頻率穩定克服溫度漂移的薄膜體聲諧振器裝置的製作方法

2023-06-12 09:47:51 3

專利名稱：頻率穩定克服溫度漂移的薄膜體聲諧振器裝置的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及薄膜體聲諧振器(FBAR)，並且更具體地說，涉及穩定克服溫度漂移的這種裝置。
背景技術：
薄膜體聲諧振器(FBAR)技術在現代無線系統中可以用作形成許多頻率分量的基礎。例如，FBAR技術可以用來形成濾波器裝置、振蕩器、諧振器、以及大量其它頻率相關組件。FBAR與例如表面聲波(SAW)和傳統的晶體振蕩器技術的其它諧振器技術相比具有優點。具體地說，不同於晶體振蕩器，FBAR裝置可以集成在晶片上，並且一般比表面聲波器件具有更好的功率處理特徵。
給予該技術的描述性名稱FBAR可能對描述它的一般原理有用。簡而言之，「薄膜」指的是薄的壓電膜，比如夾在兩個電極之間的氮化鋁(AlN)。壓電薄膜具有在存在電場時機械震動以及如果機械震動則產生電場的特性。「體」指的是夾層的主體或厚度。當交流電壓施加在電極上時，薄膜開始震動。「聲」指的是在裝置的「體」內(正好與表面聲波器件相反)諧振的這種機械振動。
FBAR裝置的頻率特性往往受到溫度的影響，這一點可能不符合無線電通信應用的需要。例如，對於蜂窩電話應用，工作溫度規範可以在-35℃和+85℃之間。這種極端溫度變化可以在例如可放置蜂窩電話的關閉汽車中碰到。由於溫度導致的頻率漂移，通帶窗一般設計為明顯比它們應該的頻帶大，並且過渡帶較尖。這樣的設計限制往往引起降低插入損耗，並且需要更嚴格的工藝要求，導致降低生產率。這些約束可以在當前的FBAR濾波器設計中說明，其中僅僅存在由通信標準和材料性質決定的12MHz(兆赫)頻率變化預算。從-35℃到+85℃的溫度變化可能導致FBAR濾波器中的頻率漂移，它消耗大約6MHz，由此僅僅留出6MHz用於工藝變化。


圖1是薄膜體聲諧振器(FBAR)的剖視圖；圖2是圖1所示的薄膜體聲諧振器(FBAR)的電路示意圖；圖3是圖解溫度導致的FBAR頻率漂移的圖表；圖4是圖解DC偏壓導致的FBAR頻率漂移的圖表；圖5是實例FBAR振蕩電路，包括用於補償溫度導致的頻率漂移的偏壓源；圖6是實例FBAR濾波器電路，包括用於補償溫度導致的頻率漂移的偏壓源；以及圖7是圖6所示的FBAR濾波器電路的實例物理布局。
具體實施例方式
FBAR裝置10用示意圖顯示在圖1中。FBAR裝置10可以形成在諸如矽的襯底12的水平面上，並且可包括SiO2層13。第一金屬層14放置在襯底12上，然後壓電層16放置在金屬層14上。壓電層16可以是氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)、鋯鈦酸鉛(PZT)或任何其它壓電材料。第二金屬層18放置在壓電層14上。第一金屬層14充當第一電極14，並且第二金屬層18充當第二電極18。第一電極14、壓電層16以及第二電極18形成堆棧20。如圖所示，堆棧可以是例如大約1.8μm厚。堆棧20之後或者之下的一部分襯底12可以利用背側體矽蝕刻去除，以形成開口22。背側體矽蝕刻可以利用深阱反應離子蝕刻或利用晶向依賴的蝕刻比如氫氧化鉀(KOH)、四甲基氫氧化銨(TMAH)以及乙二胺-焦兒茶酚混合物(EDP)進行。
得到的結構是一個水平放置的、夾在位於襯底12中開口22之上的第一電極14和第二電極16之間的壓電層16。簡而言之，FBAR 10包括在水平襯底12中的開口22上懸著的隔膜裝置。
圖2圖解電路30的示意圖，電路30包括薄膜體聲諧振器10。電路30包括射頻″RF″電壓源32。RF電壓源32經電路徑34連接到第一電極14，並且經第二電路徑36連接到第二電極18。當施加在諧振頻率的RF電壓32時，整個堆棧20可以在Z方向31自由地諧振。諧振頻率由隔膜的厚度或壓電層16的厚度確定，該厚度在圖2中用字母「d」或者尺寸「d」表示。諧振頻率由以下公式確定f0≈V/2d，其中f0＝諧振頻率，V＝壓電層的聲速，以及d＝壓電層的厚度。
應該注意，圖1和2中描述的結構可以被用作諧振器或者濾波器。為了形成FBAR，諸如ZnO、PZT和AlN的壓電薄膜16可以用作活性材料。這些薄膜的材料性質，比如縱向壓電係數和聲損耗係數，都是諧振器性能的參數。性能因數包括品質因數、插入損耗以及電/機械耦合。為了製造FBAR，壓電薄膜16可以利用例如反應濺射放置在金屬電極14上。得到的薄膜是c軸紋理方向的多晶體。換句話說，c軸垂直於襯底。
