FR2864729A1 - Resonateur acoustique integrable , et procede d'integration d'un tel resonateur - Google Patents
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Abstract
Un circuit de résonance acoustique destiné à être intégré dans un produit semi-conducteur comportant :- un résonateur comportant une première et une seconde fréquence de résonance- une inductance accordée sur ladite seconde fréquence de résonance de manière à annuler cette dernière et à permettre l'ajustage du résonateur sur ladite première fréquence de résonance ;- un élément de réglage capacitif réglable permettant d'ajuster l'accord du résonateur sur ladite première fréquence ;L'invention réalise également un procédé de fabrication d'un circuit intégré comportant un composant acoustique permettant une maîtrise suffisante sur les caractéristiques du résonateur.
Description
Résonateur acoustique intégrable, et procédé
d'intégration d'un tel résonateur Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les circuits micro-électroniques et plus 10 spécialement un résonateur acoustique destiné à être intégré dans un produit semi-conducteur.
Etat de la technique Les résonateurs acoustiques sont des composants bien connus qui ont fait l'objet de nombreuses études. On les emploie classiquement pour réaliser du filtrage, notamment pour des fréquences radios (Radio Frequency ou RF).
D'une manière classique, on distingue les résonateurs de type SAW (Surface Acoustic Resonator) et ceux de type BAW (Bulk Acoustic Resonator) . Dans les premiers, le résonateur acoustique est situé sur la surface d'un produit semi-conducteur tandis que, dans les seconds, il est disposé à l'intérieur d'un volume délimité entre une électrode inférieure et une électrode supérieure en sorte que l'onde acoustique se développe dans ce même volume.
Les résonateurs acoustiques sont très utilisés en filtrage RF. Pour autant, ils sont susceptibles de servir dans bien d'autres d'applications à l'avenir mais le principal obstacle à leur emploi réside dans la difficulté de les intégrer dans un produit semi-conducteur.
ST - 03-GR1-267 En effet, on constate de grandes dispersions dans les caractéristiques des composants issus des lignes de fabrication, et ce même pour les résonateurs de type BAW qui se prêtent pourtant le mieux à une disposition sur un substrat de silicium. Même si l'on se fixe un cahier des charges particulièrement ambitieux et forcément coûteux avec, par exemple, une tolérance de l'ordre de 1 pour cent sur les dimensions des éléments du résonateur, on ne peut éliminer la dispersion sur les caractéristiques électriques du résonateur.
Classiquement, on règle ce problème de dispersion en procédant à un tri Io sélectif des composants de manière à ne retenir que les produits issus des chaînes de fabrication qui sont conformes à un cahier des charges précis.
Cette approche classique ne peut être envisagée lorsque l'on vise l'intégration sur un substrat du résonateur acoustique. En effet, dans ce cas, il ne saurait être question de mettre au rebus un grand nombre de produits fabriqués au seul motif qu'une partie de ce produit qui ne représente qu'une fraction de la valeur ajoutée de ce produit ne présente pas les caractéristiques spécifiées dans le cahier des charges.
II y a ici un obstacle rédhibitoire à l'intégration directe de ces composants acoustiques dans un circuit intégré et susceptible de freiner l'usage généralisé de ces résonateurs, dans les applications RF mais pas exclusivement.
Les brevets suivants illustrent l'état de la technique connue: L'ouvrage de référence RF MEMS Circuit Design for Wireless Communications , Hector J. De Los Santos, Artech House, ISBN 1-58033 329-9, 2002, p. 163 et s. comporte des informations générales sur les résonateurs acoustiques de type BAW. Cet ouvrage laisse sous silence le problème de l'intégration des résonateurs BAW dans un circuit intégré.
