DE19915995A1 - Monolithic integrated filter e.g. for mobile reception technology, has input swing with conductive tongues that are connected mechanically by insulating bridge - Google Patents
Monolithic integrated filter e.g. for mobile reception technology, has input swing with conductive tongues that are connected mechanically by insulating bridgeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein monolithisch integriertes Filter, beispielsweise für mobile Empfangstechnik, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a monolithically integrated filter, for example for mobile Reception technology, and a process for its manufacture.
Monolithisch integrierte Filter sind als aktive und passive elektrische Strukturen bekannt. Für nicht allzu hohe Eckfrequenzen lassen sich aktive Filter mit relativ geringen Verlustleistungen und hohen Filtersteilheiten monolithisch realisieren. Bei höheren Frequenzen jedoch, typischerweise größer 10 MHz, steigt die Verlustleistung auf Grund von kapazitiven Verlusten und Umladungsverlusten bei den nunmehr sehr schnellen Schaltvorgängen stark an. Derartige Filter sind dann für Empfänger mit mobilem Einsatz infolge der reduzierten Batterielebensdauer ungeeignet. Passive Filter dagegen sind bei monolithischer Integration mit nur sehr geringer Güte realisierbar. Die mit Hilfe von dünnen Metallsystemen realisierten Induktivitäten erreichen im Frequenzbereich von 100 MHz bis ca. 5 GHz nur Gütewerte von 2 bis 10. Sie verhindern das Erzielen der für die mobile Empfangstechnik notwendigen Filtersteilheiten. Trotz größerer Verlustleistungen konnten mit derartigen monolithisch integrierten, passiven elektrischen Schwingkreisen noch keine Filtersteilheiten erreicht werden, wie sie z. B. für Zwischenfrequenzfilter im oberen MHz-Bereich erforderlich sind.Monolithically integrated filters are known as active and passive electrical structures. For not too high corner frequencies, active filters with relatively low ones can be used Realize power losses and high filter steepness monolithically. At higher However, frequencies, typically greater than 10 MHz, cause the power loss to increase of capacitive losses and transhipment losses with the now very fast Switching operations strongly. Such filters are then for receivers with mobile use unsuitable due to the reduced battery life. Passive filters, however, are included monolithic integration can be realized with only very low quality. With the help of Thin metal systems achieve inductivities in the frequency range of 100 MHz to approx. 5 GHz only quality values from 2 to 10. They prevent the achievement of for the filter steepness necessary for mobile reception technology. Despite larger power losses could with such monolithically integrated, passive electrical resonant circuits No filter steepness can be achieved, such as z. B. for intermediate frequency filter in upper MHz range are required.
Die Zwischenfrequenzfilter sind deshalb in modernen Empfängern stets als externe Elemente an die integrierte Schaltung angeschlossen. Dazu werden Filter sehr hoher Güte verwendet, vorzugsweise Quarzfilter, Oberflächenwellenfilter oder keramische Filter. Es existieren gegenwärtig keine Lösungen, Filter mit entsprechenden Eigenschaften in Form einer monolithischen Integration in Si-basierenden Technologien herzustellen. Die externen Elemente verursachen neben erhöhtem Raumbedarf aber immer eine höhere Verlustleistung, da bei den hohen Frequenzen mindestens die Pads, meist aber auch die reellen niederohmigen Abschlußwiderstände der externen Elemente zu versorgen sind.The intermediate frequency filters are therefore always used as external in modern receivers Elements connected to the integrated circuit. For this purpose, filters of very high quality are used used, preferably quartz filters, surface acoustic wave filters or ceramic filters. It there are currently no solutions, filters with corresponding properties in the form a monolithic integration in Si-based technologies. The external In addition to increased space requirements, elements always cause higher power loss, because at the high frequencies at least the pads, but mostly also the real ones low-resistance terminating resistors of the external elements are to be supplied.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein monolithisch integriertes Filter vorzuschlagen, das die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet und insbesondere hohe Filtersteilheiten bei sehr geringen Verlustleistungen aufweist.It is therefore an object of the invention to propose a monolithically integrated filter that avoids the disadvantages of the known arrangements and in particular high filter steepness with very low power losses.