CN114826192A - 三维集成的mems振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维集成的MEMS振荡器，包括，集成电路晶圆、MEMS谐振器晶圆。其中集成电路晶圆包含多个振荡器电路；MEMS谐振器晶圆包含多个谐振器组成的谐振器阵列；集成电路晶圆在MEMS谐振器晶圆之上，两者之间通过键合方式连接，并通过沉积金属薄膜的方式实现电气连接。本发明解决了现有技术中MEMS振荡器集成后横纵向尺寸过大，而且不易高度集成和多频集成的问题。
Description
技术领域
本发明的技术领域涉及振荡器，具体涉及一种三维集成的MEMS振荡器。
背景技术
振荡器作为电子设备的心脏，常用作时钟、多种波形信号源等。除传统的石英晶体振荡器之外，MEMS振荡器近些年来也得到了一定的发展，市场上也已经有一些相对成熟的产品。MEMS振荡器的核心是MEMS谐振器，其制造工艺与CMOS工艺具有很好的兼容性，而且具有较高Q值。MEMS谐振器与电路组成的震荡器可以兼具小型化、低功耗、多频率、高精度的优点。
随着电子系统小型化、多功能、低功耗的发展，芯片的集成度越来越高，电路系统板载空间越来越小，尤其是随着5G以及未来需6G技术的发展，手机等移动通信设备支持的频段越来越多，需要振荡器提供多个高频、高精度的频率源。现有技术中的MEMS振荡器常常将谐振器与外部IC电路以二维排布的方式集成封装，只能集成几个甚至单个谐振器，难以实现多频段集成，系统集成度有待提升。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种三维集成方法，在有限的板载面积上有效的提高了集成度，提供的一种使振荡器系统板载面积小型化，同时又可以实现单片多频段集成的方法。
为实现上述目的，本发明提出一种三维集成的MEMS振荡器，其特征在于：包括集成电路晶圆、MEMS谐振器晶圆；所述MEMS谐振器晶圆包含衬底以及多个不同谐振频率的谐振器组成谐振器阵列；所述集成电路晶圆包含衬底、集成电子元器件(晶体管、电容、电感等)、第一绝缘层；
所述谐振器阵列中的谐振器属于压电型谐振器，由底电极、底电极以及位于两者之间的压电层组成；
所述集成电路晶圆在MEMS谐振器晶圆之上采用晶圆键合的方式连接；
所述MEMS谐振器晶圆上的谐振器电极端口分布在谐振器阵列之上，且都在压电层上方；
所述集成电路晶圆顶部与谐振器电极端口连接的连接端口分布芯片外围，与其他外部电路连接的连接端口分布在芯片内侧；所述集成电路晶圆的电路与MEMS谐振器晶圆上谐振阵列通过各自外围的连接端口之上沉积金属薄膜实现电气互连；
所述集成电路晶圆与谐振器阵列连接的金属触点分布在集成电路晶圆外围，用于后续工艺中谐振器的连接；
所述谐振器晶圆上的各谐振器电极设置在谐振器阵列外围，之后与集成电路晶圆电路连接；先键合后进行电气连接，以降低晶圆之间键合时的对准难度。
作为优选方案，所述集成电路晶圆衬底底部刻有空腔，集成电路晶圆与谐振器晶圆键合后，形成谐振器工作需要的上空腔。
进一步地，在集成电路晶圆与谐振器晶圆键合后，通过在集成电路晶圆边缘通过刻蚀掉一部分绝缘层之后，沉积金属薄膜实现谐振器与集成电路之间连接。
更进一步地，沉积金属薄膜前，在集成电路晶圆与谐振器晶圆完成键合后，在键合后的三维集成的MEMS振荡器之上沉积一层绝缘层，在后续工序中保护集成电路。
上述单片集成多频率且能够提高振荡器集成度的三维集成的MEMS振荡器，包括：集成电路晶圆、MEMS谐振器晶圆。上述集成电路晶圆包含完整的用于振荡器起振的晶体管、电容、电感等元件。上述MEMS谐振器晶圆包含多个不同谐振频率组成的阵列。上述谐振器阵列中的谐振器属于压电型谐振器，由底电极、底电极以及位于两者之间的压电层组成。上述集成电路晶圆在谐振器晶圆之上并通过晶圆键合的方式连接。上述集成电路晶圆与谐振器晶圆之间通过金属薄膜实现电气连接。
