（微电子学与固体电子学专业论文）fbar无线传感器集成技术研究.pdf

摘要 随着半导体工艺和射频通信技术的发展，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、 信息化和网络化。薄膜体声波谐振器( f b a r ) 因其优越的特性，低廉的价格，可与半导 体工艺兼容的等优势，显示出广阔的应用前景。实现f b a r 同c m o s 电路的单芯片集成， 并应用于无线传感网中成为一大趋势。本论文围绕f b a r 无线传感器单芯片集成技术展开 讨论，主要针对f b a r 的集成制备工艺及建模、f b a r 无线传感应用系统设计、质量传感 特性及传感信息处理芯片等三部分内容展开探讨，为进一步研究f b a r 无线传感器的集成 做出有意义的探索。论文的主要工作及创新点包括： 1 优化f b a r 设计制备流程，提出了一种c m o s 电路钝化层上集成制备f b a r 的新 结构及其工艺，设计、流片并测试了几种典型结构的纵波及剪切波f b a r 。论文分析了 f b a r 的寄生效应，提出一种新的加入寄生参数的p m b v d 等效电路模型，使用该模型可 以有效提高f b a r 仿真精度，同时可以根据该模型优化设计f b a r 的p a d 结构等。 2 对f b a r 传感特性进行了测试和分析，在此基础上提出了一种双路计数差频方法 采集处理f b a r 质量传感信息的方法。该方法简单可靠且精度高，理论上可以达到该f b a r 可检测微小质量的最小极限。设计、流片并测试了该f b a r 微质量传感信息采集处理的芯 片，该芯片前级采用低功耗的源耦合逻辑分频器对射频信号进行预分频。 3 设计f b a r 无线传感器单元的系统架构，并根据系统应用无线通信链路情况设计 了基于c m o s 工艺的8 6 8 m h z 、4 3 3 m h z 经典e 类功率放大器。提出一种低功耗、低噪声 的电流重利用交叉耦合的f b a r 振荡器结构，并设计了温度补偿电路。 关键词：薄膜体声波谐振器、无线传感网、微质量传感器、振荡器、温度补偿、集成 i i i a b s t r a c t a ss e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ya n dr fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc o n t i n u et op r o g r e s s ， t r a d i t i o n a ls e n s o r sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r em i n i a t u r i z e d ，i n t e l l i g e n t i z e d ，i n f o r m a t i o n a l i z e d a n dc y b e r i z e ds t e pb ys t e p b e c a u s eo fi t sh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp r i c e ，a n dg o o dc o m p a t i b i l i t y w i ms t a n d a r dc m o sp r o c e s s ，f b a rh a sal a r g ea p p l i c a t i o np o t e n t i a l i n t e g r a t i o no ff b a ri n c m o sp r o c e s sa sw e l la sa p p l i c a t i o no ff b a ri nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a sb e e nas t r o n g t e n d e n c y t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ei s s u e so fi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo ff b a rw i r e l e s s s e n s o li ti n c l u d e s3p a r t s ：f b a r sf a b r i c a t i o n ，i n t e g r a t i o np r o c e s sa n dm o d e l i n g ；f b a r w i r e l e s ss e n s o ra p p l i c a t i o n s y s t e md e s i g n ；t i n y - m a s ss e n s o r c h a r a c t e r i s t i c sa n ds e n s i n g i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc h i p t h i sw o r ki sm e a n i n g f u lf o rf u r t h e rr e s e a r c ho ni n t e g r a t i o no f f b a rw i r e l e s ss e n s o r m a j o rw o r ka n di n n o v a t i o np o i n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 o p t i m i z a t i o ni sm a d ef o rf b a rd e s i g na n df a b r i c a t i o np r o c e s s an e ws t r u c t u r ea n d p r o c e s st h a tf a b r i c a t ef b a r o nt h es u r f a c eo fc m o sc i r c u i t sp a s s i v el a y e ri sp r o p o s e d s e v e r a l t y p i c a ll o n g i t u d i n a l - w a v ea n ds h e a r - w a v ef b a r s a r ed e s i g n e d ，f a b r i c a t e da n dt e s t e d t h ep a p e r a n a l y z e st h ep a r a s i t i c so ff b a r ，a n dp u tf o r w a r dan e we q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lp m b v d w h i c ht a k e sp a r a s i t i c si n t oa c c o u n t t h i sm o d e lc o u l db eu s e dt oi m p r o v et h es i m u l a t i o n a c c u r a c yo ff b a r a sw e l la st oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ff b a r sp a d s 2 a ni n d e p t ha n a l y s i si sm a d eo nf b a rt i n y - m a s ss e n s o rc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nt h e a n a l y s i s ，w ep r o p o s ead u a l c h a n n e lf r e q u e n c yd i f f e r e n c ec o u n t i n gm e t h o dt oa c q u i r ea n d p r o c e s st h ei n f o r m a t i o nf r o mf b a rt i n y - m