On a envisagé sur un plan théorique l'intégration de ces composants sur un circuit intégré. Le document FBAR filters at Ghz frequencies de C. VALE, J. ROSENBAUM, S. HORWITZ, S. KRISHNASVAMY et R. MOORE, in FORTY ST 03-GR1-267 FOURTH ANNUAL SYMPOSIUM ON FREQUENCY CONTROL, IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM, 1990, vise l'emploi, sur un même substrat de composants de type FBAR et ce en combinaison avec des éléments passifs afin de réaliser des circuits de filtrage. Ce document n'aborde pas le problème de l'intégration de ces composants dans un produit semi-conducteur et, en outre, ne décrit pas la manière d'accroître la précision du procédé de fabrication pour permettre leur intégration.
Le brevet américain US 5,446,306 intitulé Thin Film voltage-tuned semiconductor bulk acoustic resonator (SBAR) envisage le réglage d'un résonateur de type BAW au moyen d'une tension continue, mais ne décrit aucune manière concrète de procéder. En outre, il laisse absolument dans l'ombre le problème de l'intégration des résonateurs dans les produits semi-conducteurs et, surtout, la manière concrète de venir ajuster la fréquence du résonateur.
Le brevet américain US 5,714,917 intitulé Device incorporatinq a tunable Thin Film Bulk Acoustic Resonator for performing amplitude and phase modulation décrit un résonateur de type BAW que l'on rend ajustable afin de réaliser une modulation d'amplitude et de phase. Ce document ne décrit nullement la manière de régler les fréquences de ce résonateur ni d'ailleurs comment on peut envisager de faciliter son intégration sur un circuit intégré tout en palliant aux limitations inhérentes au procédé de fabrication.
Comme on peut le constater, les documents de l'art antérieur n'adressent nullement le problème de l'intégration des résonateurs acoustiques dans un produit semi-conducteur, ni d'ailleurs comment remédier aux insuffisances du procédé de fabrication.
Ce problème est pourtant essentiel pour qui envisage sérieusement le 30 développement et l'emploi massif de ces mêmes composants dans les futurs produits semi-conducteurs.
C'est l'objet de la présente demande de brevet.
ST - 03-GR1-267 Résumé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un nouveau composant acoustique comportant un résonateur et permettant une intégration aisée dans un produit semi-conducteur.
Un autre but de la présente invention consiste à proposer un circuit to permettant d'ajuster automatiquement les caractéristiques d'un résonateur acoustique de manière à assurer sa conformité par rapport à un cahier des charges.
C'est un troisième but de la présente invention que de fournir un procédé de fabrication d'un produit semi-conducteur comportant un résonateur intégré sur un substrat.
L'invention réalise ces buts au moyen d'un circuit de résonance acoustique destiné à être intégré dans un produit semi-conducteur comportant un résonateur ayant une première et une seconde fréquence de résonance. Le circuit comporte un élément de réglage capacitif permettant d'ajuster l'accord du résonateur sur la première fréquence choisie comme fréquence de fonctionnement - tandis qu'une inductance est accordée sur la seconde fréquence de résonance de manière à venir renforcer l'effet de réglage dudit élément de réglage capacitif.
Dans un mode de réalisation particulier, l'inductance est placée en série avec le résonateur et calée sur la seconde fréquence correspondant à la résonance série du résonateur. On connecte alors en parallèle l'élément de réglage capacitif qui permet l'ajustage de la fréquence parallèle.
Alternativement, l'inductance est placée en parallèle avec le résonateur et est calée sur la seconde fréquence fixée par la capacité parallèle du résonateur. On connecte alors en série l'élément de réglage capacitif qui permet l'ajustage de la fréquence série.
ST - 03-GR1-267 Ainsi, dans un cas comme dans l'autre, on vient renforcer l'effet de l'élément capacitif de réglage au moyen de l'inductance judicieusement choisie.
On peut ainsi aisément modifier la fréquence de fonctionnement du 5 résonateur de manière à compenser l'absence du précision du procédé de fabrication.
De préférence, l'élément de réglage capacitif est composé de capacités variables, faciles à intégrer, telle que, par exemple, un ensemble de capacités et de lo commutateurs structurés en échelle.