优选的，上述集成电路晶圆下方刻蚀空腔，与谐振器晶圆键合之后作为谐振器工作所需要的空腔。上述集成电路晶圆与谐振器阵列连接的金属触点分布在芯片外围，后续工艺中谐振器的连接。上述谐振器晶圆上的各谐振器电极设置在谐振器阵列外围，之后与集成电路晶圆电路连接。先键合后进行电气连接，以降低晶圆之间键合时的对准难度。在集成电路晶圆与谐振器晶圆完成键合后，在沉积一层绝缘层，用于保护集成电路。在集成电路晶圆与谐振器晶圆键合后，通过在集成电路晶圆边缘通过刻蚀掉一部分绝缘层之后，沉积金属薄膜实现谐振器与集成电路之间连接。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明中的三维集成的MEMS振荡器相比于其他MEMS振荡器具有纵向和横向长度小，集成多个不同高频率的谐振器，可以实现较高的集成度，能够满足未来电子系统小体积、多功能，低功耗的发展需求。
2、MEMS谐振器与集成电路之间通过无电气属性连接键合之后，通过沉积金属薄膜实现电路与谐振器的连接，降低了晶圆键合对准难度，谐振器与电路之间的互联较短，电寄生更少。
3、集成电路晶圆在谐振器晶圆之上，可以有效保护谐振器不受外界温度湿度的影响，能够相对稳定的状态工作。
4、通过将集成电路晶圆与谐振器晶圆键合的手段连接，可以使谐振器与集成电路可以实现相对独立的设计制造，降低制造流程中工艺兼容性的要求，降低了制造难度。
附图说明
图1是本发明经过刻蚀工艺并沉积牺牲层之后的谐振器晶圆衬底剖面图；
图2是本发明制造多个谐振器之后，谐振器晶圆剖面图；
图3是本发明底部刻蚀空腔的集成电路晶圆的剖面图；
图4为本发明集成电路晶圆与MEMS谐振器晶圆键合后的但谐振器与电路连接前的三维集成MEMS振荡器剖面图；
图5是本发明三维集成MEMS振荡器再次沉积绝缘层之后的剖面图；
图6是本发明三维集成MEMS振荡器的绝缘层经过刻蚀抛光后的剖面图；
图7是本发明谐振器与电路连接后的三维集成MEMS振荡器剖面图。
图中：1、MEMS谐振器晶圆，2、CMOS集成电路晶圆；
101、谐振器衬底、102、牺牲层、103、谐振器下空腔、104、谐振器底电极、105、谐振器压电层、106、谐振器晶圆输入输出端口、107、谐振器顶电极；
201、集成电路晶圆衬底、202、谐振器顶部空腔、203、晶体管、204、集成电感、205、集成电容、206、集成电路内连接金属触点、207、导电通道、208、集成电路外连接金属触点、209、第一绝缘层、210、谐振器上空腔、211、第二绝缘层、212、导电金属膜。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步地详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种三维集成的MEMS振荡器，包括集成电路晶圆1、MEMS谐振器晶圆2，集成电路晶圆在谐振器晶圆之上并通过键合的方式与MEMS谐振器晶圆键合，其中MEMS谐振器晶圆上有多个谐振器组成的谐振器阵列。
参考图1，所述MEMS谐振器晶圆是通过沉积、光刻和释放等工艺在Si衬底101上加工出多层结构，形成所述的MEMS谐振器阵列。
参考图2，本实施例中谐振器下方设有下空腔103，以增强声波反射，提高谐振器性能。通过在Si衬底上刻蚀空腔，之后在Si衬底上生长一层牺牲层102，经过薄膜沉积图案化刻蚀等MEMS工序后在其上加工谐振器，再刻蚀掉牺牲层形成所需要的下空腔103。
谐振器由谐振器底电极104、谐振器顶电极107以及中间压电层105三层组成，谐振器底电极104和谐振器顶电极107可使用加工型导电性良好的Mo、Au等。压电层105可以选择AlN、LiNbO3等。
