專利名稱：頻率穩(wěn)定克服溫度漂移的薄膜體聲諧振器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例涉及薄膜體聲諧振器(FBAR)，并且更具體地說，涉及穩(wěn)定克服溫度漂移的這種裝置。
背景技術(shù)：
薄膜體聲諧振器(FBAR)技術(shù)在現(xiàn)代無線系統(tǒng)中可以用作形成許多頻率分量的基礎(chǔ)。例如，F(xiàn)BAR技術(shù)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(guān)組件。FBAR與例如表面聲波(SAW)和傳統(tǒng)的晶體振蕩器技術(shù)的其它諧振器技術(shù)相比具有優(yōu)點。具體地說，不同于晶體振蕩器，F(xiàn)BAR裝置可以集成在芯片上，并且一般比表面聲波器件具有更好的功率處理特征。
給予該技術(shù)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(chǎn)生電場的特性?！绑w”指的是夾層的主體或厚度。當(dāng)交流電壓施加在電極上時，薄膜開始震動?！奥暋敝傅氖窃谘b置的“體”內(nèi)(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(yīng)用的需要。例如，對于蜂窩電話應(yīng)用，工作溫度規(guī)范可以在-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(guān)閉汽車中碰到。由于溫度導(dǎo)致的頻率漂移，通帶窗一般設(shè)計為明顯比它們應(yīng)該的頻帶大，并且過渡帶較尖。這樣的設(shè)計限制往往引起降低插入損耗，并且需要更嚴(yán)格的工藝要求，導(dǎo)致降低生產(chǎn)率。這些約束可以在當(dāng)前的FBAR濾波器設(shè)計中說明，其中僅僅存在由通信標(biāo)準(zhǔn)和材料性質(zhì)決定的12MHz(兆赫)頻率變化預(yù)算。從-35℃到+85℃的溫度變化可能導(dǎo)致FBAR濾波器中的頻率漂移，它消耗大約6MHz，由此僅僅留出6MHz用于工藝變化。


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(dǎo)致的FBAR頻率漂移的圖表；圖4是圖解DC偏壓導(dǎo)致的FBAR頻率漂移的圖表；圖5是實例FBAR振蕩電路，包括用于補償溫度導(dǎo)致的頻率漂移的偏壓源；圖6是實例FBAR濾波器電路，包括用于補償溫度導(dǎo)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可以形成在諸如硅的襯底12的水平面上，并且可包括SiO2層13。第一金屬層14放置在襯底12上，然后壓電層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(dāng)?shù)谝浑姌O14，并且第二金屬層18充當(dāng)?shù)诙姌O18。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之后或者之下的一部分襯底12可以利用背側(cè)體硅蝕刻去除，以形成開口22。背側(cè)體硅蝕刻可以利用深阱反應(yīng)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(jié)構(gòu)是一個水平放置的、夾在位于襯底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，F(xiàn)BAR 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(jīng)電路徑34連接到第一電極14，并且經(jīng)第二電路徑36連接到第二電極18。當(dāng)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(yīng)該注意，圖1和2中描述的結(jié)構(gòu)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(zhì)，比如縱向壓電系數(shù)和聲損耗系數(shù)，都是諧振器性能的參數(shù)。性能因數(shù)包括品質(zhì)因數(shù)、插入損耗以及電/機械耦合。為了制造FBAR，壓電薄膜16可以利用例如反應(yīng)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軸垂直于襯底。
如上所述，F(xiàn)BAR裝置10的頻率隨著溫度漂移。這是大部分無線應(yīng)用不希望有的，因為在裝置預(yù)計操作的范圍內(nèi)，穩(wěn)定的頻率特性是更可取的。圖3圖解漂移現(xiàn)象。對于在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(dá)1589MHz，并且如果溫度升至100℃，則FBAR裝置的頻率可以下降到1586MHz。漂移在一個給定溫度范圍下相當(dāng)線性的發(fā)生。雖然此漂移可能不大，但它對于設(shè)計者可能是麻煩的，因為現(xiàn)代無線裝置在密集的頻率范圍內(nèi)操作。對于基于AlN的FBAR，頻率溫度系數(shù)(TCF)α大約為-25ppm(百萬分率)每攝氏度。
根據(jù)本發(fā)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(dǎo)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。對于在～1.6GHz的基于AlN的FBAR，所測量的頻率電壓系數(shù)(VCF)β為～-9ppm/V。它與AlN厚度成反比(與電場強度成比例)，并且因此對于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的直流電壓范圍間的電壓導(dǎo)致的頻率漂移大約是接近線性的。在此實例中，對于1587.7MHz的中心頻率，線性函數(shù)可以表示為y＝-0.0144x+1587.7。因而，根據(jù)本發(fā)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(dǎo)致的頻率漂移，以補償溫度導(dǎo)致的頻率漂移。
圖5顯示利用FBAR 50的簡單振蕩電路。振蕩電路可以用于諸如蜂窩電話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(huán)58的第二輸入端56，反饋環(huán)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(huán)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?？刂破?2確定適于補償任何溫度導(dǎo)致的FBAR 50的頻率漂移的DC偏壓。其后，適當(dāng)?shù)腄C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=α(T-To)β]]>其中，V＝DC偏壓；α＝給定壓電薄膜的頻率溫度系數(shù)(TCF)；β＝給定壓電薄膜的頻率電壓系數(shù)(VCF)；以及T-T0＝檢測的溫度變化。
