CN101630946A - 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，薄膜体声波谐振器由集成为一体的基片、声波反射层和三明治压电堆三部分组成，所述的基片由可进行FBAR信号处理的集成电路芯片以及沉积在集成电路芯片上且表面经过抛光的钝化层构成，所述的声波反射层和三明治压电堆位于基片的钝化层表面。本发明薄膜体声波谐振器不另外占用硅片面积，可大大减小芯片面积和成本，且结构简单可靠，便于传感，FBAR与处理电路通过互连通孔连接，可减小射频信号的反射，可用于多种射频系统及微小质量传感系统的单芯片集成设计。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器FBAR及其制造方法。
背景技术
无线通信正朝着高通信频率、高传输速率、高密集复用和高集成化方向发展。目前半导体工艺已经完全可以将有源器件集成到一个芯片，但是无源的频率器件还不能集成，这严重制约了RFIC的发展。无源器件主要是多工器、滤波器、谐振器以及匹配LC网络，由谐振器可以构成多工器、滤波器、振荡器等，一个无线收发机需要多个谐振器来构成多工器、VCO和RF滤波器。因此，基本单元谐振器的集成化是问题的关键。目前无线通信要求在很窄的频段内实现更高容量的数据传输，比如码分多址(CDMA)频带的双工器要求非常陡峭的矩形系数和隔离度，又如新一代多通道输入输出(MIMO)要在很窄的通道实现多I/O通信，需要滤波特性优良的多工滤波器，又如低噪声低功耗的VCO需要一个高Q的谐振器；这就需要一种Q值高、温度系数低、损耗低的谐振器，来实现这些指标苛刻的滤波器、双工器和振荡器。总之寻找一种可以集成的高Q值的谐振器成为了RFIC集成技术的关键，也是各大跨国公司争相研究的热点。
目前射频滤波器主要是不能集成的介质滤波器和声表面波(SAW)滤波器。前者性能虽好但是体积太大，后者功率容量和工作频率低、插损和温度系数大、Q值低，难以满足射频系统所需要的选频特性、集成化和低功耗的综合性能。微机电系统(MEMS)技术发展，特别是薄膜体声波谐振器(FBAR)的出现给单芯片集成高性能的RFIC带来了曙光。FBAR是一种体声波(BAW)器件，结构非常简单，通常由制作在硅衬底上的三明治压电堆构成，其中三明治压电堆由下电极、压电薄膜和上电极构成，利用声纵波在下电极、压电薄膜、上电极的三明治结构中反射形成驻波谐振。
FBAR具有工作频率高、射频段性能优良、与半导体工艺兼容的潜力、功率承载性好等优点，被认为是目前最具前途的可完全芯片集成的GHz射频前端解决方案。其优良的滤波特性、低插损和低温度系数，使得其在超低功耗射频前端领域有着重要应用前景。同时由于其高灵敏度特性(Q＞1200)，FBAR也作为微质量传感器，被广泛应用于化学和生物领域。由于FBAR广阔的应用前景，其集成研究受到越来越多的关注。目前主要有混合集成和单片集成两种集成策略。混合集成即将FBAR电路和原有集成电路制作在两个相互独立的衬底上，然后用金属导线将两者键合到一起，构成完整电路，这样FBAR的MEMS工艺和信号处理电路的CMOS工艺可以分别完成，不用考虑其工艺兼容性。使用该方法集成FBAR作为振荡器可参见B.P.Otis等的“A 300uW 1.9GHz CMOS Oscillator UtilizingMicromachined Resonators”(IEEE J.Solid-State Circuit，Jul.2003，vol.38，pp1271-1274)，但该集成方法机械牢固度不高，并不适合产品的批量生产。单片集成方法是将FBAR和FBAR的信号处理集成电路制作在一个硅片上，使用CMOS工艺实现FBAR的信号处理集成电路，再使用后CMOS工艺实现FBAR，并通过金属布线连接。1993年，美国专利US 5,260,596中公开了此技术，虽然面积比采用不同衬底的混合集成方法小，但由于是在同一衬底平面上制作和互联FBAR和CMOS电路，工艺复杂，而且面积并不会减小太多。