FR2951023A1

FR2951023A1 - Procede de fabrication d'oscillateurs monolithiques a resonateurs baw

Info

Publication number: FR2951023A1
Application number: FR0956849A
Authority: FR
Inventors: Pierre Bar; Sylvain Joblot; Jean-Francois Carpentier
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2011-04-08
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: US8397360B2; US20110078894A1; FR2951023B1

Abstract

L'invention concerne un procédé d'ajustement à la fabrication d'un oscillateur monolithique (41) comportant des éléments de circuit (23) et un résonateur BAW (25), ce procédé comportant les étapes suivantes : a) réaliser les éléments de circuit (23) et le résonateur (25) et les connecter électriquement ; b) recouvrir le résonateur (25) d'une couche d'ajustement de fréquence (9) ; c) mesurer la fréquence de sortie de l'oscillateur ; d) modifier l'épaisseur de la couche d'ajustement de fréquence (9) de façon à modifier la fréquence de sortie de l'oscillateur.

Description

B9701 - ST-09-GR1-186 1 PROCÉDÉ DE FABRICATION D'OSCILLATEURS MONOLITHIQUES À RÉSONATEURS BAW Domaine de l'invention La présente invention concerne des oscillateurs utilisant des résonateurs à ondes acoustiques de volume, couramment désignés dans la technique par résonateurs BAW, de l'anglais "Bulk Acoustic Wave". Elle vise plus particulièrement un procédé de fabrication d'oscillateurs monolithiques à base de résonateurs BAW. Exposé de l'art antérieur Les oscillateurs sont principalement utilisés dans des dispositifs électroniques pour fournir des signaux d'horloge à des fréquences de référence. De façon courante, un oscillateur comprend des éléments de circuit oscillant et un résonateur à quartz qui permet de fixer avec précision la fréquence d'oscillation.

Une alternative aux oscillateurs à quartz est d'utiliser des oscillateurs à base de résonateurs BAW. L'utilisation des résonateurs BAW permet de mettre en oeuvre des fréquences d'oscillation plus élevées, par exemple de l'ordre de quelques centaines de MHz à quelques dizaines de GHz. On pourra également produire des fréquences d'horloge moins élevées en utilisant, à la sortie de l'oscillateur, un circuit diviseur de B9701 - ST-09-GR1-186

2 fréquence. En outre, les résonateurs BAW présentent l'avantage d'être peu encombrants et d'avoir un bon facteur de qualité. On a notamment proposé de réaliser un oscillateur à résonateur BAW à structure monolithique, c'est-à-dire un oscillateur dans lequel les éléments de circuit oscillant et le résonateur sont assemblés dans et sur une même puce de circuit intégré. Les éléments de circuit oscillant peuvent être réalisés dans et sur un substrat semiconducteur, par exemple une tranche de silicium. Le résonateur BAW est ensuite déposé au dessus de ce substrat et connecté aux éléments de circuit oscillant. Un tel oscillateur présente l'avantage d'être très compact et d'offrir de bonnes performances électriques. La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un résonateur BAW 1 formé sur un substrat semiconducteur 3. Le résonateur 1 comprend un coeur résonnant, ou résonateur piézoélectrique 5, constitué de deux électrodes 5a, 5c entre lesquelles est disposée une couche 5b en un matériau piézoélectrique. Lorsqu'un champ électrique est créé dans la couche piézoélectrique par application d'une différence de potentiels entre les électrodes, il en résulte une perturbation mécanique sous la forme d'ondes acoustiques. Ces ondes se propagent dans l'épaisseur du résonateur. La résonance fondamentale s'établit lorsque la longueur d'onde acoustique dans le matériau piézoélectrique correspond sensiblement à deux fois l'épaisseur de la couche piézoélectrique 5b. De façon schématique, un résonateur BAW se comporte comme un interrupteur fermé à la fréquence de résonance et comme un interrupteur ouvert à une fréquence dite d'antirésonance.

On prévoit un dispositif d'isolation acoustique entre le coeur résonnant et le substrat pour éviter la déperdition des ondes acoustiques dans le substrat. Il existe principalement deux types de résonateurs BAW : les résonateurs BAW déposés sur une membrane, et les résonateurs BAW montés sur un substrat.