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß über einem Substrat mit mindestens einer ersten und einer zweiten Isolierschicht und einer elektrisch leitfähigen Schicht in der Ebene der elektrisch leitfähigen Schicht eine erste elektrisch leitende Fläche mindestens eine erste elektrisch leitende Zunge aufweist, daß benachbart eine zweite elektrisch leitende Fläche mindestens eine zweite elektrisch leitende Zunge aufweist und daß die ersten und zweiten elektrisch leitenden Zungen durch eine isolierende Brücke mechanisch verbunden sind. Vorzugsweise ist das Substrat ein Siliziumsubstrat, und die elektrisch leitfähige Schicht ist eine metallische Leitschicht. In einer anderen Ausführung ist die elektrisch leitfähige Schicht ein dotiertes Polysilizium oder ein undotiertes Polysilizium. Vorzugsweise ist die erste elektrisch leitende Fläche eine erste Metallfläche oder eine Fläche aus Polysilizium. In ebenfalls bevorzugter Weise ist die erste elektrisch leitende Zunge eine erste Metallzunge oder eine Zunge aus Polysilizium. Die Länge der ersten elektrisch leitenden Zunge ist größer als ihre Breite. Erfindungsgemäß ist die erste elektrisch leitende Fläche benachbart in derselben Ebene zur zweiten elektrisch leitenden Fläche angeordnet. In ebenfalls bevorzugter Weise ist die zweite elektrisch leitende Fläche eine zweite Metallfläche oder eine Fläche aus Polysilizium, und die zweite elektrisch leitende Zunge ist eine zweite Metallzunge oder eine Zunge aus Polysilizium ist. Die Eigenfrequenzen der ersten und zweiten elektrisch leitenden Zunge sind mindestens annähernd gleich groß oder unterscheiden sich durch ein ganzes Vielfaches. Die erste elektrisch leitende Zunge und die zweite elektrisch leitende Zunge sind mindestens annähernd gleich groß. Dabei sind die ersten und zweiten elektrisch leitenden Zungen im Bereich ihrer quer zu der Ebene frei beweglichen Länge durch eine isolierende Brücke in einer der benachbarten Ebenen mechanisch verbunden. In einer bevorzugten Ausführung ist eine Mehrzahl erster und zweiter elektrisch leitender Flächen, insbesondere erster und zweiter Metallflächen, mit jeweils ersten und zweiten elektrisch leitenden Zungen, insbesondere Metallzungen, und je einer isolierenden Brücke elektrisch derart in Reihe geschaltet, daß jeweils eine zweite elektrisch leitende Fläche, insbesondere eine zweite Metallfläche, mit einer folgenden ersten elektrisch leitenden Fläche, insbesondere Metallfläche, verbunden ist. In einer anderen ebenfalls bevorzugten Ausführung ist eine Mehrzahl erster und zweiter elektrisch leitender Flächen, insbesondere erster und zweiter Flächen aus Polysilizium, mit jeweils ersten und zweiten elektrisch leitenden Zungen, insbesondere Zungen aus Polysilizium, und je einer isolierenden Brücke elektrisch derart in Reihe geschaltet, daß jeweils eine zweite elektrisch leitende Fläche, insbesondere eine Fläche aus Polysilizium, mit einer folgenden ersten elektrisch leitenden Fläche, insbesondere einer Fläche aus Polysilizium, verbunden ist.According to the invention this object is achieved in that with a substrate at least a first and a second insulating layer and an electrically conductive Layer in the plane of the electrically conductive layer, a first electrically conductive surface has at least a first electrically conductive tongue that a second adjacent has electrically conductive surface at least a second electrically conductive tongue and that the first and second electrically conductive tongues through an insulating bridge are mechanically connected. Preferably the substrate is a silicon substrate, and the electrically conductive layer is a metallic conductive layer. Another version is the electrically conductive layer is a doped polysilicon or an undoped Polysilicon. The first electrically conductive surface is preferably a first metal surface or a polysilicon surface. The first is also preferably electrical conductive tongue a first metal tongue or a tongue made of polysilicon. The length of the first electrically conductive tongue is larger than its width. The first is according to the invention electrically conductive surface adjacent in the same plane to the second electrically conductive Arranged area. The second electrically conductive surface is likewise preferred a second metal surface or a surface made of polysilicon, and the second electrical conductive tongue is a second metal tongue or a tongue made of polysilicon. The Natural frequencies of the first and second electrically conductive tongues are at least approximately the same size or differ by a whole multiple. The first electrically conductive tongue and the second electrically conductive tongue are at least approximately the same size. The first and second electrically conductive tongues are in the Area of their length freely movable transversely to the plane through an insulating bridge in mechanically connected to one of the neighboring levels. In a preferred embodiment is a plurality of first and second electrically conductive surfaces, in particular first and second metal surfaces, each with first and second electrically conductive tongues, especially metal tongues, and one insulating bridge each electrically in series switched that in each case a second electrically conductive surface, in particular a second Metal surface, with a following first electrically conductive surface, in particular Metal surface, is connected. In another also preferred embodiment is one A plurality of first and second electrically conductive surfaces, in particular first and second Polysilicon surfaces, each with first and second electrically conductive tongues, in particular tongues made of polysilicon, and each electrically insulating in such a way Series connected that a second electrically conductive surface, in particular a Polysilicon surface, with a following first electrically conductive surface, in particular a surface made of polysilicon.