如上所述，FBAR裝置10的頻率隨著溫度漂移。這是大部分無線應用不希望有的，因為在裝置預計操作的範圍內，穩定的頻率特性是更可取的。圖3圖解漂移現象。對於在50℃大約1587MHz的中心頻率，如果溫度跌至0℃，則FBAR裝置的頻率可以漂移至高達1589MHz，並且如果溫度升至100℃，則FBAR裝置的頻率可以下降到1586MHz。漂移在一個給定溫度範圍下相當線性的發生。雖然此漂移可能不大，但它對於設計者可能是麻煩的，因為現代無線裝置在密集的頻率範圍內操作。對於基於AlN的FBAR，頻率溫度係數(TCF)α大約為-25ppm(百萬分率)每攝氏度。
根據本發明的實施例，直流(DC)偏壓可以施加到FBAR裝置上，以補償溫度導致的頻率漂移，因為FBAR的頻率也可以受到壓電薄膜中強電場的影響。對於在～1.6GHz的基於AlN的FBAR，所測量的頻率電壓係數(VCF)β為～-9ppm/V。它與AlN厚度成反比(與電場強度成比例)，並且因此對於給定偏壓與諧振頻率成比例。
圖4圖解DC偏壓對FBAR裝置的影響。注意到，在-100到100V的直流電壓範圍間的電壓導致的頻率漂移大約是接近線性的。在此實例中，對於1587.7MHz的中心頻率，線性函數可以表示為y＝-0.0144x+1587.7。因而，根據本發明的實施例，施加的DC偏壓可用來以相反的方向提供電壓導致的頻率漂移，以補償溫度導致的頻率漂移。
圖5顯示利用FBAR 50的簡單振蕩電路。振蕩電路可以用於諸如蜂窩電話51的無線裝置。振蕩器可包含放大器52，它具有連接到地的第一輸入端54，以及連接到反饋環58的第二輸入端56，反饋環58包括連接到輸出端62的電容器60以及連接在輸出端62和地之間的分路電容器64。耦合電容器66可以將FBAR 50連接到反饋環58。諸如熱敏電阻的溫度傳感器60可放置為鄰近FBAR 50，以檢測影響FBAR 50的溫度。控制器62確定適於補償任何溫度導致的FBAR 50的頻率漂移的DC偏壓。其後，適當的DC偏壓可施加到FBAR 50。高阻抗RF扼流器或電阻器64可用在FBAR 50和電壓源控制器62之間，以防止在高頻下短路。DC偏壓可按如下計算V=(T-To)]]>其中，V＝DC偏壓；α＝給定壓電薄膜的頻率溫度係數(TCF)；β＝給定壓電薄膜的頻率電壓係數(VCF)；以及T-T0＝檢測的溫度變化。
圖6顯示用於形成諸如也可在無線裝置中找到的濾波器的FBAR裝置。所示的特定濾波器是梯型濾波器，它包括在輸入端72和輸出端74之間串聯的多個FBAR裝置70，以及在輸入端72和輸出端74之間並聯的多個FBAR裝置80。耦合電容器82可以用在並聯的FBAR裝置80和地之間。如上所述，溫度傳感器60可用來實時地監控影響FBAR裝置70和80的溫度。控制器62可利用來自傳感器60的溫度數據計算適於補償溫度導致的頻率漂移的DC偏壓。
圖6的梯型濾波器可以配置為使得所有FBAR裝置的壓電極化方向都一樣。也就是說，用空心圓表示的節點84連接到控制器62的正端子86，而用實心圓表示的那些節點88連接到控制器62的負端子90，使得直流電場以對於所有FBAR裝置70和80相同的方向施加。直流電壓隨著溫度改變可以反轉極性，以補償在任一方向從中心頻率的頻率漂移。各個節點84和88可經高阻抗射頻(RF)扼流器或電阻器64連接到直流控制器62。
圖7顯示參考圖6所討論的梯型濾波器的實例物理布局，其中與之前描述的附圖相同的項用相同的附圖標記表示。具體地說，多個串聯的FBAR裝置70和並聯的FBAR裝置80連接在輸入端72和輸出端74之間。各個FBAR裝置可包含底部金屬電極14、壓電薄膜16以及頂部金屬電極18。當沉積壓電薄膜16時，所有諧振器(70和80)的壓電極化方向被定向為或者自下而上或者自上而下，根據特定的材料而定。用這種方式，FBAR的頂部電極18連接到鄰近FBAR的頂部電極。同樣地，FBAR的底部電極14連接到鄰近FBAR的底部電極。儘管布局可以變化，但各個FBAR的頂部電極18應該一致地連接到V+86，並且底部電極14連接到V-90，以便對於某一施加的偏壓，以同一方向改變所有FBAR裝置(70和80)的頻率。連接線92和94可由低電阻率金屬，比如Al、Au、Pt、Cu、Mo或W組成。高阻抗射頻(RF)扼流器或電阻器64可包含阻抗線，其可由高電阻率材料，比如多晶矽TiN組成。