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3 Les résonateurs BAW déposés sur une membrane, tels que le résonateur 1, sont plus connus sous le nom de FBAR (de l'anglais "Film Bulk Acoustic Wave Resonator") ou TFR (de l'anglais "Thin Film Resonator"). Ils comprennent une cavité d'air 7 entre le coeur résonnant et le substrat. Les résonateurs BAW montés sur le substrat, plus connus sous le nom SMR (de l'anglais "Solidly Mounted Resonator"), sont généralement isolés du substrat par un miroir de Bragg.

La figure 2 représente un schéma électrique simplifié d'un oscillateur à résonateur BAW. Cet oscillateur comprend divers éléments d'un circuit 23, connecté entre une borne d'alimentation de potentiel haut VCC et une borne de potentiel bas, par exemple la masse, et un résonateur BAW 25, relié aux éléments de circuit 23. Le circuit 23 comprend notamment des éléments actifs adaptés à entretenir des oscillations et à amplifier le signal de sortie OUT, et des éléments passifs, par exemple des condensateurs. Le résonateur BAW 25 permet de sélectionner la fréquence d'oscillations du circuit. La figure 3 reprend le circuit de la figure 2 et représente de façon plus détaillée le circuit 23 dans le cas d'un oscillateur Colpitts. Dans cet exemple, le circuit 23 comprend notamment un transistor MOS 31 connecté, en série avec une source de courant 33, entre la borne d'alimentation de potentiel haut VCC et la masse. Deux condensateurs 35 et 37 sont connectés en série entre la grille du transistor 31 et la masse. Une résistance 39 est connectée entre la borne d'alimentation de potentiel haut VCC et la grille du transistor 31. La borne commune aux condensateurs 35 et 37 est reliée au drain du transistor 31. Le résonateur BAW 25 est connecté entre la grille du transistor 31 et la masse. La sortie de l'oscillateur est reliée à la source du transistor 31. L'amplification du signal de sortie et l'entretien des 35 oscillations sont assurés par le transistor 31 et la source de B9701 - ST-09-GR1-186

4 courant 33. La fréquence du signal de sortie OUT est notamment liée à la fréquence de résonance du résonateur 25 et aux valeurs des condensateurs 35 et 37. Dans la pratique, il est difficile d'obtenir une 5 fréquence d'oscillation avec la précision souhaitée. Une première source d'imprécision provient des dispersions de fabrication des résonateurs BAW. En effet, les procédés de dépôt des différentes couches d'un résonateur BAW ne permettent pas d'obtenir une fréquence de résonance à la 10 précision souhaitée. On observe notamment des variations sensibles de la fréquence de résonance entre des résonateurs formés sur une même tranche de substrat. Pour cette raison, comme l'illustre la figure 1, il est prévu, à la surface du résonateur 1, une couche d'ajustement 15 de fréquence 9, par exemple en nitrure de silicium. La présence de cette couche modifie le comportement du résonateur et notamment ses fréquences de résonance et d'antirésonance. Lors d'une étape de fabrication, l'épaisseur de la couche 9 est ajustée par gravure localisée, par exemple par gravure ionique, 20 jusqu'à s'approcher de la fréquence de résonance visée. Malgré cet ajustement, la précision des résonateurs BAW n'est pas idéale. A titre d'exemple, pour des fréquences de résonance de l'ordre de 2 GHz, on observe couramment des écarts de fréquence de résonance de l'ordre de 2 MHz entre des 25 résonateurs BAW formés sur une même tranche de substrat. Une deuxième source d'imprécision provient des dispersions de fabrication des éléments du circuit 23. En effet, malgré le soin apporté à la réalisation de ces éléments, on observe des écarts de comportement entre des circuits formés 30 dans et sur une même tranche de substrat. Il en résulte également couramment des dispersions de l'ordre de 2 MHz sur la fréquence d'oscillation du circuit final. Les deux sources d'imprécision susmentionnées peuvent se cumuler, ce qui conduit au manque de précision de la B9701 - ST-09-GR1-186