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines monolithisch integrierten Filters zeichnet sich dadurch aus, daß auf ein Substrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat, eine erste Isolierschicht aufgebracht wird, daß im Layout einer darüberliegenden zweiten Isolierschicht eine vorgesehene Anzahl isolierender Brücken ausgebildet wird, daß im Layout einer darüberliegenden elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Leitschicht eine vorgesehene Anzahl erster und zweiter elektrisch leitender, insbesondere Metallflächen, mit ersten und zweiten elektrisch leitenden, insbesondere Metallzungen, derart ausgebildet wird, daß die isolierenden Brücken jeweils eine erste und eine zweite elektrisch leitende, insbesondere Metallzunge, im Bereich ihrer Länge verbindet und daß durch einen Ätzvorgang mit einer isotropen Ätztiefe die erste Isolierschicht in den Bereichen unter den beiden elektrisch leitenden, insbesondere Metallzungen, zumindest teilweise entfernt wird. In einer anderen Ausführung wird auf das Siliziumsubstrat eine erste Isolierschicht aufgebracht, im Layout einer darüberliegenden zweiten Isolierschicht wird eine vorgesehene Anzahl isolierender Brücken ausgebildet, im Layout einer darüberliegenden metallischen Leitschicht wird eine vorgesehene Anzahl erster und zweiter Metallflächen mit ersten und zweiten Metallzungen derart ausgebildet, daß die isolierenden Brücken jeweils eine erste und eine zweite Metallzunge im Bereich ihrer Länge verbindet, und durch einen Ätzvorgang mit einer isotropen Ätztiefe wird die erste Isolierschicht in den Bereichen unter den beiden Metallzungen zumindest teilweise entfernt.The method according to the invention for producing a monolithically integrated filter is characterized in that on a substrate, in particular a silicon substrate, a first insulating layer is applied that in the layout of an overlying second Insulating layer is provided a number of insulating bridges that in Layout of an overlying electrically conductive, in particular metallic conductive layer a planned number of first and second electrically conductive ones, in particular Metal surfaces, with first and second electrically conductive, in particular metal tongues, is formed such that the insulating bridges a first and a second electrically conductive, in particular metal tongue, connects in the area of their length and that by an etching process with an isotropic etching depth into the first insulating layer Areas under the two electrically conductive, in particular metal tongues, at least is partially removed. In another embodiment, one is placed on the silicon substrate first insulating layer applied, in the layout of an overlying second insulating layer a planned number of insulating bridges is formed, in the layout of a A metallic number of first and second layers is provided above it Metal surfaces formed with first and second metal tongues such that the insulating Bridges each connect a first and a second metal tongue in the area of their length, and by an etching process with an isotropic etching depth, the first insulating layer is in the Areas at least partially removed under the two metal tongues.
Mit jeder Metallzunge entsteht somit ein einseitig frei schwingender Stab, dessen zweites Ende mechanisch fest mit dem Substrat verbunden ist. Nach der erfindungsgemäßen Lehre werden ausgehend von monolithisch integrierten CMOS-, Bipolar- oder BiCMOS- Schaltungen auf dem gleichen Chip, vorzugsweise mit nur einem einzigen zusätzlichen Ätzschritt, mechanisch schwingfähige Strukturen erzeugt, die elektrisch angeregt werden können, mittels isolierender Brücken mechanisch gekoppelt sind und die einen elektrischen Ausgang besitzen. With each metal tongue, a rod that swings freely on one side is created, the second one End mechanically connected to the substrate. According to the teaching of the invention are based on monolithically integrated CMOS, bipolar or BiCMOS Circuits on the same chip, preferably with only a single additional one Etching step, mechanically vibratable structures generated that are electrically excited can be mechanically coupled by means of insulating bridges and an electrical Own exit.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist, mit der in einem elektrischen Wechselfeld wirkenden periodischen Kraftänderung einen mechanischen Federschwinger im Bereich seiner Eigenresonanz zu Schwingungen anzuregen.A key concept of the invention is that of acting in an alternating electrical field periodic change in force a mechanical spring oscillator in the area of its To stimulate self-resonance to vibrations.
