)，以允許讀者快速弄清技術公開內(nèi)容的本質(zhì)。所主張的理解是，它將部用來解釋或限制權利要求的保護范圍或含義。此外，在上述具體實施方式
中，不同的特征可以集合在一起以將該公開內(nèi)容連成一個整體。這不應當解釋為未要求保護的公開特征是任何權利要求的必要特征的意圖。確切地說，創(chuàng)造性的主題可以在于比特定公開實施方式的所有特征少的特征中。因此，據(jù)此將接下來的權利要求結(jié)合在具體實施方式
中，每個權利要求自身獨立為單獨的實施方式，并且預期這種實施方式可以以多種組合或排列彼此組合。本發(fā)明的保護范圍應當參考隨附權利要求以及這些權利要求具有的等同物的全部范圍確定。
權利要求
1.一種設備，包括 薄膜體聲波諧振器，包括 聲反射鏡；壓電區(qū)域，在聲學上連接至聲反射鏡；第一導體，電連接至壓電區(qū)域；和第二導體，電連接至壓電區(qū)域并與第一導體電絕緣；集成電路襯底，包括接口電路，所述第一導體和第二導體電連接至接口電路；其中集成電路襯底構造為機械地支撐諧振器；并且其中聲反射鏡構造為抑制或阻止聲能以薄膜體聲波諧振器的諧振頻率或附近的頻率從壓電區(qū)域耦合到集成電路襯底中。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中壓電區(qū)域包括氧化鋅。
3.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中聲反射鏡包括鎢和二氧化硅的交替層。
4.根據(jù)權利要求3所述的設備，其中接口電路包括CMOS電路，并且其中諧振器位于集成電路的頂面上。
5.根據(jù)權利要求1所述的設備，包括振蕩器，該振蕩器包括接口電路的至少一部分和所述聲波諧振器。
6.根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述振蕩器的工作頻率至少部分地由加載所述壓電區(qū)域的質(zhì)量確定。
7.根據(jù)權利要求6所述的設備，其中所述諧振器包括感測表面，該感測表面構造為檢測指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA低聚體的指定雜化或指定氣體分子的吸附中的至少一種。
8.根據(jù)權利要求7所述的設備，其中所述感測表面被功能化為吸附氣體分子。
9.根據(jù)權利要求7所述的設備，其中所述感測表面包括固定抗體、抗體片段或核酸探測器。
10.根據(jù)權利要求7所述的設備，其中所述感測表面構造為響應于指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA低聚體的指定雜化或指定氣體分子的吸附中的至少一種來增加質(zhì)量。
11.根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述振蕩器構造為采用該諧振器的機械振蕩的剪切模式進行運行。
12.根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述振蕩器構造為當該設備與液體介質(zhì)接觸或由液體介質(zhì)包圍時以指定工作頻率振蕩。
13.根據(jù)權利要求5所述的設備，其中所述集成電路包括頻率計數(shù)器，該頻率計數(shù)器連接至所述振蕩器并構造為提供表示所述振蕩器的振蕩頻率的信息。
14.一種設備，包括薄膜體聲波諧振器陣列，每個諧振器包括 聲反射鏡；壓電區(qū)域，在聲學上連接至聲反射鏡；第一導體，電連接至壓電區(qū)域；和第二導體，電連接至壓電區(qū)域并與第一導體電絕緣；包括接口電路的集成電路襯底，每個諧振器的第一導體和第二導體電連接至接口電路；其中集成電路襯底構造為機械地支撐所述諧振器陣列；其中每個對應的聲反射鏡構造為減少或抑制聲能以包括所述對應的聲反射鏡的對應薄膜體聲波諧振器的諧振頻率或附近的頻率從對應的壓電區(qū)域耦合到集成電路襯底中；并且其中所述陣列包括振蕩器陣列，每個振蕩器包括接口電路的至少一部分和至少一個聲波諧振器。
15.根據(jù)權利要求14所述的設備，其中包括在所述陣列中的至少一個振蕩器包括諧振器，該諧振器包括感測表面，該感測表面構造為檢測指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、 DNA低聚體的指定雜化和指定氣體分子的吸附中的至少一種。
16.根據(jù)權利要求14所述的設備，其中所述集成電路包括頻率計數(shù)器，該頻率計數(shù)器連接至包括在所述陣列中的至少一個振蕩器并構造為提供表示所述至少一個振蕩器的振蕩頻率的信息。
17.一種方法，包括下述步驟在集成電路襯底上形成薄膜體聲波諧振器，包括下述步驟形成聲反射鏡，該聲反射鏡構造為降低聲能以薄膜體聲波諧振器的諧振頻率或附近的頻率從壓電區(qū)域耦合到集成電路襯底中；形成在聲學上連接至聲反射鏡的壓電區(qū)域；將第一導體電連接在壓電區(qū)域和包括在集成電路襯底中的接口電路之間；以及將第二導體電連接在壓電區(qū)域和包括在集成電路襯底中的接口電路之間。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中將第一導體和第二導體電連接至壓電區(qū)域的步驟包括沉積金屬。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述金屬包括鎢。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中形成聲反射鏡的步驟包括在集成電路襯底的頂面上形成二氧化硅和鎢的交替層。
21.根據(jù)權利要求17所述的方法，包括在集成電路襯底上形成薄膜體聲波諧振器陣列的步驟。
22.根據(jù)權利要求17所述的方法，包括在所述諧振器上提供感測表面的步驟，該感測表面用于檢測指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA低聚體的指定雜化或指定氣體分子的吸附中的至少一種。
23.根據(jù)權利要求17所述的方法，包括功能化所述諧振器上的感測表面以促進指定氣體分子的吸附的步驟。
24.根據(jù)權利要求17所述的方法，包括下述步驟提供使用所述接口電路的至少一部分和所述諧振器的振蕩器；和其中所述振蕩器的工作頻率至少部分地由加載所述壓電區(qū)域的質(zhì)量確定。
25.根據(jù)權利要求M所述的方法，包括提供頻率計數(shù)器的步驟，該頻率計數(shù)器構造為采用所述接口電路的至少一部分測量表示所述振蕩器的振蕩頻率的信息。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種設備，包括薄膜體聲波諧振器，該薄膜體聲波諧振器如包括聲反射鏡、在聲學上連接至聲反射鏡的壓電區(qū)域、電連接至壓電區(qū)域的第一導體和第二導體。在一種實施例中，集成電路襯底可以包括連接至諧振器的第一導體和第二導體的接口電路，該集成電路襯底構造為機械地支撐諧振器。一種實施例可以包括這種諧振器的陣列，其與接口電路共同集成在一起并構造為檢測與指定蛋白結(jié)合、指定抗體-抗原耦合、DNA低聚體的指定雜化或指定氣體分子的吸附中的一個或多個相關聯(lián)的質(zhì)量變化。
文檔編號H01L47/00GK102414855SQ201080018971
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權日2009年4月29日
發(fā)明者肯尼斯·謝巴德, 阿尼斯·卡米斯, 馬修·約翰斯頓 申請人:紐約市哥倫比亞大學信托人