2005年，开始有文献报道基于此技术的FBAR集成实现，可参见M.A.Dubois等的“Integration of high-Q BAW resonators andfilters above IC”(IEEE International Solid-State Circuits Conference，Digestof Technical Papers.2005，pp 392-393)以及J.F.Carpentier等的“A SiGe：CBiCMOS WCDMA Zero-IF RF Front-End Using an Above-IC BAW Filter”(IEEE International Solid-State Circuits Conference，Digest of TechnicalPapers.2005，pp 394-395)。2008年，专利文献WO 2008/101646A1提出了单片集成技术，是将FBAR倒置，用金属层支撑实现CMOS电路的电气接触，并形成一个空气隙结构，该方法可进一步降低芯片面积，但仍然需要两套不同工艺单独制备FBAR和CMOS电路，且该方法采用支撑结构，可靠性不够高，成品率会相对较低。上述集成技术，都需要单独一块硅片面积用于制造FBAR，制作在一个硅片上，而FBAR一般面积在1～5×104um2，这对于硅集成电路来说面积太大，成本太高。
总之，实现简单集成，并同时缩小FBAR占用硅片面积是降低其成本的关键技术。因此，需要一种对FBAR集成工艺的需求，可实现FBAR与现有原有集成电路工艺的单片集成，芯片面积小，且结构可靠性高。
发明内容
本发明提供一种薄膜体声波谐振器(FBAR)结构及其集成制作方法，本发明薄膜体声波谐振器不另外占用硅片面积，可大大减小芯片面积和成本，且结构简单可靠，便于传感，FBAR与处理电路通过互连通孔连接，可减小射频信号的反射，可用于多种射频系统及微小质量传感系统的单芯片集成设计。
一种薄膜体声波谐振器，由集成为一体的基片、声波反射层和三明治压电堆三部分组成，所述的基片由可进行FBAR信号处理的集成电路芯片以及沉积在集成电路芯片上且表面经过抛光的钝化层构成，所述的声波反射层位于基片的钝化层抛光表面，三明治压电堆位于声波反射层表面。
三明治压电堆和基片中的集成电路芯片使用互连通孔连接，所述的互连通孔内灌注导电介质(如钨等)，以实现三明治压电堆和基片中的集成电路芯片电路连接。
为了不影响薄膜体声波谐振器的正常工作，所述的互连通孔的位置应该避开三明治压电堆的压电工作区。
声波反射层和三明治压电堆之间的位置只需按照现有技术布置即可，本发明薄膜体声波谐振器与现有技术主要区别在于采用的基片为可进行FBAR信号处理的集成电路芯片，并将该集成电路芯片表面做了钝化及抛光处理，芯片与压电堆之间使用互连通孔技术连接。
本发明还提供了一种所述的薄膜体声波谐振器的制作方法，包括如下步骤：
(1)利用现有技术制作可进行FBAR信号处理的集成电路芯片(可以是在保证其功能的前提下，选用各种工艺类型的芯片)，在所述的集成电路芯片表面沉积钝化层，钝化层的材料为二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、氮化硅或光敏树脂，厚度在0.1～100um，钝化层的沉积可以采用低压化学气相淀积设备等现有技术完成，再对钝化层的表面经过化学机械抛光(CMP)等抛光处理，获得基片。
所述的光敏树脂为聚酰亚胺光敏树脂、苯并环丁烯光敏树脂或环氧光敏树脂；
(2)在基片的经过抛光的钝化层表面依次形成声波反射层和三明治压电堆。
本发明薄膜体声波谐振器的优点为：
(1)FBAR作为与集成电路配合的频率相关的功能器件，是位于原有集成电路之上，可以大大减小整个电路的面积，提高集成度；
(2)采用接触孔技术实现互联，省去了键合线，减少互联寄生，可提高电路性能。采用互连通孔连接FBAR和集成电路，降低了射频信号的互扰；
(3)钝化层对集成电路部分起到保护作用，特别是对单片集成的FBAR传感器；
(4)机械牢度强，结构简单可靠，便于传感，非常适于恶劣环境的高性能射频或传感系统应用。
附图说明
图1是本发明的采用布拉格反射层的固态装配型FBAR的集成结构俯视示意图；