De préférence, l'élément de réglage capacitif est composé d'un élément capacitif commandable par une tension et permettant de faire varier la valeur de la capacité mise, selon le cas, en série ou en parallèle avec le résonateur.
De préférence, le circuit de commande de l'élément capacitif comporte un résonateur de référence permettant la mesure des caractéristiques du procédé de fabrication, ledit circuit de mesure générant la tension de commande de l'élément de réglage capacitif.
On obtient ainsi un réglage automatique de la fréquence de fonctionnement du résonateur, et ce malgré les limitations du procédé de fabrication.
L'invention réalise également un procédé de fabrication d'un circuit intégré 25 comportant les étapes suivantes: - intégration sur un substrat de produit semi-conducteur d'un résonateur acoustique; - insertion d'une inductance venant coopérer avec ledit résonateur de manière à 30 supprimer ladite seconde fréquence de résonance - insertion d'un élément de réglage capacitif réglable permettant de compenser le défaut de précision sur ladite première fréquence de résonance dudit résonateur; - mesure des caractéristiques dudit résonateur; ST - 03-GRI-267 - en réponse à ladite mesure, commande dudit élément de régalage capacitif de l'élément de réglage de manière à venir fixer la résonance résultante dudit composant acoustique à une valeur conforme aux spécifications de fabrication dudit circuit intégré.
Description des dessins
D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des dessins ci-après, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés: La figure la illustre une courbe d'impédance d'un résonateur acoustique de type BAW.
Les figures lb et 1c rappellent le schéma électrique équivalent du résonateur 20 acoustique de type BAW, respectivement série et parallèle.
Les figures 2A et 2B illustrent deux modes de réalisation d'un circuit conforme à l'invention.
La figure 3 illustre une première réalisation de l'élément de réglage capacitif.
La figure 4 illustre une seconde réalisation de l'élément de réglage capacitif, lequel est commandé en tension.
La figure 5 illustre un procédé de fabrication d'un circuit intégré comportant un résonateur acoustique conformément à la présente invention.
ST - 03-GRI-267 Description des modes de réalisation de l'invention Les résonateurs acoustiques de type BAW présentent une meilleure aptitude s à l'intégration en raison de la 'plus grande précision que l'on peut avoir sur les épaisseurs de couches dans un sens vertical. Clairement, il ne s'agit que d'un mode de réalisation particulier et un homme du métier pourra adapter l'invention à tous autres types de résonateurs, notamment les résonateurs de type SAW.
lo Les résonateurs acoustiques présentent deux fréquences de résonance très proches, respectivement fs (série) et fp (parallèle), comme cela est illustré dans la figure 1. Si l'on se ramène à un schéma électrique équivalent présenté en figure lb, cela revient à considérer deux circuits résonants de type LC, respectivement série et parallèle.
Classiquement, les deux circuits résonnants sont, l'un et l'autre, employés simultanément à des fins de filtrage comme c'est le cas dans le document RF MEMS Circuit Desiqn for Wireless Communications , Hector J. De Los Santos, mentionné précédemment.
Au contraire, dans le circuit selon l'invention, on vient annuler l'effet d'une résonance au moyen d'une inductance série ou parallèle judicieusement calibrée. On peut alors envisager agir sur l'autre fréquence de résonance au moyen d'un élément de réglage.
La figure 2A illustre un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel on vient travailler sur la résonance série du résonateur. A cet effet, on dispose en parallèle sur un résonateur 212 une inductance 213 calibrée de manière à entrer en résonance avec la capacité parallèle de ce même résonateur, proche de la fréquence notée fp. On peut dès lors travailler convenablement sur la résonance série et venir compenser le défaut de précision sur cette dernière (ie la fréquence série fs) au moyen d'un élément de réglage capacitif 211.
