CN203675062U - 薄膜体声波谐振器结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了薄膜体声波谐振器结构，包括基片和设于基片表面的压电堆，基片包括集成电路芯片和设于集成电路芯片表面的聚酰亚胺层，集成电路芯片与压电堆通过互连通孔相连接。本实用新型提供的薄膜体声波谐振器结构简单可靠，集成机械牢度强，便于传感，应用于射频或传感系统，适合于各种繁杂的环境，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及微电子技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器结构。
背景技术
在无线通信领域，高通信频率、高传输速率、高密集复用和高集成化成为发展趋势，这就对元器件的集成提出了更高的要求。目前将有源器件集成到一个芯片在半导体工艺上已相当成熟，但是无源器件的集成研究还相对较少和不成熟，这严重制约了集成技术的发展，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、振荡器和滤波器，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带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输入/输出（I/O）通信，需要滤波特性优良的多工滤波器，又如低噪声功耗的振荡器需要一个高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值的谐振器成为射频集成电路（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具有插损小、Q值高、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吉赫（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，使得其在超低功率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， 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策略。混合集成方法即将FBAR电路和原有集成电路制作在两个相互独立的衬底平面上，然后用金属导线将两者键合到一起，构成完整电路，这样FBAR的微结构加工（MEMS）工艺和信号处理电路的互补金属氧化物半导体工艺(CMOS)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 Utilizing Micromachined Resonators”（IEEE J. Solid-State Circuit，2003V38pp1271-1274）,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平面的混合集成方法小，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“Inregration of high-Q BAW resonators and filters above IC”（IEEE International Solid-State Circuits Conference，Digest of Technical Paper.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 Circuit Conference，Digest of Technical Papers.2005,pp 394-395）。2008年，专利文献WO 2008/101646 Al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，因此现有的集成技术，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。2009年，浙江大学和清华大学共同申请的专利文献CNl01630946A（一种薄膜体声波谐振器及其制备方法）提出了钝化层上制备FBAR的方法，进一步降低了芯片的面积，但需要在钝化层上先沉积一层布拉格声波反射层再制作薄膜体声波谐振器，由于沉积布拉格发射层，需要严格控制各层的厚度，且容易脱落，工艺上也比较难以实现。
总之，实现简单集成，并同时缩小FBAR占用硅片面积，工艺上实现简单，是改进技术的关键。因此，需要研究一种新型的FBRA，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，且结构简单，工艺上易于实现。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了薄膜体声波谐振器结构，包括集成电路芯片、聚酰亚胺层及压电堆，结构简单可靠，集成机械牢度强，便于传感，应用于射频或传感系统，适合于各种繁杂的环境，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：包括基片和设于基片表面的压电堆，所述基片包括集成电路芯片和设于集成电路芯片表面的聚酰亚胺层，所述集成电路芯片与压电堆通过互连通孔相连接。
前述的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述压电堆包括第一电极、压电层及第二电极，所述互连通孔包括第一互连通孔和第二互连通孔，所述第一电极通过第一互连通孔与集成电路芯片相连接，所述第二电极通过第二互连通孔与集成电路芯片相连接。
前述的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述聚酰亚胺层的厚度为1-70μm。
前述的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述第一电极和第二电极的结构分布为上下结构、左右结构或叉指结构，所述第一电极、第二电极的厚度均为10-300nm，所述压电层的厚度为500-5000nm，所述第一电极、第二电极的材料为铝、金、铂或钛，所述压电层的材料为氧化锌或氮化铝。
前述的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述互连通孔内填装有导电介质，所述导电介质为钨。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的薄膜体声波谐振器结构，1、直接使用聚酰亚胺层作为声反射层，结构简单，制备方便，极大的简化了薄膜体声波谐振器的制作工艺，提高了成品率和稳定性；2、薄膜体声波谐振器直接制作在现有的集成电路之上，不占用额外的基片面积，大大减小了整个集成电路的面积，提高了集成度，不明显降低Q值；3、采用互连通孔技术实现互联，省去了键合线，减少互联寄生，提高电路性能，实现薄膜体声波谐振器和集成电路的电路连接，降低了射频信号的互扰；4、聚酰亚胺层对集成电路部分起到保护作用，特别是对单片集成的薄膜体声波谐振器传感器；5、在聚酰亚胺层上直接沉积压电层，结构简单可靠，机械牢度好，适用于恶劣环境下高性能射频或传感系统应用。