图2是本发明的采用布拉格反射层的固态装配型FBAR的集成结构剖面示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的用布拉格反射层的FBAR的集成结构俯视示意图，图2是本发明的实施方式所涉及的采用布拉格反射层的FBAR的集成结构剖面示意图。
图中FBAR包括基片110，及其上的声波反射层和三明治压电堆111，图中的声波反射层由一层低声阻抗薄膜104和一层高声阻抗薄膜105构成。
基片110由可进行FBAR信号处理的集成电路芯片109以及沉积在集成电路芯片109上且表面经过抛光的钝化层106构成。
三明治压电堆包括上电极101、下电极103和压电层102。
三明治压电堆111和基片中的集成电路109通过内部填装导电介质钨的互连通孔107和互连通孔108实现电路连通。
本发明FBAR制作时，首先是在硅晶圆上使用CMOS工艺制造可进行FBAR信号处理的集成电路芯片109，然后采用低压化学气相淀积设备(LPCVD)在集成电路芯片109上镀覆50um的厚氧钝化层106(氮化硅)，再对钝化层106进行化学机械抛光(CMP)，将上表面打磨平整，此时形成本发明FBAR集成结构的基片110，基片110表面的平整性影响着声波在表面的反射，越光滑平整，则FBAR的Q值也越高。
然后在基片110表面上方依次制作FBAR的布拉格声波反射层对，即低声阻抗薄膜104和高声阻抗薄膜105。
低声阻抗薄膜104选用铝(Al)并使用直流磁控溅射方法制备，高声阻抗薄膜105选用SiO2并使用LPCVD方法制备。
接下来要在布拉格反射层之上制作FBAR的三明治结构压电堆111，包括上电极101、压电层102、和下电极103，上、下电极选用铝(Al)电极并采用直流溅射法制备，压电层102材料可以选择氮化铝(AlN)并采用射频磁控反应溅射方法制备，制作顺序依次为：下电极103、压电层102、上电极101。
最后制作互连通孔107和互连通孔108，使用钨塞技术分别将FBAR的上电极101和下电极103同所述集成电路109连接起来，实现单片集成系统的完整功能。
采用本发明集成化FBAR，其集成机械牢度强，结构简单可靠，便于传感，应用于射频或传感系统，对各种复杂环境适应性好。
Claims (6)
1、一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，由集成为一体的基片、声波反射层和三明治压电堆三部分组成，所述的基片由可进行FBAR信号处理的集成电路芯片以及沉积在集成电路芯片上且表面经过抛光的钝化层构成，所述的声波反射层位于基片钝化层的抛光表面，所述的三明治压电堆位于声波反射层表面。
2、如权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的三明治压电堆和基片中的集成电路芯片使用互连通孔实现电路连接。
3、一种薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制作可进行FBAR信号处理的集成电路芯片，在所述的集成电路芯片表面沉积钝化层后对钝化层的表面经过抛光，获得基片；
(2)在基片的抛光钝化层表面依次形成声波反射层和三明治压电堆。
4、如权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的钝化层的材料为二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、氮化硅或光敏树脂。
5、如权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的钝化层的厚度为0.1～100um。
6、如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述的光敏树脂为聚酰亚胺光敏树脂、苯并环丁烯光敏树脂或环氧光敏树脂。
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