Si l'on se réfère à la figure lb, l'inductance 213 est donnée par: ST 03-GR1-267 L'.f., 1/(47c2) x 1/(Coxfp2) La figure 2B correspond à un second mode de réalisation dans lequel on vient à présent travailler sur la résonance parallèle d'un résonateur 222. A cet effet, on dispose cette fois en série avec ce dernier une inductance 223 calibrée pour entrer en résonance avec la capacité série équivalente (C2) proche de la fréquence notée fs du résonateur de la figure 1c. On branche ensuite, en parallèle sur les deux éléments en série, un élément de réglage capacitif (221) de manière à venir interagir avec la résonance parallèle du résonateur 222 et régler la fréquence fp.
On parvient ainsi à ajuster dans une large gamme la fréquence de fonctionnement au moyen de l'élément de réglage, 211 ou 221 selon le cas. Il y a une véritable coopoération entre l'inductance 213 (ou 223) qui vient interagir sur la première des deux fréquences de résonance de manière à renforcer l'effet de réglage capacitif effectué par 211 (ou 221) .
On obtient un élément de réglage de la fréquence de fonctionnement, soit série ou parallèle selon le cas, qui permet de compenser les défauts de précision du procédé de fabrication. Cette approche nouvelle tranche avantageusement par rapport à la technique classique, telle que celle décrite dans le document RF MEMS Circuit Design for Wireless Communications , Hector J. De Los Santos, mentionné précédemment, laquelle s'appuie sur les deux fréquences de résonance à des fins de filtrage. Comme on le voit, l'approche classique exige précision sur les deux fréquences, ce qui pose avec plus d'acuité le problème de l'intégration du circuit dans un produit semi-conducteur.
Avec l'invention, au contraire, on peut venir régler finement la fréquence de résonance de fonctionnement et, ainsi, éviter de mettre au rebus les produits manufacturés dont le résonateur ne présente pas, d'emblée, les caractéristiques souhaitées.
ST - 03-GR1-267 Avec les tolérances classiques dans les procédés de fabrication en micro-électronique industrielle pour le dépôt des couches piézo-électriques à savoir 1 ou 2 pour cent au niveau des dimensions physiques des épaisseur de couches on peut envisager de compenser la dispersion des caractéristiques du résonateur au moyen d'un élément de réglage capacitif variable dans un rapport de 1 à 3.
Le nouveau composant acoustique est très facile à intégrer dans un ensemble micro-électronique plus complexe, et cela sans risquer de mettre au rebus un grand nombre de circuits fabriqués puisque l'on peut venir compenser Io avec précision tout défaut de tolérance sur une dimension d'un élément du résonateur.
L'élément de réglage capacitif 20 peut être réalisé de multiples façons. On peut réaliser une implémentation en échelle, à savoir une cascade de quadripôles dont l'élément de base est un quadripôle formé d'un condensateur 210-i branché en série (seuls les condensateurs 210-1, 210-2 et 210-3 ont été représentés) et un commutateur 220-i branché en parallèle. L'ensemble réalise une échelle présentant une capacité variable réglable au moyen de la commande (non représentée) des différents commutateurs 220-i.
La figure 4 (circuit 430) montre un autre mode de réalisation de l'élément de réglage capacitif 211 (par exemple), lequel est compris dans un circuit constituant un élément de base servant de référence. Cet élément de base est issu du même procédé de fabrication que les autres éléments et, de ce fait, présentent des caractéristiques semblables à celles des autres résonateurs qu'il convient d'ajuster.
Un circuit 430 nécessite une fréquence de référence connue et un circuit de mesure 440 effectue la mesure des caractéristiques du résonateur BAW de manière à générer un signal électrique représentatif par exemple une tension Vc dite de consigne destinée à la commande de l'élément capacitif 410.
L'invention réalise également un nouveau procédé de fabrication d'un circuit intégré comportant un résonateur. A cet effet, comme on le voit dans la figure 5, le procédé comporte les étapes suivantes: ST - 03-GRI267 Dans une étape 510, on dépose sur un substrat notamment de silicium un résonateur acoustique tel qu'un résonateur de type BAW, lequel comporte une première et une seconde fréquence de résonance.