本發明的圖解實施例的上述描述，包括摘要中的描述，並不旨在窮舉本發明或者將本發明限制在公開的精確形式。儘管本發明的特定實施例以及實例出於說明性目的在本文進行了描述，但各種等效修改都可能在本發明的範圍內，這一點本領域技術人員都理解。
根據以上詳細說明可以對本發明進行這些修改。用於下列權利要求的術語將不應視為將本發明限制到在本說明書和權利要求書中公開的特定實施例。相反地，本發明的範圍全部由以下權利要求確定，下面的權利要求將視為根據建立的權利要求解釋的準則。
權利要求
1.一種設備，包括薄膜體聲諧振器(FBAR)，包括夾在頂部電極和底部電極之間的壓電薄膜；溫度傳感器；以及電壓源控制器，可操作地連接到所述溫度傳感器，以在所述FBAR的所述頂部電極和底部電極上施加直流(DC)偏壓，從而補償溫度導致的頻率漂移。
2.如權利要求1所述的設備，還包括可操作地連接在一起的兩個或更多個所述薄膜體聲諧振器(FBAR)；具有同一極化方向的各個所述兩個或更多個FBAR中的壓電薄膜；具有同一方向的所述兩個或更多個FBAR的所述頂部電極和底部電極上的DC偏壓。
3.如權利要求1所述的設備，其中所述DC偏壓選擇為V=(T-T0)]]>其中，V＝DC偏壓；α＝給定壓電薄膜的頻率溫度係數(TCF)；β＝給定壓電薄膜的頻率電壓係數(VCF)；以及T-T0＝溫度變化。
4.如權利要求1所述的設備，還包括連接在所述電壓源控制器和所述FBAR之間的高阻抗電阻器。
5.如權利要求1所述的設備，其中所述設備包括用於無線裝置的振蕩電路
6.如權利要求2所述的設備，其中所述設備包括射頻(RF)濾波器。
7.一種方法，包括檢測薄膜體聲諧振器(FBAR)的溫度；確定所述FBAR的溫度導致的頻率漂移；確定補償所述溫度導致的頻率漂移的直流(DC)偏壓；以及對所述FBAR施加所述DC偏壓。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述DC偏壓確定為V=(T-T0)]]>其中，V＝DC偏壓；α＝所述FBAR內給定壓電薄膜的頻率溫度係數(TCF)；β＝給定壓電薄膜的頻率電壓係數(VCF)；以及T-T0＝溫度變化。
9.如權利要求8所述的方法，還包括在振蕩電路中包括所述FBAR裝置；以及通過高阻抗線向所述FBAR提供所述DC偏壓。
10.如權利要求8所述的方法，還包括在電路中連接多個所述FBAR；對各個所述FBAR內的壓電薄膜定向，以具有同一極化方向；及將所述DC偏壓施加到具有相同電壓極化的所述多個FBAR中的每個FBAR。
11.如權利要求9所述的方法，還包括放置所述振蕩電路在無線電話內。
12.如權利要求10所述的方法，其中所述電路包括濾波器。
13.一種系統，包括無線通信裝置；薄膜體聲諧振器(FBAR)，包括在所述無線通信裝置中的電路內夾在頂部電極和底部電極之間的壓電薄膜；溫度傳感器，用於檢測溫度，從而為所述FBAR確定溫度導致的頻率漂移；以及電壓控制器，可操作地連接到所述溫度傳感器，以向所述FBAR提供直流(DC)偏壓，從而引入電壓導致的頻率漂移來補償所述溫度導致的頻率漂移。
14.如權利要求13所述的系統，其中所述電路包括振蕩電路。
15.如權利要求13所述的系統，其中所述電路包括濾波電路。
16.如權利要求13所述的系統，其中所述DC偏壓電壓確定為V=(T-T0)]]>其中，V＝DC偏壓；α＝給定壓電薄膜的頻率溫度係數(TCF)；β＝給定壓電薄膜的頻率電壓係數(VCF)；以及T-T0＝溫度變化。
17.如權利要求15所述的系統，還包括多個FBAR，每個FBAR具有同一極化方向的壓電薄膜；以及DC偏壓，連接到具有相同電壓極化的所述多個FBAR中的每個FBAR。
18.如權利要求13所述的系統，還包括射頻扼流器，用於將所述DC偏壓連接到所述FBAR。
19.如權利要求13所述的系統，其中所述溫度傳感器包括熱敏電阻。
20.如權利要求13所述的系統，其中所述無線通信裝置包括蜂窩電話。
全文摘要
薄膜體聲諧振器(FBAR)包括夾在頂部電極和底部電極之間的壓電薄膜。提供溫度傳感器以檢測溫度，從而為FBAR確定溫度導致的頻率漂移。操作上連接到溫度傳感器的電壓控制器提供直流(DC)偏壓給FBAR，以引入相反的電壓導致的頻率漂移，從而補償溫度導致的頻率漂移。
文檔編號H03H9/02GK1977449SQ200580021290
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月10日 優先權日2004年6月30日
發明者V·勞, Q·馬, Q·特蘭, D·辛, L·-P·王 申請人:英特爾公司