fréquence d'oscillation des oscillateurs à résonateur BAW, de l'ordre de 4 MHz dans le cas des exemples ci-dessus. Pour pallier à ce manque de précision on prévoit généralement dans le circuit 23 une capacité variable, par 5 exemple réalisée par une matrice de capacités commutées. On peut ainsi corriger finement la fréquence du signal de sortie de chaque oscillateur lors d'une étape finale d'étalonnage. De façon courante, cette étape intervient lorsque le résonateur BAW est assemblé et connecté au circuit 23 et que l'oscillateur est alimenté. Un inconvénient de ce mode d'étalonnage est que, pour pouvoir compenser l'imprécision importante susmentionnée de la fréquence d'oscillation, il faut prévoir une matrice de capacités commutées de taille importante. Il en résulte une dégradation des performances électriques de l'oscillateur, notamment liée aux pertes liées aux capacités commutées non utilisées de la matrice. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des oscillateurs de référence à résonateur BAW classiques. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation d'oscillateurs à résonateur BAW minimisant l'imprécision de la fréquence d'oscillation. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un tel procédé permettant de minimiser ou de supprimer la matrice de capacités commutées d'étalonnage. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un tel procédé facile à mettre en oeuvre. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé d'ajustement à la fabrication d'un oscillateur monolithique comportant des éléments de circuit et un résonateur BAW, ce procédé comportant les étapes suivantes : B9701 - ST-09-GR1-186

6 a) réaliser les éléments de circuit et le résonateur et les connecter électriquement ; b) recouvrir le résonateur d'une couche d'ajustement de fréquence ; c) mesurer la fréquence de sortie de l'oscillateur ; d) modifier l'épaisseur de la couche d'ajustement de fréquence de façon à modifier la fréquence de sortie de l'oscillateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape d) est réalisée par gravure ionique de la couche d'ajustement de fréquence.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche d'ajustement de fréquence est en nitrure de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'oscillateur comprend, entre les éléments de circuit et la sortie, un diviseur de fréquence.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, la sortie de l'oscillateur est connectée à un plot de test prévu à la surface du circuit. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape c) est réalisée à l'aide d'une pointe de test venant en contact avec le plot de test pour mesurer la fréquence d'oscillation du signal de sortie. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les connexions entre les éléments de circuit et le résonateur comprennent des nias.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le résonateur comprend une couche adaptée à limiter la sensibilité de sa fréquence de résonance à la température. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'oscillateur est de type Colpitts.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, un grand nombre d'oscillateurs sont formés simultanément sur une même tranche semiconductrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la fréquence de sortie est mesurée simultanément pour plusieurs 35 oscillateurs d'une même tranche.

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7 Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'épaisseur de la couche d'ajustement de fréquence est modifiée de façon simultanée pour plusieurs oscillateurs d'une même tranche.

Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est une vue en coupe représentant de façon schématique un résonateur BAW ; la figure 2, précédemment décrite, représente un schéma électrique simplifié d'un oscillateur à résonateur BAW ; la figure 3, précédemment décrite, représente le schéma électrique d'un oscillateur à résonateur BAW de type Colpitts ; la figure 4 est une vue en coupe illustrant de façon schématique un exemple de procédé de réalisation d'un oscillateur BAW monolithique selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 5 est une vue en coupe dans le même plan que la figure 4 illustrant une variante de réalisation du procédé décrit en relation avec la figure 4. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.

La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple de réalisation d'un oscillateur à résonateur BAW à structure monolithique 41 formé dans et sur un substrat semiconducteur 3. Bien que la figure 4 représente un oscillateur unique, dans la pratique, de nombreux oscillateurs B9701 - ST-09-GR1-186

