专利名称：薄膜体声谐振器(fbar)的频率调谐的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及薄膜体声谐振器(FBAR)，更具体来 说，涉及在晶圆级Mpf莫上进行频率调谐。
背景技术：
在无线射频(RF)器件中，谐振器一般用于信号滤波和生成 目的。目前的技术发展水平通常使用分立晶体来制造谐振器。为了使 器件小型化，已经考虑微机电系统(MEMS)谐振器。 一种类型的MEMS 谐振器是薄膜体声谐振器(FBAR)。 FBAR器件具有优于现有技术谐振 器的许多优点，例如在高频的低插入损耗和小波型因数。除了谐振器，薄膜体声谐振器(FBAR)技术还可用作形成现 代无线系统中许多频率組件的基础。例如，可4吏用FBAR冲支术来形成 滤波器件、振荡器、谐振器和大量其它频率相关组件。与例如表面声 波(SAW)和传统晶体振荡器技术等其它谐振器技术相比，FBAR具有 优点。具体来说，不像晶体振荡器，FBAR器件可集成到芯片上，并 且通常具有比SAW器件更好的功率加工特性。赋予该技术的描述性名称FBAR对于描述其一般原理是有 用的。简言之，"薄膜"是指夹在两个电极之间的压电薄膜，诸如氮化 铝(A1N)。压电薄膜具有在存在电场时进行机械振动以及在机械4泉动时 产生电荷的属性。"体，，是指夹层的主体或厚度。在将交流电压施加到 电极两端时，薄膜开始振动。"声"是指在器件的"体"(与SAW器件中 只是表面相对)内进行谐振的这种机械振动。 FBAR器件的谐振频率由其厚度确定，其厚度必须准确控 制，以便具有期望的滤波器响应，例如精确的中心频率和通带宽度。
在一个典型(FBAR)器件中，由于加工偏差，加工后的谐振频率通常不 同于目标值。对于上述分立晶体谐振器，这种谐振频率误差例如可使 用激光微调技术来校正，在该技术中将激光朝向谐振器，并且对谐振 器去除或添加材料，由此将谐振器的谐振频率"调谐，，到期望目标频率。 然而，由于MEMS谐振器(特别是高频MEMS谐振器)的大小一般比它 们的晶体对应物小得多，所以传统的激光微调技术不是可行的备选方 案。因此，所需的是修改MEMS谐振器的谐振频率的技术。
图1是薄膜体声谐振器(FBAR)的横截面视图；
图2是图1所示薄膜体声谐振器(FBAR)的电路的示意图；
图3 根据本发明的一个实施例的FBAR的框图；
图4是根据本发明的一个实施例的FBAR的框图；
图5是根据本发明的一个实施例的晶圆频率分布图；
图6是标识将要调谐各个程度的各个区域的晶圆区域图；
图7是去除了调谐层的一定百分比以便将其谐振频率调谐
到目标值的FBAR;图8是示出FBAR的频率变化与调谐图案的覆盖百分比的
图表；图9是示出调谐层厚度的光刻精度的图表；图10是示出晶圆上在相邻区域中调谐到各个程度的两个
相邻FBAR的框图；以及图11是示出根据本发明的一个实施例用于调谐晶圆上的
FBAR的过程的流程图。
具体实施例方式在以下详细描述中，参照附图，附图通过图解示出可实施 本发明的具体实施例。充分详细地描述这些实施例，使本领域的技术
人员能够实施本发明。要理解，本发明的各种实施例虽然有所不同， 4旦不一定是相互排斥的。例如，本文中结合一个实施例所述的具体特 征、结构或特性可在其它实施例中实现，而没有背离本发明的精神和 范围。另外，要理解，可修改每个公开的实施例中各个元件的位置或 布置，而没有背离本发明的精神和范围。因此，以下详细说明不是限 制性的，并且本发明的范围仅由适当解释的所附权利要求书连同权利 要求书对其享有权利的等效方案的整个范围来定义。附图中，相似的 标号在几个视图中表示相同或相似的功能性。在图1中示意示出一种FBAR器件10。 FBAR器件10可 在例如石圭的衬底12的水平面上形成，并且可包括Si02层13。将笫一 金属层14设置在村底12上，然后将压电层16设置到金属层14上。 压电层16可以是氧化锌(ZnO)、氮化铝(A1N)、锆钬酸铅(PZT)或者任 何其它压电材料。第二金属层18设置在压电层14之上。