Ein weiterer Kerngedanke besteht darin, diese angeregten mechanischen Schwingungen auf einen oder mehrere weitere, nahezu identisch aufgebaute Federschwinger mittels einer mechanischen Kopplung zu übertragen.Another key idea is based on these excited mechanical vibrations one or more further, almost identical spring oscillators by means of a to transmit mechanical coupling.
Schließlich beruht ein weiterer Kerngedanke darin, die periodische Kapazitätsänderung, die durch die sich periodisch ändernde Distanz der angekoppelten mechanisch schwingenden Strukturen entsteht, in elektrische Potentialänderungen umzuwandeln, indem die gesamte, absolute elektrische Ladung auf dieser Struktur konstant gehalten wird.Finally, another key idea is the periodic change in capacity, the by the periodically changing distance of the coupled mechanically vibrating Structures arises to convert into electrical potential changes by the entire absolute electrical charge on this structure is kept constant.
Die einfachste denkbare Struktur besteht also aus einem Eingangsfederschwinger in Gestalt einer ersten Metallzunge, aus dem mechanischen Koppelglied in Gestalt der isolierenden Brücke und aus einem Ausgangsfederschwinger in Gestalt einer zweiten Metallzunge. Komplexe Strukturen können mehrere hundert oder sogar mehrere tausend von dazwischenliegenden, einzelnen Federschwingern besitzen, wobei jeweils ein Eingangsfederschwinger mechanisch mit einem Ausgangsfederschwinger gekoppelt ist. Es können jeweils ein oder mehrere Eingangsfederschwinger und Ausgangsfederschwinger existieren. Für ein einfaches Filter genügt ein Eingangsfederschwinger und ein angekoppelter Ausgangsfederschwinger. In dem anschließenden Ausführungsbeispiel soll der Einfachheit halber nur ein solches einfaches Filter beschrieben werden.The simplest conceivable structure thus consists of an input spring oscillator in the form a first metal tongue, from the mechanical coupling element in the form of the insulating Bridge and an output spring oscillator in the form of a second metal tongue. Complex structures can be hundreds or even thousands of have in between, individual spring vibrators, each one Input spring oscillator is mechanically coupled to an output spring oscillator. It can each have one or more input spring oscillators and output spring oscillators exist. For a simple filter, one input spring oscillator and one is sufficient coupled output spring transducer. In the subsequent embodiment, it should only one such simple filter will be described for the sake of simplicity.
Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.The features of the invention go beyond the claims and also from the description and the drawing, the individual features each individually or to represent several protective designs in the form of sub-combinations for which protection is claimed here. An embodiment of the invention is in the Drawings shown and will be explained in more detail below.
Die Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Fig. 1 eine schematische und perspektivische Ansicht eines einfachen, monolithisch integrierten Filters, Fig. 1 is a schematic and perspective view of a simple, monolithic integrated filter,
Fig. 2 als einen ersten technologischen Schritt das Aufwachsen eines Feldoxides auf das Siliziumsubstrat, Fig. 2 as a first step, the technological growing a field oxide on the silicon substrate,
Fig. 3 als zweiten technologischen Schritt das Abscheiden einer Ätzbarriere und einer weiteren Schicht Feldoxid, Fig. 3 as a second step depositing a technological etching barrier and a further layer of field oxide,
Fig. 4 das Abscheiden der zweiten Isolierschicht aus beispielsweise Si3N4 und Strukturieren der Brücken, Fig. 4 shows the deposition of the second insulating layer of, for example, Si 3 N 4 and patterning the bridges,
Fig. 5 das Sputtern einer metallischen Leitschicht und Strukturieren der Federschwinger und Fig. 5 shows the sputtering of a metallic conductive layer and patterning the spring vibrator and
Fig. 6 das Unterätzen der Metallzungen. Fig. 6 undercutting the metal tongues.