8 sont formés simultanément dans et sur une même tranche semiconductrice. Divers éléments d'un circuit 23, connecté entre une borne d'alimentation de potentiel haut VCC et une borne de potentiel bas, par exemple la masse, sont formés dans et sur le substrat 3. A titre d'exemple, on pourra réaliser dans et sur le substrat 3 des éléments d'un circuit oscillant de type Colpitts, tel que décrit en relation avec la figure 3. Un résonateur BAW 25 est déposé au dessus ou à côté de la zone de substrat 3 dans et sur laquelle sont formés les éléments de circuit 23. Dans cet exemple, le résonateur BAW 25 est un résonateur BAW de type suspendu tel que décrit en relation avec la figure 1. Le résonateur 25 comprend notamment un résonateur piézoélectrique 5 constitué de l'empilement d'une électrode inférieure 5a, d'une couche piézoélectrique 5b et d'une électrode supérieure 5c. Le résonateur piézoélectrique 5 est isolé du substrat 3 par un évidement ou cavité d'air 7. En outre, le résonateur BAW 25 dispose à sa surface d'une couche 9 d'ajustement de fréquence, par exemple une couche de nitrure de silicium. Les électrodes du résonateur BAW 25 sont connectées au circuit 23. Ces connexions sont représentées de façon schéma-tique par les traits 43a et 43c. A titre d'exemple, les connexions 43a et 43c comprennent des nias.

Selon un aspect d'un mode de réalisation de la présente invention, on prévoit, lors d'une étape de fabrication finale de l'oscillateur 41, lorsque les connexions 43a et 43c sont effectives et que l'oscillateur 41 est alimenté, de mesurer la fréquence du signal de sortie OUT, puis de modifier l'épaisseur de la couche 9 par gravure localisée, jusqu'à s'approcher de la fréquence d'oscillation visée. A titre d'exemple, on pourra prévoir, à la surface de la tranche semiconductrice, des plots de contact et des plots d'alimentation (non représentés), reliés au circuit 23, de façon à pouvoir, à l'aide de pointes de test, alimenter et tester B9701 - ST-09-GR1-186

9 l'oscillateur. Dans la pratique, on pourra alimenter et tester plusieurs oscillateurs d'une même tranche en même temps, en utilisant une plaque de test comportant un grand nombre de pointes. On pourra en outre, si le degré de précision recherché s'y prête, tester la tranche de substrat par zones, c'est-à-dire tester un oscillateur d'une zone prédéfinie, et en déduire la modification d'épaisseur à appliquer à la couche d'ajustement de fréquence 9 pour tous les oscillateurs voisins, compris dans cette zone.

Ainsi, un exemple de procédé de réalisation de l'oscillateur 41 comprend les étapes a) à d) ci-après : a) réaliser les éléments de circuit 23 et le résonateur 25 et les connecter électriquement ; b) recouvrir le résonateur 25 d'une couche d'ajustement de fréquence 9, par exemple en nitrure de silicium ; cette étape peut être réalisée pendant, ou après l'étape a) ; c) après l'étape b), mesurer, lorsque les connexions 43a et 43c sont effectives et que l'oscillateur 41 est alimenté, 20 la fréquence d'oscillation du signal de sortie OUT ; d) après l'étape c), modifier l'épaisseur de la couche d'ajustement 9, en fonction de la fréquence mesurée à l'étape c), de façon à modifier la fréquence de sortie de l'oscillateur, jusqu'à s'approcher de la fréquence d'oscillation spécifiée. 25 L'étape d) peut avantageusement être réalisée par gravure ionique, comme l'étape d'ajustement de la fréquence de résonance d'un résonateur BAW décrite ci-dessus. A titre d'exemple, la tranche semiconductrice sur laquelle sont formés les oscillateurs est balayée par un faisceau 45 d'ions. La 30 vitesse de balayage est contrôlée de façon à s'attarder sur les oscillateurs pour lesquels on veut graver une épaisseur plus importante que les autres. On pourra s'il le faut prévoir une itération des étapes c) et d).

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10 La figure 5 est une vue en coupe dans le même plan que la figure 4 d'un oscillateur à résonateur BAW 51, illustrant une variante du procédé de réalisation décrit en relation avec la figure 4.