第一金属层 14充当第一电极14,而第二金属层18充当第二电极18。第一电极14、 压电层16和第二电极18形成叠层20。如图所示，叠层可以是例如大 约1.8 nm厚。可使用背面体硅蚀刻去除衬底12中在叠层20后面或下 面的部分，以便形成开口22。可使用深沟槽反应离子蚀刻或者使用例 如氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)和乙二胺-焦儿茶酚(EDP) 等晶体取向相关蚀刻来进行背面体硅蚀刻。所得到的结构是夹在设置在衬底12中开口 22之上的第一 电极14与第二电极16之间的水平设置的压电层16。简言之，FBAR 10 包括悬在水平衬底12中开口 22之上的隔膜器件。图2示出包括薄膜体声谐振器10的电路30的示意图。电 路30包括射频"RF"电压源32。 RF电压源32经由电通路34附连到第 一电极14,并通过第二电通路36附连到第二电才及18。当施加谐振频 率的RF电压32时，整个叠层20可在Z方向31自由谐振。谐振频率 由隔膜的厚度或者压电薄膜叠层的有效厚度来确定，在图2中厚度由 字母"d"或尺寸"d"表示。谐振频率由下式来确定 fD V/2d，其中 )=谐振频率， V二压电层的声速，以及 d =压电薄膜叠层的厚度。应当注意，图l和图2所述的结构可用作谐振器或者滤波 器。为了形成FBAR,可将例如ZnO、 PZT和A1N等压电薄膜16用作 活性材料。这些薄膜的材料属性、如纵向压电系数和声损耗系数是谐 振器的性能参数。性能因数包括Q因数、插入损耗和电/机械耦合。为 了制造FBAR，可使用例如反应溅射将压电薄膜16沉积到金属电极14 上。所得到的薄膜是具有c轴紋理取向的多晶体。换言之，c轴与衬底 垂直。可在单晶圓上制造多个FBAR，以后再进行切割。理想情 况下，在晶圆中形成的所有器件具有相同的谐振频率。然而，由于制 造偏差，FBAR器件的频率响应在晶圆上可能略微改变。FBAR的基本 谐振频率主要由压电薄膜叠层的厚度来确定，其厚度近似等于声波的 半波长。FBAR的频率应当准确地设置，以便实现期望的滤波器响应， 例如中心频率和通带宽度。例如，带通滤波器用于移动电话应用中， 在2 GHz范围要求频率控制在4 MHz内，它在频率偏差的~ 0.2%内。 这种精度通过任何现有技术沉积工具都难以实现。因此，将有效且低 成本的后加工技术用于制造FBAR器件。在切割之后，可单独对各个FBAR器件进行细调谐。目前， 通常通过离子铣削顶部电极，使用离子束微调的后加工来校正频率。 需要附加离子束设备和维护。由于其连串过程(逐个管芯进行微调)， 生产量也很低。因此，离子束微调技术不是节省成本的。因此，并行 调谐所有FBAR器件同时仍在晶圓上将是优选的。图3示出在晶圆中形成的两个相邻FBAR器件。可在硅村 底30上形成例如Si02的牺牲释放层32的图案。然后可在衬底30之
上、部分在释放层32之上沉积底部电极层34。底部电极例如可以是 Al、 Mo、 Pt或W。然后可在底部电极14之上沉积例如A1N、 PZT或 ZnO的压电层36。然后可在压电层38之上形成例如A1、 Mo、 Pt或W 的顶部电极的图案。根据本发明的实施例，然后可在顶部电极层38之 上沉积调谐层40。调谐层可以是任何高Q金属，诸如例如A1N。此后， 如图4所示，例如通过蚀刻去除牺牲Si02层，由此形成开口42。根据本发明的实施例，通过在FBAR隔膜上面对调谐层40 添加光刻图案形成特征，可通过控制图案特征的尺寸和形状来调谐 FBAR的谐振频率。另外，通过控制光刻照射剂量，可改变光刻特征。 将这两个方面组合，就提供了以有效且低成本方式校正谐振器频率同 时FBAR在晶圆上仍保持原样的能力。图5示出通过RF测试所测量的晶圆频率分布图。如图所 示，各个FBAR的谐振频率在晶圆上的不同区域中略微不同。为了说 明的简洁起见，标识出四个主要区域。区域1(50)中的FBAR的谐振频 率为2.03-2.04 GHz。区域2(52)中的FBAR的谐振频率为2.04-2.05 GHz。