Fig. 1 zeigt die Region eines Schaltkreises mit einer schematischen und perspektivischen Darstellung eines einfachen, monolithisch integrierten Filters mit einem Siliziumsubstrat 1, einer ersten Isolierschicht 2, beispielsweise aus SiO2, einem Eingangsfederschwinger in Form einer ersten Metallfläche 3 und einer ersten Metallzunge 4, einem Ausgangsfederschwinger in Form einer zweiten Metallfläche 5 und einer zweiten Metallzunge 6 sowie mit einer isolierenden Brücke 7, die im Layout einer zweiten Isolierschicht 8 ausgebildet ist. Fig. 1 shows the region of a circuit with a schematic and perspective illustration of a simple, monolithic integrated filter comprising a silicon substrate 1, a first insulating layer 2, for example of SiO 2, an input pen vibrator in the form of a first metal surface 3 and a first metal tongue 4, a Output spring oscillator in the form of a second metal surface 5 and a second metal tongue 6 and with an insulating bridge 7 , which is designed in the layout of a second insulating layer 8 .
Die Funktion eines derartigen monolithisch integrierten Filters ist folgende. Der Eingangsfederschwinger mit seiner ersten Metallfläche 3, die eine Flächenausdehnung von etwa 50 µm2 besitzt, ist von dem Siliziumsubstrat 1 durch die erste Isolierschicht 2, beispielsweise aus einem 500 nm dickem SiO2, getrennt. Zwischen beiden kann somit eine elektrische Kapazität in der Größenordnung einiger fF gemessen werden. Schaltet man an das Siliziumsubstrat 1 und an die erste Metallfläche 3 eine elektrische Wechselspannung, deren Frequenz in der Nähe der Eigenresonanzfrequenz der ersten Metallzunge 4, mit beispielsweise einer Breite von 5 µm und einer Länge von 120 µm, liegt, wird über die mechanische Kraft in dem elektrischen Feld die Metallzunge 4 zu Schwingungen mit ihrer Eigenresonanzfrequenz angeregt. Innerhalb des Schaltkreises läßt sich sehr eng benachbart ein Ausgangsfederschwinger mit einer zweiten Metallfläche 5 und einer zweiten Metallzunge 6 mit identischen mechanischen Eigenschaften und Maßen ausbilden. Aus diesem Grunde werden auch die Eigenresonanzfrequenzen der ersten und der zweiten Metallzunge 4; 6 sehr eng beieinander liegen. Die beiden Metallzungen 4; 6 sind mit Hilfe einer isolierenden Brücke 7, beispielsweise aus Si3N4 mit einer Breite von zirka 5 µm, die im Layout der zweiten Isolierschicht 8 ausgebildet wird, mechanisch miteinander verbunden. Über diese Kopplung werden die Schwingungen der Metallzunge 4 des Eingangsfederschwingers auf die Metallzunge 6 des Ausgangsfederschwingers übertragen. Um die mechanischen Energieverluste möglichst gering zu halten, sollte die Kopplung der beiden Metallzungen 4; 6 gering sein. Das bedeutet, daß die isolierende Brücke 7 mehr in Richtung der festliegenden Auflagepunkte der beiden Metallzungen 4; 6 angeordnet ist als in der Nähe ihrer frei schwingenden Enden, das heißt bei zirka 1-10% ihrer Länge. Die beim Schwingen der beiden Metallzungen 4; 6 eintretenden Verformungen sollen im wesentlichen auf elastische Verformungen entsprechend der Hook'schen Gerade begrenzt sein, um plastische Verformungen und damit verbundene Energieverluste zu vermeiden. Die verbleibenden mechanischen Energieverluste, beispielsweise durch Reibungen im Material, sind durch die elektrische Anregung kompensierbar.The function of such a monolithically integrated filter is as follows. The input spring oscillator with its first metal surface 3 , which has a surface area of approximately 50 μm 2 , is separated from the silicon substrate 1 by the first insulating layer 2 , for example from a 500 nm thick SiO 2 . An electrical capacitance of the order of a few fF can thus be measured between the two. If one switches to the silicon substrate 1 and to the first metal surface 3, an electrical alternating voltage, the frequency of which is in the vicinity of the natural resonance frequency of the first metal tongue 4 , for example with a width of 5 μm and a length of 120 μm, is given by the mechanical force in the electrical field, the metal tongue 4 is excited to vibrate at its natural resonance frequency. An output spring oscillator with a second metal surface 5 and a second metal tongue 6 with identical mechanical properties and dimensions can be formed very closely adjacent within the circuit. For this reason, the natural resonance frequencies of the first and the second metal tongue 4 ; 6 are very close together. The two metal tongues 4 ; 6 are mechanically connected to one another with the aid of an insulating bridge 7 , for example made of Si 3 N 4 with a width of approximately 5 μm, which is formed in the layout of the second insulating layer 8 . The vibrations of the metal tongue 4 of the input spring oscillator