A la différence de l'oscillateur 41 de la figure 4, l'oscillateur 51 comprend en outre, dans et sur le substrat semiconducteur 3, un diviseur de fréquence 53, dont l'entrée est connectée à la sortie du circuit 23. En fonctionnement, le diviseur 53 fournit à sa sortie un signal oscillant à basse fréquence OUTDIV lié au signal OUT de sortie du circuit 23. Dans cet exemple, l'ajustement de la fréquence d'oscillation, correspondant aux étapes c) et d) susmentionnées, est réalisé à partir de la mesure du signal oscillant basse fréquence OUTDIV• Selon un avantage des exemples de procédé décrits ci-dessus, la précision de la fréquence d'oscillation est améliorée d'un facteur de l'ordre de deux par rapport aux procédés de fabrication usuels. En effet, on a proposé ici de corriger lors d'une même étape de gravure d'une couche d'ajustement de fréquence, les erreurs liées aux dispersions de fabrication des résonateurs BAW et celles liées aux éléments de circuit oscillant. L'unique source d'imprécision de la fréquence d'oscillation est donc liée à la finesse du procédé d'ajustement de fréquence par gravure localisée. A titre d'exemple, elle est inférieure à 2 MHz pour des fréquences d'oscillation de l'ordre de 2 GHz. On peut donc avantageusement prévoir de réduire la taille de la matrice de capacités commutées utilisée pour corriger la dérive de la fréquence d'oscillation du circuit. Si la finesse du procédé d'ajustement de fréquence par gravure localisée le permet, on pourra avantageusement prévoir de supprimer la matrice de capacités commutées. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications 35 apparaîtront à l'homme de l'art.

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11 En particulier, bien que la présente description mentionne principalement des oscillateurs à résonateur BAW suspendu, l'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en utilisant des résonateurs BAW de type SMR. Par ailleurs, le fonctionnement des résonateurs BAW a été décrit ci-dessus de façon très simplifiée. La présente invention ne se limite pas à cette description. En particulier, d'autres couches pourront être prévues dans l'empilement formant un résonateur BAW. On pourra notamment prévoir une couche adaptée à compenser les variations de la fréquence de résonance liées aux variations de la température. En outre, l'invention ne se limite pas à l'utilisation du nitrure de silicium pour former la couche d'ajustement de fréquence à la surface du résonateur BAW. L'homme de l'art saura employer d'autre matériaux adaptés, par exemple de l'oxyde de silicium, du molybdène, ou de l'aluminium. De plus, l'invention ne se limite pas à l'utilisation d'un faisceau d'ions localisé pour modifier l'épaisseur de la couche d'ajustement de fréquence. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en utilisant d'autres procédés de gravure adaptés. Par ailleurs, on a mentionné ci-dessus l'exemple d'un circuit oscillant de type Colpitts. La présente invention ne se limite pas à ce cas particulier. On pourra par exemple prévoir un oscillateur Pierce ou tout autre circuit oscillant adapté.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé d'ajustement à la fabrication d'un oscillateur monolithique (41 ; 51) comportant des éléments de circuit (23) et un résonateur BAW (25), ce procédé comportant les étapes suivantes : a) réaliser les éléments de circuit (23) et le résonateur (25) et les connecter électriquement ; b) recouvrir le résonateur (25) d'une couche d'ajustement de fréquence (9) ; c) mesurer la fréquence de sortie de l'oscillateur ; d) modifier l'épaisseur de la couche d'ajustement de fréquence (9) de façon à modifier la fréquence de sortie de l'oscillateur.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d) est réalisée par gravure ionique de la couche 15 d'ajustement de fréquence.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche d'ajustement de fréquence (9) est en nitrure de silicium.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 3, dans lequel l'oscillateur (51) comprend, entre les éléments de circuit (23) et la sortie, un diviseur de fréquence (53).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la sortie de l'oscillateur (41 ; 51) est connectée à un plot de test prévu à la surface du circuit. 25
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'étape c) est réalisée à l'aide d'une pointe de test venant en contact avec ledit plot de test pour mesurer la fréquence d'oscillation du signal de sortie (OUT ; OUTDIV)•
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 30 à 6, dans lequel les connexions (43a, 43c) entre les éléments de circuit (23) et le résonateur (25) comprennent des nias.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le résonateur (25) comprend une couche adaptéeB9701 - ST-09-GR1-186 13 à limiter la sensibilité de sa fréquence de résonance à la température.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'oscillateur est de type Colpitts.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel un grand nombre d'oscillateurs sont formés simultanément sur une même tranche semiconductrice.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la fréquence de sortie est mesurée simultanément pour plusieurs oscillateurs d'une même tranche.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'épaisseur de la couche d'ajustement de fréquence (9) est modifiée de façon simultanée pour plusieurs oscillateurs d'une même tranche.