区域3(54)中的FBAR的谐振频率为2.05-2.06 GHz。最后，根据 晶圆频率分布图，区域4(56)中的FBAR的谐振频率为1.99-2.00 GHz。 在晶圆上标识了四个区域，但是，在理论上，区域的粒度可以更精确， 一直到各个管芯级。如图6所示，从晶圆频率分布图中，可获得校正分布图(各 管芯或区域内管芯的频率变化的要求)。例如，校正分布图可类似地包 括四个区域，与图5中标识的区域对应的区域l (60)、区域2(62)、区 域3(64)和区域4(66)。通过改变区域内管芯的光刻照射剂量，可获得 与校正分布图对应的不同光刻图案。可用这些光刻定义的图案，将区 域中FBAR的谐振频率校正到目标值。也就是说，在各区域中，可去 除调谐层40的不同量或者图案。例如，在区域1中，可去除调谐层 40的30%。在区域2中，可去除调谐层的40%，等等。由此，可实现 对各区域中FBAR进行细调谐，使得晶圓上所有FBAR的谐振频率可
基本相同。实际上，可以不必对每个晶圆产生如图5和图6所示的新 的晶圆频率分布图和校正分布图。而是，对于离线的一批晶圆，频率 分布图可以是相似的。由此，例如，如果以比如二十个晶圆的批量来 制造晶圆，则对于整个批次， 一个频率分布图和校正分布图足够了。现在参照图7，示出了一个FBAR,示出底部电极14、压 电层16和顶部电极18。在这里，4艮据本发明的一个实施例，已经以 周期直线(垂直于纸面)形式在顶部电极18上蚀刻了调谐层40。虽然为 了模拟计算而示出蚀刻的直线，但其它图案也是可能的。为了说明目
的，底部电极14的厚度为0.3pm,压电层16的厚度为1.2pm，顶部电 极18的厚度为0.3pm,且调谐层40的厚度为0.15pm。由此，包括调 谐层在内的叠层的整个高度(H)为大约H^2.1]Lim。将调谐层40的蚀刻 线之间的周期标记为"S"，并将每条线的长度标记为"L"。图8图示了;f莫拟图表，示出当调谐图案的周期大约为S=1.5 pm时，FBAR的频率变化根据顶部电极18上剩余的调谐图案40的覆 盖百分比而改变。如图所示，当剩余调谐层的0%(无覆盖)到剩余调谐 层的100%(完全覆盖)时，可在4.00%频率变化内的任何地方调谐FBAR 的频率。调谐层40的图案特征应小于特性尺寸，以侵 床持单峰值(纯 质量负荷效应)。在这种情况下，对于H=2.1〖im,图案周期(S)应小于 1.5pm,以保持单峰值，其中L可从O到1.5拜改变。如图9所示，光刻精度的要求随调谐层40厚度的增加而增 加。由此，使用大约23nm的光刻精度，以便具有大约3.27%的调谐范 围。这个精度可通过目前的光刻工具来实现。图10是晶圓上两个已调谐FBAR的示例。该示例与图4 所示的相似。使用相似的参考标号来表示相似的项，并且不再描述了 以免重复。如图所示，晶圆上的两个FBAR示为相连，例如区i^l和 区域2。区域2中的FBAR其调谐层40被去除的百分比要比区域2中 的FBAR的大。由此，可在切割之前，将晶圆上所有FBAR的谐振频
率校正到目标值。图11示出概述根据本发明一个实施例的过程的流程图。 在框70,使用标准工艺在晶圆上制造FBAR。在框72，将调谐层40 设置到上电极18之上。在框74,然后去除释放隔膜，留下开口 42, 例如图10所示。在框76,进行RF测试，以获得如图5所示的整个晶 圆频率分布图。在框78，在调谐层40之上执行使用区域曝光的光刻 工艺。如图6所示的区域图案基于晶圓频率分布图，以便补偿晶 圆上FBAR的频率偏差。在框82，对调谐层进行蚀刻，以便>夂人图10 所示的各个区域中去除各不相同百分比的调谐层40。在框82，晶圆上 的所有FBAR这时都可具有所选目标值的统一谐振频率。以上对本发明所示实施例的描述，包括在摘要中所描述 的，并不是用来穷举或将本发明限于所公开的精确形式。虽然本文为 了说明目的而描述了本发明的具体实施例和示例，但相关领域的技术 人员会认识到，在本发明的范围内，各种等效修改是可能的。可根据以上详细描述对本发明进行这些修改。在以下权利 要求书中使用的术语不应当理解为将本发明限于说明书和权利要求书 中所公开的具体实施例。而是，本发明的范围完全由以下权利要求书 来确定，权利要求书要根据权利要求释义的已确定原则来解释。