在本实施例中，将谐振器电极通过沉积金属膜212引至谐振器边缘。通过谐振器输入输出端口106向谐振器输入信号，谐振器底电极104和谐振器顶电极107之间的压电层105由于逆压电效应产生振动激发声波，之后声波发生反射，在特定频率下发生谐振，此时谐振器阻抗最小，起到频率选择作用。
参考图3，集成电路晶圆衬底下方刻蚀谐振器顶部空腔202，与谐振器晶圆键合后形成谐振器上空腔210，上空腔210作用同下空腔103。衬底底部刻蚀空腔之后继续在衬底顶部加工集成电路。
本实施例中，集成电路晶圆采用CMOS工艺。集成电路晶圆包括晶体管203，集成电感204，集成电容205等振荡器起振所需要的外部电路。各元件之间通过导电通道207连接。集成电路晶圆其中包含多个相互独立电路部分，分别与各个谐振器组成多个不同输出频率的振荡器。集成电路晶圆与谐振器连接的集成电路内连接金属触点206分布在整个芯片外围，而与振荡器芯片外部连接金属触点208分布在芯片中间部分。集成电路晶圆电路加工完成后在表面沉积一层材料为SiO2的第一绝缘层209，在之后加工中起到保护集成电路的作用。
参考图4，集成电路晶圆与谐振器晶圆分别加工完成之后，采用键合的方式连接。键合之后形成谐振器工作需要的上空腔210。
参考图5，在键合工艺之后，在整个集成系统表面沉积第二绝缘层211，材料与第一绝缘层一致，可选材料为SiO2。
参考图6、图7，通过刻蚀工艺，暴露出上方集成电路晶圆的金属触点206、208与下方谐振器输入输出端口106。通过沉积、光刻等一系列工艺将集成电路晶圆与谐振器晶圆通过金属薄膜212连接。
需要说明的是，在本实施例中谐振器阵列包括四个谐振器横向排列。但在实际生产中，谐振器阵列可以在晶圆表面横向纵向阵列，集成更多数量的谐振器。
本实施例中的谐振器以兰姆波和声表面波谐振器，此外谐振器还可以是薄膜体声波谐振器(FBAR)、横向激励体声波谐振器(XBAR)。
Claims (4)
1.一种三维集成的MEMS振荡器，其特征在于：包括集成电路晶圆、MEMS谐振器晶圆；所述MEMS谐振器晶圆包含衬底以及多个不同谐振频率的谐振器组成谐振器阵列；所述集成电路晶圆包含衬底、集成电子元器件、第一绝缘层；
所述谐振器阵列中的谐振器属于压电型谐振器，由底电极、底电极以及位于两者之间的压电层组成；
所述集成电路晶圆在MEMS谐振器晶圆之上采用晶圆键合的方式连接；
所述MEMS谐振器晶圆上的谐振器电极端口分布在谐振器阵列之上，且都在压电层上方；
所述集成电路晶圆顶部与谐振器电极端口连接的连接端口分布芯片外围，与其他外部电路连接的连接端口分布在芯片内侧；所述集成电路晶圆的电路与MEMS谐振器晶圆上谐振阵列通过各自外围的连接端口之上沉积金属薄膜实现电气互连；
所述集成电路晶圆与谐振器阵列连接的金属触点分布在集成电路晶圆外围，用于后续工艺中谐振器的连接；
所述谐振器晶圆上的各谐振器电极设置在谐振器阵列外围，之后与集成电路晶圆电路连接；先键合后进行电气连接，以降低晶圆之间键合时的对准难度。
2.根据权利要求1所述的三维集成的MEMS振荡器，其特征在于：所述集成电路晶圆衬底底部刻有空腔，集成电路晶圆与谐振器晶圆键合后，形成谐振器工作需要的上空腔。
3.根据权利要求1或2所述的三维集成的MEMS振荡器，其特征在于：在集成电路晶圆与谐振器晶圆键合后，通过在集成电路晶圆边缘通过刻蚀掉一部分绝缘层之后，沉积金属薄膜实现谐振器与集成电路之间连接。
4.根据权利要求3所述的三维集成的MEMS振荡器，其特征在于：沉积金属薄膜前，在集成电路晶圆与谐振器晶圆完成键合后，在键合后的三维集成的MEMS振荡器之上沉积一层绝缘层，在后续工序中保护集成电路。
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