Dans une étape 520, on dispose une inductance accordée sur ladite première fréquence de résonance de manière à venir renforcer l'efficacité du réglage de l'élément de réglage capacitif.
Io On complète ensuite l'étape 520 par une étape 530 consistant à venir introduire un élément de réglage capacitif venant coopérer avec le résonateur de manière à permettre le réglage de la seconde fréquence de résonance, soit série ou parallèle.
Dans une étape 540, on procède à la mesure des caractéristiques du résonateur et, dans une étape 550, on vient générer en réponse à ladite mesure une tension de commande de manière à venir interagir avec la seconde fréquence de résonance du résonateur.
On réalise ainsi, d'une manière simple et fort avantageuse, la fabrication d'un circuit intégré doté d'un composant de résonance acoustique dont on peut facilement venir régler la fréquence de résonance.
On peut alors généraliser l'emploi des résonateurs acoustiques dans la 25 micro-électronique.
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Claims (10)
1. Circuit de résonance acoustique destiné à être intégré dans un produit semi-conducteur comportant un résonateur (212, 222) ayant une première et une seconde fréquence de résonance caractérisé en ce qu'il comporte: - une inductance (213, 223) destinée à annuler ladite seconde fréquence de résonance - un élément de réglage capacitif (211, 221) permettant d'ajuster l'accord dudit résonateur (212, 222) sur ladite première fréquence; l'accord dudit résonateur sur ladite première fréquence étant renforcée par l'effet de ladite inductance.
2. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite inductance est placée en série et calée sur la fréquence de résonance série dudit résonateur de manière à renforcer l'effet de réglage sur la fréquence parallèle.
3. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite inductance est mise 20 en parallèle et calée sur la fréquence de résonance parallèle dudit résonateur de manière à renforcer l'effet de réglage sur la fréquence série.
4. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit élément de réglage capacitif comporte une échelle de capacité et de commutateurs permettant 25 d'effectuer un réglage du résonateur sur ladite première fréquence de résonance.
5. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit élément de réglage capacitif est commandé en tension permettant d'accorder ladite première fréquence de résonance.
6. Circuit selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte un élément de mesure destiné à coopérer avec ledit élément de réglage capacitif, ledit élément de mesure comprenant un résonateur de référence permettant la mesure des ST - 03-GR1-267 - 12- caractéristiques du procédé de fabrication, ledit élément de mesure générant la tension de commande de l'élément de réglage capacitif.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le 5 résonateur est un résonateur de type BAW.
8. Procédé de fabrication d'un circuit intégré comportant un composant acoustique basé sur un résonateur acoustique comportant une première et une seconde fréquence de résonance, ledit procédé comportant les étapes suivantes: - intégration (510) sur un substrat de produit semi-conducteur d'un résonateur acoustique; - insertion (520) d'une d'inductance destinée à annuler ladite seconde fréquence de résonance; - insertion (530) d'un élément de réglage capacitif réglable permettant de 15 compenser le défaut de précision sur ladite première fréquence de résonance dudit résonateur.
- mesure (540) des caractéristiques dudit résonateur au moyen d'un élément de référence; - en réponse à ladite mesure, commande (550) dudit élément de régalage capacitif de l'élément de réglage de manière à venir fixer la résonance résultante dudit composant acoustique à une valeur conforme aux spécifications de fabrication dudit circuit intégré.
12. Procédé de fabrication selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit élément de réglage capacitif comporte une échelle de capacité et de commutateurs permettant d'effectuer un réglage du résonateur sur ladite première fréquence de résonance.
13. Procédé de fabrication selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit 30 élément de réglage capacitif est commandé en tension permettant d'accorder ladite première fréquence de résonance.
ST - 03-GR1-267
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