are transmitted to the metal tongue 6 of the output spring oscillator via this coupling. In order to keep the mechanical energy losses as low as possible, the coupling of the two metal tongues 4 ; 6 be low. This means that the insulating bridge 7 more in the direction of the fixed support points of the two metal tongues 4 ; 6 is arranged as near its free-swinging ends, that is at about 1-10% of its length. The when the two metal tongues 4 ; 6 deformations occurring should essentially be limited to elastic deformations corresponding to Hook's straight line in order to avoid plastic deformations and the associated energy losses. The remaining mechanical energy losses, for example due to friction in the material, can be compensated for by the electrical excitation.
Die im Eingangsfederschwinger mit der ersten Metallfläche 3 und der ersten Metallzunge 4 generierten Schwingungen werden damit auf die zweite Metallzunge 6 des Ausgangsfederschwingers übertragen und regen diese zu Schwingungen mit ihrer Eigenresonanzfrequenz an. Ist der Ausgangsfederschwinger mit der zweiten Metallfläche 5 und der zweiten Metallzunge 6 hochohmig mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, stellt sich an der zweiten Metallfläche 5 das Potential der Gleichspannungsquelle gegenüber dem Siliziumsubstrat 1 ein. Auch zwischen der zweiten Metallfläche 5 und dem Siliziumsubstrat 1 besteht eine Kapazität von einigen fF, die sich aber entsprechend den mechanischen Schwingungen der zweiten Metallzunge 6 periodisch ändert. Da die Ladung auf Grund des hochohmigen Anschlusses der Gleichspannungsquelle nicht abfließen kann, ändert sich entsprechend den mechanischen Schwingungen der zweiten Metallzunge 6 das Potential zwischen der zweiten Metallfläche 5 und dem Siliziumsubstrat 1. Diese Potentialänderung kann entweder direkt oder vorzugsweise mit Hilfe eines Verstärkers als Ausgangssignal gewonnen werden.The vibrations generated in the input spring oscillator with the first metal surface 3 and the first metal tongue 4 are thus transmitted to the second metal tongue 6 of the output spring oscillator and excite them to oscillate at their natural resonance frequency. If the output spring oscillator is connected to the second metal surface 5 and the second metal tongue 6 with a high-resistance connection to a DC voltage source, the potential of the DC voltage source with respect to the silicon substrate 1 is established on the second metal surface 5 . There is also a capacitance of a few fF between the second metal surface 5 and the silicon substrate 1 , but this changes periodically in accordance with the mechanical vibrations of the second metal tongue 6 . Since the charge cannot flow off due to the high-resistance connection of the DC voltage source, the potential between the second metal surface 5 and the silicon substrate 1 changes in accordance with the mechanical vibrations of the second metal tongue 6 . This change in potential can be obtained either directly or preferably with the aid of an amplifier as the output signal.
Zur Erzielung der gewünschten Filtereigenschaften läßt sich eine Mehrzahl derartiger elementarer Filteranordnungen in einem integrierten Schaltkreis ausbilden, wobei jeweils ein Ausgangsfederschwinger mit dem Eingangsfederschwinger der nachfolgenden elementaren Filteranordnung elektrisch in Reihe geschaltet ist. Zur Variation der Filtereigenschaften ist es weiter möglich, die ersten und zweiten Metallflächen 3; 5 der Eingangs- und Ausgangsfederschwinger mit jeweils mehr als nur einer ersten bzw. zweiten Metallzunge 4; 6 auszustatten. Weiter ist es auch möglich, eine zusätzliche Gleichspannung an die ersten und zweiten Metallflächen 3; 5 der Eingangs- und Ausgangsfederschwinger anzuschalten, wodurch eine mechanische Vorspannung erzielbar ist. Damit lassen sich in einem bestimmten Maß Änderungen der Zeitkonstante und der Resonanzfrequenz herbeiführen.To achieve the desired filter properties, a plurality of such elementary filter arrangements can be formed in an integrated circuit, an output spring oscillator being electrically connected in series with the input spring oscillator of the following elementary filter arrangement. To vary the filter properties, it is also possible to use the first and second metal surfaces 3 ; 5 the input and output spring oscillators, each with more than just a first or second metal tongue 4 ; 6 equip. Furthermore, it is also possible to apply an additional direct voltage to the first and second metal surfaces 3 ; 5 to turn on the input and output spring vibrators, whereby a mechanical preload can be achieved. In this way, changes in the time constant and the resonance frequency can be brought about to a certain extent.