权利要求
1.一种装置，包括晶圆；多个器件，各具有与其关联的谐振频率，制造在所述晶圆上；调谐层，在所述多个器件上面；与所述调谐层关联的多个区域，其中各个区域包括不同的调谐层图案特征，以便将所述多个器件调谐到目标谐振频率。
2. 如权利要求l所述的装置，其中所述多个器件包括微机电系统 (MEMS)器件。
3. 如权利要求2所述的装置，其中所述MEMS器件包括薄膜体 声谐振器(FBAR)。
4. 如权利要求3所述的装置，其中所述图案特征包括周期直线。
5. 如权利要求l所述的装置，其中所述调谐层包括高Q金属。
6. 如权利要求4所述的装置，其中所述周期直线包括给定区域中 所述调谐层的一定百分比。
7. 如权利要求6所述的装置，其中所述调谐层的所述百分比的范 围从0%到100%。
8. —种方法，包4舌 在晶圆上制造多个器件； 在所述多个器件之上沉积调谐层；在所述晶圓上标识多个区域，其中所述器件具有相似的谐振频率； 在每个区域中在所述调谐层内产生不同的图案，以便将所述多个 器件调谐到目标谐振频率。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述多个器件包括薄膜体声谐 振器(FBAR)。
10. 如权利要求9所述的方法，其中所述标识包括产生所述晶圆的射频(RF)分布图，标识所述多个FBAR中具有相 似谐振频率的FBAR。
11. 如权利要求IO所述的方法，还包括根据包括不同图案的所述RF分布图来产生校正分布图。
12. 如权利要求11所述的方法，还包括 使用所述校正分布图和光刻技术来产生区域图案；以及 进行蚀刻以便去除所述调谐层的所选部分。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述区域图案包括周期线。
14. 如权利要求12所述的方法，其中所述周期线包括给定区域中 所述调谐层的一定百分比。
15. 如权利要求14所述的方法，其中所述调谐层的所述百分比的 范围从0%到100%。
16. —种用于调谐晶圆上多个薄膜体声谐振器(FBAR)的方法，包括在晶圓上制造多个FBAR; 在所述FBAR上面沉积调谐层；产生所述晶圆的射频(RF)分布图，标识所述晶圆上包含具有相似 谐振频率的FBAR的区域；基于包括所述调谐层的图案特征的所述RF分布图来产生校正分 布图；使用光刻技术产生所述调谐层中的所迷图案特征，以^t将所述多 个FBAR的所述谐振频率校正到目标频率。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述调谐层包括高Q金属。
18. 如权利要求16所述的方法，其中所述图案特征包括周期线， 所述周期线是给定区域中所述调谐层的 一定百分比。
19. 如权利要求18所述的方法，其中所述调谐层的所述百分比的 范围/人0%到100%。
20. 如权利要求19所述的方法，其中频率校正范围从0%到4%。
全文摘要
可在单晶圆上制造多个FBAR，以后再进行切割。理想情况下，在晶圆中形成的所有器件具有相同的谐振频率。然而，由于制造偏差，FBAR器件的频率响应在晶圆上可能略微改变。可产生RF分布图以便确定晶圆上的区域(50，52)，其中那个区域中的FBAR全都与目标频率相差相似的程度。可将调谐层(40)沉积在晶圆之上。基于RF分布图所标识的区域对调谐层光刻形成图案的特征可用于将FBAR校正到目标谐振频率，而FBAR在晶圆上仍保持原样。
文档编号H03H9/58GK101361266SQ200680047721
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月6日 优先权日2005年12月20日
发明者K·塞尚, L·-P·王, Q·马, T·G·多罗斯, V·R·劳 申请人:英特尔公司