專利名稱：一種薄膜體聲波諧振器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種薄膜體聲波諧振器FBAR 及其制造方法。
背景技術(shù)：
無線通信正朝著高通信頻率、高傳輸速率、高密集復(fù)用和高集成化方 向發(fā)展。目前半導(dǎo)體工藝已經(jīng)完全可以將有源器件集成到一個(gè)芯片，但是 無源的頻率器件還不能集成，這嚴(yán)重制約了 RFIC的發(fā)展。無源器件主要 是多工器、濾波器、諧振器以及匹配LC網(wǎng)絡(luò)，由諧振器可以構(gòu)成多工器、 濾波器、振蕩器等， 一個(gè)無線收發(fā)機(jī)需要多個(gè)諧振器來構(gòu)成多工器、VCO 和RF濾波器。因此，基本單元諧振器的集成化是問題的關(guān)鍵。目前無線 通信要求在很窄的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高容量的數(shù)據(jù)傳輸，比如碼分多址 (CDMA)頻帶的雙工器要求非常陡哨的矩形系數(shù)和隔離度，又如新一代 多通道輸入輸出(MIMO)要在很窄的通道實(shí)現(xiàn)多1/0通信，需要濾波特 性優(yōu)良的多工濾波器，又如低噪聲低功耗的VCO需要一個(gè)高Q的諧振器； 這就需要一種Q值高、溫度系數(shù)低、損耗低的諧振器，來實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)苛 刻的濾波器、雙工器和振蕩器?？傊畬ふ乙环N可以集成的高Q值的諧振器 成為了 RFIC集成技術(shù)的關(guān)鍵，也是各大跨國(guó)公司爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。目前射頻濾波器主要是不能集成的介質(zhì)濾波器和聲表面波(SAW)濾 波器。前者性能雖好但是體積太大，后者功率容量和工作頻率低、插損和 溫度系數(shù)大、Q值低，難以滿足射頻系統(tǒng)所需要的選頻特性、集成化和低 功耗的綜合性能。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)發(fā)展，特別是薄膜體聲波諧 振器(FBAR)的出現(xiàn)給單芯片集成高性能的RFIC帶來了曙光。FBAR是 一種體聲波(BAW)器件，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，通常由制作在硅襯底上的三明治壓電堆構(gòu)成，其中三明治壓電堆由下電極、壓電薄膜和上電極構(gòu)成，利 用聲縱波在下電極、壓電薄膜、上電極的三明治結(jié)構(gòu)中反射形成駐波諧振。
FBAR具有工作頻率高、射頻段性能優(yōu)良、與半導(dǎo)體工藝兼容的潛力、 功率承栽性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是目前最具前途的可完全芯片集成的GHz 射頻前端解決方案。其優(yōu)良的濾波特性、低插損和低溫度系數(shù)，使得其在 超低功耗射頻前端領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景。同時(shí)由于其高靈敏度特性
(Q>1200)， FBAR也作為微質(zhì)量傳感器，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物領(lǐng)域。 由于FBAR廣闊的應(yīng)用前景，其集成研究受到越來越多的關(guān)注。目前主要 有混合集成和單片集成兩種集成策略?；旌霞杉磳BAR電路和原有集 成電路制作在兩個(gè)相互獨(dú)立的襯底上，然后用金屬導(dǎo)線將兩者鍵合到一 起，構(gòu)成完整電路，這樣FBAR的MEMS工藝和信號(hào)處理電路的CMOS 工藝可以分別完成，不用考慮其工藝兼容性。使用該方法集成FBAR作為 振蕩器可參見B. P. Otis等的"A 300uW 1.9GHz CMOS Oscillator Utilizing Micromachined Resonators" (IEEE J. Solid國(guó)State Circuit, Jul.2003, vol.38， pp 1271-1274)，但該集成方法機(jī)械牢固度不高，并不適合產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。 單片集成方法是將FBAR和FBAR的信號(hào)處理集成電路制作在一個(gè)硅片 上，使用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)FBAR的信號(hào)處理集成電路，再使用后CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)FBAR,并通過金屬布線連接。1993年，美國(guó)專利US 5,260,596 中公開了此技術(shù)，雖然面積比采用不同襯底的混合集成方法小，但由于是 在同一襯底平面上制作和互聯(lián)FBAR和CMOS電路，工藝復(fù)雜，而且面 積并不會(huì)減小太多。2005年，開始有文獻(xiàn)報(bào)道基于此技術(shù)的FBAR集成 實(shí)現(xiàn)，可參見M. A. Dubois等的"Integration of high畫Q BAW resonators and filters above IC" ( IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers. 2005， pp 392-393 )以及J. F. Carpentier等的"A SiGe:C BiCMOS WCDMA Zero-IF RF Front-End Using an Above-IC BAW Filter"
(IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers. 2005 ， pp 394-395 )。 2008年，專利文獻(xiàn)WO 2008/101646 Al提出 了單片集成技術(shù)，是將FBAR倒置，用金屬層支撐實(shí)現(xiàn)CMOS電路的電法可進(jìn)一步降4氐芯片面積，但仍然
需要兩套不同工藝單獨(dú)制備FBAR和CMOS電路，且該方法采用支撐結(jié) 構(gòu)，可靠性不夠高，成品率會(huì)相對(duì)較低。上述集成技術(shù)，都需要單獨(dú)一塊 硅片面積用于制造FBAR,制作在一個(gè)硅片上，而FBAR —般面積在1 ~ 5xl04um2，這對(duì)于硅集成電路來說面積太大，成本太高。
總之，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單集成，并同時(shí)縮小FBAR占用硅片面積是降低其成本 的關(guān)鍵技術(shù)。因此，需要一種對(duì)FBAR集成工藝的需求，可實(shí)現(xiàn)FBAR 與現(xiàn)有原有集成電路工藝的單片集成，芯片面積小，且結(jié)構(gòu)可靠性高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種薄膜體聲波諧振器(FBAR)結(jié)構(gòu)及其集成制作方法， 本發(fā)明薄膜體聲波諧振器不另外占用硅片面積，可大大減小芯片面積和成 本，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，便于傳感，F(xiàn)BAR與處理電路通過互連通孔連接， 可減小射頻信號(hào)的反射，可用于多種射頻系統(tǒng)及微小質(zhì)量傳感系統(tǒng)的單芯 片集成i殳計(jì)。
一種薄膜體聲波諧振器，由集成為一體的基片、聲波反射層和三明治 壓電堆三部分組成，所述的基片由可進(jìn)行FBAR信號(hào)處理的集成電路芯片 以及沉積在集成電路芯片上且表面經(jīng)過拋光的鈍化層構(gòu)成，所述的聲波反 射層位于基片的鈍化層拋光表面，三明治壓電堆位于聲波反射層表面。
三明治壓電堆和基片中的集成電路芯片使用互連通孔連接，所述的互 連通孔內(nèi)灌注導(dǎo)電介質(zhì)(如鵠等)，以實(shí)現(xiàn)三明治壓電堆和基片中的集成 電路芯片電路連接。
為了不影響薄膜體聲波諧振器的正常工作，所述的互連通孔的位置應(yīng) 該避開三明治壓電堆的壓電工作區(qū)。
聲波反射層和三明治壓電堆之間的位置只需按照現(xiàn)有技術(shù)布置即可， 本發(fā)明薄膜體聲波諧振器與現(xiàn)有技術(shù)主要區(qū)別在于采用的基片為可進(jìn)行 FBAR信號(hào)處理的集成電路芯片，并將該集成電路芯片表面做了鈍化及拋 光處理，芯片與壓電堆之間使用互連通孔技術(shù)連接。本發(fā)明還才是供了 一種所述的薄膜體聲波諧振器的制作方法，包括如下
步驟
(1) 利用現(xiàn)有技術(shù)制作可進(jìn)行FBAR信號(hào)處理的集成電路芯片(可 以是在保證其功能的前提下，選用各種工藝類型的芯片)，在所述的集成 電路芯片表面沉積鈍化層，鈍化層的材料為二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻 璃、氮化硅或光敏樹脂，厚度在0.1 ~ 100um,鈍化層的沉積可以采用低壓 化學(xué)氣相淀積設(shè)備等現(xiàn)有技術(shù)完成，再對(duì)鈍化層的表面經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光
(CMP)等拋光處理，獲得基片。
所述的光敏樹脂為聚酰亞胺光敏樹脂、苯并環(huán)丁烯光敏樹脂或環(huán)氧光 敏樹脂；
(2) 在基片的經(jīng)過拋光的鈍化層表面依次形成聲波反射層和三明治 壓電堆。
本發(fā)明薄膜體聲波諧振器的優(yōu)點(diǎn)為
(1) FBAR作為與集成電路配合的頻率相關(guān)的功能器件，是位于原 有集成電路之上，可以大大減小整個(gè)電路的面積，提高集成度；
(2) 采用接觸孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，省去了鍵合線，減少互聯(lián)寄生，可 提高電路性能。采用互連通孔連接FBAR和集成電路，降低了射頻信號(hào)的 互擾；
(3) 鈍化層對(duì)集成電路部分起到保護(hù)作用，特別是對(duì)單片集成的 FBAR傳感器；
(4) 機(jī)械牢度強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，便于傳感，非常適于惡劣環(huán)境的 高性能射頻或傳感系統(tǒng)應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的采用布拉格反射層的固態(tài)裝配型FBAR的集成結(jié)構(gòu)俯 視示意圖2是本發(fā)明的采用布拉格反射層的固態(tài)裝配型FBAR的集成結(jié)構(gòu)剖 面示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1,本發(fā)明的用布拉格反射層的FBAR的集成結(jié)構(gòu)俯視示意圖， 圖2是本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的采用布拉格反射層的FBAR的集成結(jié)構(gòu) 剖面示意圖。