Es ist weiter darauf hinzuweisen, daß die Eingangs- und Ausgangsfederschwinger in Form der ersten und zweiten Metallfläche 3; 5 und der ersten und zweiten Metallzunge 4; 6 nicht unbedingt metallischer Natur sein müssen. Notwendiges Kriterium ist ihre elektrische Leitfähigkeit. So können der Eingangs- und Ausgangsfederschwinger durchaus auch aus einem anderen leitfähigen Material hergestellt sein, beispielsweise aus Polysilizium oder aus einer Kombination von isolierenden Schichten mit Polysilizium und/oder Metall. Von entscheidender Bedeutung sind schließlich die Isolationseigenschaften der isolierenden Brücke 7. Eine gute Isolation von Eingangs- zu Ausgangsfederschwinger sowie von Filtereingang zu Filterausgang gehört zu den Grundbedingungen für ein Filter in dem angestrebten Frequenzbereich.It should also be pointed out that the input and output spring oscillators in the form of the first and second metal surfaces 3 ; 5 and the first and second metal tongue 4 ; 6 do not necessarily have to be of a metallic nature. The necessary criterion is their electrical conductivity. For example, the input and output spring oscillators can also be made from another conductive material, for example from polysilicon or from a combination of insulating layers with polysilicon and / or metal. Finally, the insulation properties of the insulating bridge 7 are of crucial importance. Good isolation from input to output spring transducers and from filter input to filter output is one of the basic conditions for a filter in the desired frequency range.
Ein derartiges monolithisch integriertes Filter läßt sich mit Hilfe der in jedem integrierten Schaltkreis vorhandenen Isolier- und Metallschichten aufbauen. Das bedeutet, daß sich die meisten Schritte zu seiner Herstellung in die praktizierten Si-basierenden Standardtechnologien einfügen lassen und daß während der Herstellung eines Schaltkreises, der ein monolithisch integriertes Filter enthält, lediglich ein zusätzlicher, erfindungsgemäßer Schritt auszuführen ist.Such a monolithically integrated filter can be built into each integrated one Build up circuitry of existing insulation and metal layers. That means that the most steps to its manufacture in the practiced Si-based Let standard technologies be inserted and that during the manufacture of a circuit, which contains a monolithically integrated filter, just an additional one, step according to the invention is to be carried out.