圖6顯示用于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(lián)的多個FBAR裝置70，以及在輸入端72和輸出端74之間并聯(lián)的多個FBAR裝置80。耦合電容器82可以用在并聯(lián)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(jiān)控影響FBAR裝置70和80的溫度?？刂破?2可利用來自傳感器60的溫度數(shù)據(jù)計算適于補償溫度導(dǎo)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(jié)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(jié)點88連接到控制器62的負(fù)端子90，使得直流電場以對于所有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(zhuǎn)極性，以補償在任一方向從中心頻率的頻率漂移。各個節(jié)點84和88可經(jīng)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(biāo)記表示。具體地說，多個串聯(lián)的FBAR裝置70和并聯(lián)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(dāng)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(jù)特定的材料而定。用這種方式，F(xiàn)BAR的頂部電極18連接到鄰近FBAR的頂部電極。同樣地，F(xiàn)BAR的底部電極14連接到鄰近FBAR的底部電極。盡管布局可以變化，但各個FBAR的頂部電極18應(yīng)該一致地連接到V+86，并且底部電極14連接到V-90，以便對于某一施加的偏壓，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，比如多晶硅TiN組成。
本發(fā)明的圖解實施例的上述描述，包括摘要中的描述，并不旨在窮舉本發(fā)明或者將本發(fā)明限制在公開的精確形式。盡管本發(fā)明的特定實施例以及實例出于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(fā)明的范圍內(nèi)，這一點本領(lǐng)域技術(shù)人員都理解。
根據(jù)以上詳細(xì)說明可以對本發(fā)明進行這些修改。用于下列權(quán)利要求的術(shù)語將不應(yīng)視為將本發(fā)明限制到在本說明書和權(quán)利要求書中公開的特定實施例。相反地，本發(fā)明的范圍全部由以下權(quán)利要求確定，下面的權(quán)利要求將視為根據(jù)建立的權(quán)利要求解釋的準(zhǔn)則。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)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(dǎo)致的頻率漂移。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)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(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述DC偏壓選擇為V=α(T-T0)β]]>其中，V＝DC偏壓；α＝給定壓電薄膜的頻率溫度系數(shù)(TCF)；β＝給定壓電薄膜的頻率電壓系數(shù)(VCF)；以及T-T0＝溫度變化。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)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(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括用于無線裝置的振蕩電路
6.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述設(shè)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(dǎo)致的頻率漂移；確定補償所述溫度導(dǎo)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(quán)利要求7所述的方法，其中所述DC偏壓確定為V=α(T-T0)β]]>其中，V＝DC偏壓；α＝所述FBAR內(nèi)給定壓電薄膜的頻率溫度系數(shù)(TCF)；β＝給定壓電薄膜的頻率電壓系數(shù)(VCF)；以及T-T0＝溫度變化。
9.如權(quán)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(quán)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(nèi)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(quán)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(nèi)。
12.如權(quán)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(tǒng)，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(nèi)夾在頂部電極和底部電極之間的壓電薄膜；溫度傳感器，用于檢測溫度，從而為所述FBAR確定溫度導(dǎo)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(dǎo)致的頻率漂移來補償所述溫度導(dǎo)致的頻率漂移。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述電路包括振蕩電路。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述電路包括濾波電路。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述DC偏壓電壓確定為V=α(T-T0)β]]>其中，V＝DC偏壓；α＝給定壓電薄膜的頻率溫度系數(shù)(TCF)；β＝給定壓電薄膜的頻率電壓系數(shù)(VCF)；以及T-T0＝溫度變化。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，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(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括射頻扼流器，用于將所述DC偏壓連接到所述FBAR。
19.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器包括熱敏電阻。
20.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，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(dǎo)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(dǎo)致的頻率漂移，從而補償溫度導(dǎo)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(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者V·勞, Q·馬, Q·特蘭, D·辛, L·-P·王 申請人:英特爾公司