圖中FBAR包括基片110，及其上的聲波反射層和三明治壓電堆111， 圖中的聲波反射層由一層低聲阻抗薄膜104和一層高聲阻抗薄膜105構(gòu) 成-
基片110由可進(jìn)行FBAR信號(hào)處理的集成電路芯片109以及沉積在集 成電路芯片109上且表面經(jīng)過拋光的鈍化層106構(gòu)成。
三明治壓電堆包4舌上電極101、下電極103和壓電層102。
三明治壓電堆111和基片中的集成電路109通過內(nèi)部填裝導(dǎo)電介質(zhì)鴒 的互連通孔107和互連通孔108實(shí)現(xiàn)電路連通。
本發(fā)明FBAR制作時(shí)，首先是在硅晶圓上使用CMOS工藝制造可進(jìn) 行FBAR信號(hào)處理的集成電路芯片109，然后采用低壓化學(xué)氣相淀積設(shè)備 (LPCVD)在集成電路芯片109上鍍覆50um的厚氧鈍化層106 (氮化硅)， 再對(duì)鈍化層106進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP),將上表面打磨平整，此時(shí)形 成本發(fā)明FBAR集成結(jié)構(gòu)的基片110，基片IIO表面的平整性影響著聲波 在表面的反射，越光滑平整，則FBAR的Q值也越高。
然后在基片IIO表面上方依次制作FBAR的布拉格聲波反射層對(duì)，即 低聲阻抗薄膜104和高聲阻抗薄膜105。
低聲阻抗薄膜104選用鋁(Al)并使用直流》茲控濺射方法制備，高聲 阻抗薄膜105選用Si()2并使用LPCVD方法制備。
接下來要在布拉格反射層之上制作FBAR的三明治結(jié)構(gòu)壓電堆111， 包括上電極101、壓電層102、和下電極103,上、下電極選用鋁(Al)電 極并采用直流'賊射法制備，壓電層102材料可以選擇氮化鋁(A1N)并采 用射頻磁控反應(yīng)濺射方法制備，制作順序依次為下電極103、壓電層102、 上電才及IOI。最后制作互連通孔107和互連通孔108，使用鵠塞技術(shù)分別將FBAR 的上電極101和下電極103同所述集成電路109連接起來，實(shí)現(xiàn)單片集成 系統(tǒng)的完整功能。
采用本發(fā)明集成化FBAR,其集成機(jī)械牢度強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，便于 傳感，應(yīng)用于射頻或傳感系統(tǒng)，對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性好。
權(quán)利要求
1、一種薄膜體聲波諧振器，其特征在于，由集成為一體的基片、聲波反射層和三明治壓電堆三部分組成，所述的基片由可進(jìn)行FBAR信號(hào)處理的集成電路芯片以及沉積在集成電路芯片上且表面經(jīng)過拋光的鈍化層構(gòu)成，所述的聲波反射層位于基片鈍化層的拋光表面，所述的三明治壓電堆位于聲波反射層表面。
2、 如權(quán)利要求1所述的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述的三 明治壓電堆和基片中的集成電路芯片使用互連通孔實(shí)現(xiàn)電路連接。
3、 一種薄膜體聲波諧振器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)制作可進(jìn)行FBAR信號(hào)處理的集成電路芯片，在所述的集成電路芯片表面沉積鈍化層后對(duì)鈍化層的表面經(jīng)過拋光，獲得基片；(2 )在基片的拋光鈍化層表面依次形成聲波反射層和三明治壓電堆。
4、 如權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的鈍化層的材 料為二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、氮化硅或光敏樹脂。
5、 如權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的鈍化層的厚 度為0.1 ~ 100um。
6、 如權(quán)利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述的光敏樹脂為 聚酰亞胺光敏樹脂、苯并環(huán)丁烯光敏樹脂或環(huán)氧光敏樹脂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜體聲波諧振器及其制備方法，薄膜體聲波諧振器由集成為一體的基片、聲波反射層和三明治壓電堆三部分組成，所述的基片由可進(jìn)行FBAR信號(hào)處理的集成電路芯片以及沉積在集成電路芯片上且表面經(jīng)過拋光的鈍化層構(gòu)成，所述的聲波反射層和三明治壓電堆位于基片的鈍化層表面。本發(fā)明薄膜體聲波諧振器不另外占用硅片面積，可大大減小芯片面積和成本，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，便于傳感，F(xiàn)BAR與處理電路通過互連通孔連接，可減小射頻信號(hào)的反射，可用于多種射頻系統(tǒng)及微小質(zhì)量傳感系統(tǒng)的單芯片集成設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)H03H9/00GK101630946SQ20091010196
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者任天令, 彭平剛, 軼 楊, 董樹榮, 趙士恒 申請(qǐng)人:浙江大學(xué);清華大學(xué)