Anhand der Fig. 2 bis 6 wird als ein Ausführungsbeispiel der technologische Ablauf zur Herstellung eines Si-basierenden integrierten Schaltkreises dargestellt, der unter anderem das erfindungsgemäße monolithisch integrierte Filter enthält. Die dargestellten technologischen Schritte sind in diesem Ausführungsbeispiel zwar auf das monolithisch integrierte Filter begrenzt, jedoch sind die meisten Schritte für sich Teile von Standardtechnologien und dienen auch zur Ausbildung der übrigen in diesem Schaltkreis vorhandenen Strukturen. Es entspricht der erfindungsgemäßen Lehre, die technologischen Schritte der Standardtechnologien in einer neuen und erfindungsgemäßen Weise zu nutzen. So zeigt Fig. 2 das Siliziumsubstrat 1, auf das als ein Teil der ersten Isolierschicht 2 ganzflächig eine erste Schicht Feldoxid 9 aus SiO2 aufgebracht wird. Darauf wird, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Zwischenschicht 10 als eine Ätzbarriere gelegt und darüber eine zweite Schicht CVD-Oxid 9 aus SiO2 aufgebaut. Fig. 4 verdeutlicht, wie über der ersten Isolierschicht 2, bestehend aus zwei Oxidschichten 9 aus SiO2 und einer Zwischenschicht 10 aus Si3N4, die zweite Isolierschicht 8 aus Si3N4 aufgebracht und mittels eines ersten Maskenschrittes die Region der isolierenden Brücke 7 definiert wird. In Fig. 5 wird nunmehr dargestellt, wie über die Strukturen der zweiten Isolierschicht 8, das heißt auch über die Region der zuvor definierten isolierenden Brücke 7, ein Metall ganzflächig, beispielsweise durch Sputtern, als eine Leitschicht aufgebracht wird. Durch einen zweiten Maskenschritt wird die Leitschicht strukturiert. In diesem Strukturierungsschritt werden neben Leiterzügen und Bondpads die für das monolithisch integrierte Filter erforderlichen Eingangs- und Ausgangsfederschwinger mit ihren ersten und zweiten Metallflächen 3; 5 und den zugehörigen ersten und zweiten Metallzungen 4; 6 geformt. Erfindungsgemäß wird nunmehr in einem folgenden Schritt, wie in Fig. 6 gezeigt, durch ein bewußt herbeigeführtes Unterätzen mit einer isotropen Ätztiefe ein Teil der ersten Isolierschicht 2, nämlich die zweite Schicht CVD-Oxid 9 aus SiO2, unter den ersten und zweiten Metallzungen 4; 6 entfernt. In diesem Ätzschritt wird zugleich auch der nicht benötigte Schichtaufbau auf der Rückseite des Siliziumsubstrats 1 entfernt. Damit die unterätzten ersten und zweiten Metallzungen 4; 6 nicht abfallen, befinden sich ihre zugehörigen ersten und zweiten Metallflächen 3; 5 auf der nicht entfernten, restlichen zweiten Oxidschicht 9 aus SiO2.Referring to Figs. 2 to 6 of the technological process is shown for producing a Si-based integrated circuit as an exemplary embodiment, the monolithically integrated filter includes, among other things according to the invention. The technological steps shown in this exemplary embodiment are limited to the monolithically integrated filter, but most of the steps are in themselves parts of standard technologies and also serve to form the other structures present in this circuit. It corresponds to the teaching according to the invention to use the technological steps of the standard technologies in a new and inventive manner. Thus, FIG. 2 shows the silicon substrate 1 on the entire surface as a part of the first insulating layer 2, a first field oxide layer 9 is applied from SiO 2. As shown in FIG. 3, an intermediate layer 10 is placed thereon as an etching barrier and a second layer of CVD oxide 9 made of SiO 2 is built up thereover. Fig. 4 illustrates how over the first insulating layer 2, consisting of two oxide layers 9 of SiO 2 and an intermediate layer 10 of Si 3 N 4, the second insulating layer 8 is applied from Si 3 N 4 and by means of a first mask step, the region of the insulating bridge 7 is defined. In Fig. 5 is now shown how the structures of the second insulating layer 8, that is also about the area of the defined previously insulating bridge 7, a metal over the entire surface, for example by sputtering, is deposited as a conductive layer. The conductive layer is structured by a second mask step. In this structuring step, in addition to conductor tracks and bond pads, the input and output spring vibrators required for the monolithically integrated filter with their first and second metal surfaces 3 ; 5 and the associated first and second metal tongues 4 ; 6 shaped. According to the invention, in a subsequent step, as shown in FIG. 6, part of the first insulating layer 2 , namely the second layer of CVD oxide 9 made of SiO 2 , is placed under the first and second metal tongues 4 by means of a deliberately undercut with an isotropic etching depth ; 6 removed. In this etching step, the unnecessary layer structure on the back of the silicon substrate 1 is also removed. So that the underetched first and second metal tongues 4 ; 6 do not fall off, there are their associated first and second metal surfaces 3 ; 5 on the non-removed, remaining second oxide layer 9 made of SiO 2 .
In der vorliegenden Beschreibung wurde anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße monolithisch integrierte Filter und das Verfahren zu seiner Herstellung erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung in dem Ausführungsbeispiel beschränkt ist, da im Rahmen der Ansprüche Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.In the present description, the monolithically integrated filter according to the invention and the method for its production explained. However, it should be noted that the present invention does not go into the details the description in the exemplary embodiment is limited since within the scope of the claims Changes and modifications are claimed.
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Non-Patent Citations (1)
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