附图说明
图1是本实用新型的薄膜体声波谐振器结构的结构示意图；
图2是本实用新型的薄膜体声波谐振器结构的俯视图；
图3是本实用新型的薄膜体声波谐振器结构的S11谐振曲线。
附图标记含义如下：
1：基片；101：集成电路芯片；102：聚酰亚胺层；2：压电堆；201：第一电极；202：压电层；203：第二电极；3：互连通孔；301：第一互连通孔；302：第二互连通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的描述。
如图1和图2所示的薄膜体声波谐振器结构，包括基片1和设于基片1表面的压电堆2，基片1包括可进行薄膜体声波谐振器信号处理的集成电路芯片101和沉积固化在集成电路芯片101表面的聚酰亚胺层102，优选的，聚酰亚胺层102的厚度为1-70μm，集成电路芯片101与压电堆2通过互连通孔3相连接，互连通孔3内填装有导电介质，导电介质为钨，集成电路芯片101的集成电路与压电堆2通过内部填装导电介质钨的互连通孔3实现电路连通，且为了不影响薄膜体声波谐振器的正常工作，互连通孔3的位置应该避开压电堆2的压电工作区。压电堆2包括第一电极201、压电层202及第二电极203，第一电极201和第二电极203的结构分布为上下结构、左右结构或叉指结构，第一电极201、第二电极203的厚度均为10-300nm，压电层202的厚度为500-5000nm，本实施例中，压电堆2的结构为第一电极201、压电层202及第二电极203依次沉积在聚酰亚胺层102表面的三明治结构，压电层202的一端与第一电极连接，另一端直接与聚酰亚胺层102连接，由于在聚酰亚胺层102表面直接沉积压电层202，使得该薄膜体声波谐振器结构简单可靠，机械牢固度高，便于传感，适用于各种复杂环境下射频或传感系统，详细的，第一电极201、第二电极203的材料为铝、金、铂或钛，压电层202的材料为氧化锌或氮化铝，互连通孔3包括第一互连通孔301和第二互连通孔302，第一电极201通过第一互连通孔301与集成电路芯片101相连接，第二电极203通过第二互连通孔302与集成电路芯片101相连接。与传统薄膜体声波谐振器结构的背刻蚀、制造空气隙或形成布拉格反射层等复杂工艺形成良好的声反射层不同,本实用新型的薄膜体声波谐振器结构在集成电路芯片101表面直接设置聚酰亚胺层102作为声反射层，且在聚酰亚胺层102的表面直接制备压电堆2结构，极大的简化了薄膜体声波谐振器的制作工艺，提高了薄膜体声波谐振器产品的成品率和稳定性，同时不会导致大幅度的降低薄膜体声波谐振器的高Q值特性，如图3所示，依据本实用新型制备的薄膜体声波谐振器结构的S11谐振曲线，谐振频率点为1.555GHz，Q值为150，具有较高Q值；此外，通过互连通孔将压电堆和集成电路芯片实现电学连接，即将整个薄膜体声波谐振器结构与射频信号处理电路电学连接，有效减少射频信号的反射，提高集成度，降低成本，具有良好的应用前景。
本实用新型的薄膜体声波谐振器结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，制备集成电路芯片101；
步骤二，制备聚酰亚胺层102：在集成电路芯片101的表面均匀涂覆聚酰亚胺液体涂层，高温固化聚酰亚胺液体涂层得到固化的聚酰亚胺层102，集成电路芯片101与聚酰亚胺层102共同构成基片1；
步骤三，在聚酰亚胺层102的表面制备包括第一电极201、压电层202及第二电极203的压电堆2；
步骤四，制备互连通孔3，集成电路芯片101与压电堆2通过互连通孔3相连，实现电学连接，构成薄膜体声波谐振器结构。
详细的，步骤一中采用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺在硅晶圆上制备集成电路芯片101，步骤二中采用匀胶机将聚酰亚胺液体涂层在集成电路芯片101表面甩成均匀一层，在170℃-250℃高温下固化聚酰亚胺液体涂层得到固化的聚酰亚胺层102，聚酰亚胺层102的厚度为1-70μm，步骤三中压电堆2为从下到上依次为第一电极201、压电层202及第二电极203的三明治结构，压电堆2的制作顺序为第一电极201、压电层202及第二电极203，第一电极201、第二电极203采用直流溅射法制备，压电层202采用射频磁控反应溅射方法制备，第一电极201、第二电极203的厚度均为10-300nm，压电层202的厚度为500-5000nm，第一电极201、第二电极203的材料为铝、金、铂或钛，压电层202的材料为氧化锌或氮化铝，步骤四中互连通孔3包括第一互连通孔301和第二互连通孔302，互连通孔3通过垂直通孔技术（TSV)制造，互连通孔3内填装有导电介质，导电介质为钨，步骤三中的第一电极201通过第一互连通孔301与步骤一中集成电路芯片101相连接，步骤三中第二电极203通过第二互连通孔302与步骤一中集成电路芯片101相连接。
上述薄膜体声波谐振器结构的制备方法，直接在集成电路芯片101表面均匀旋涂一层聚酰亚胺液体涂层，然后高温170℃-250℃之间固化形成聚酰亚胺层102，在聚酰亚胺层102表面沉积压电堆结构，并利用聚酰亚胺层102作为声反射层，再制备互连通孔3，通过互连通孔3将整个薄膜体声波谐振器结构与集成电路芯片101的集成电路实现电学连接，整个工序简单快速，制备方便，生产周期缩短，适合批量生产。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：包括基片和设于基片表面的压电堆，所述基片包括集成电路芯片和设于集成电路芯片表面的聚酰亚胺层，所述集成电路芯片与压电堆通过互连通孔相连接。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述压电堆包括第一电极、压电层及第二电极，所述互连通孔包括第一互连通孔和第二互连通孔，所述第一电极通过第一互连通孔与集成电路芯片相连接，所述第二电极通过第二互连通孔与集成电路芯片相连接。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述聚酰亚胺层的厚度为1-70μm。
4.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述第一电极和第二电极的结构分布为上下结构、左右结构或叉指结构，所述第一电极、第二电极的厚度均为10-300nm，所述压电层的厚度为500-5000nm，所述第一电极、第二电极的材料为铝、金、铂或钛，所述压电层的材料为氧化锌或氮化铝。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构，其特征在于：所述互连通孔内填装有导电介质，所述导电介质为钨。
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