a s ss e n s o lt h i sm e t h o di ss i m p l e ，r e l i a b l ea n d a c c u r a t e t h e o r e t i c a l l y , i tc o u l dd e t e c tt h es m a l l e s tm a s so ft h ef b a r sa b i l i t y a nf b a r t i n y - m a s ss e n s o rs i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc h i pi sd e s i g n e d ，f a b r i c a t e d ，a n dt e s t e d l o w - p o w e rs o u r c e - - c o u p l e dl o g i cd i v i d e r sa r ei n t r o d u c e dt or e d u c et h ef r e q u e n c yo fr fs i g n a l s f r o mg i g ah e r t zt oa f r e q u e n c yt h a tc m o sc i r c u i tc o u l dd e a lw i t h 3 s y s t e ma r c h i t e c t u r eo ff b a r w i r e l e s ss e n s o ru n i ti sa d v a n c e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o nt h i sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nl i n k s ，w ed e s i g n e dt w oc m o sc l a s sep o w e ra m p l i f i e r sw h o s e f r e q u e n c i e sa r e8 6 8 m h z ，4 33 m h zr e s p e c t i v e l y al o w p o w e r , l o w - n o i s ef b a ro s c i l l a t o rw i t h c u r r e n t r e u s ec r o s s - c o u p l e dc o n f i g u r a t i o ni sp r e s e n t e d ，a n dt e m p r a t u r e c o m p e n s a t i o nc i r c u i ti s d e s i g n e df o rf b a ro s c i l l a t o r v 浙江大学硕七学位论文 k e y w o r d s ：f i l mb u l ka c o u s t i cr e s o n a t o r , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t i n ym a s ss e n s o r , o s c i l l a t o r , t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，i n t e g r a t i o n v i g a a s c m o s m e m s r f v l s i f b a r b a w a l n z n o p z t g h z f o m s a w s m r s i 0 2 i t u r f i d q c m w s n i c p a p c s g s g r f i c s o l t b v d l p c v d 缩略词表 g a l l i u ma r s e n i d e镓砷化物 c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r互补金属氧化物半导体 m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s微电子机械系统 r a d i of r e q u e n c y射频，无线电频率 v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 超大规模集成电路 f i l mb u l ka c o u s t i cr e s o n a t o r薄膜体声波谐振器 b u l ka c o u s t i cw a v e体声波 a l u m i n u mn i t r i d e氮化铝 z i n co x i d e氧化锌 l e a dz i r c o n a t et i t a n a t e锆钛酸铅 g i g eh e r t z 千兆赫兹 f i g u r eo f m e r i t 优值 s u r f a c ea c o u s t i cw a v e声表面波 s o l i d l ym o u n t e dr e s o n a t o r 固态装配型 s i l i c o nd i o x i d e二氧化硅 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n 国际电信同盟 r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n无线射频识别技术 q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e石英晶片微天平 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s无线传感器网络 i n t e g r a t e dc i r c u i t集成电路 p o w e ra m p l i f i e r功率放大器 p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e个人通讯服务 g r o u n d s i g n a l g r o u n d 地信号地 r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t射频集成电路 s h o r t 。o p e n l o a d t h r o u g h 短路一开路一负载一直通 b u t t e r w o r t h v a nd y k eb v d 电路模型 l o wp r e s s u r ec h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n低压化学蒸发沉积 i i i 浙江大学硕上学位论文 r i e i c p n m o s p m o s o o k t i 0 2 d n a s i p m c m s p x o v c x o t c x o o c x o s c l d f f e c l u a r t v c s i 汀l d r c l v s l p e t s p c v c f v c f c m p r e a c t i v ei o ne t c h 反应离子刻蚀 i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a电感耦合等离子体 n c h a n n e lm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf e tn 沟道m o s f e t p c h a n n e lm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf e tp 沟道m o s f e t o n o f f k e y i n g 开关调变 t i t a n i u md i o x i d e 二氧化钛 d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d脱氧核糖核酸 s y s t e mi np a c k a g e 系统化封装 m u l t i c h i pm o d u l e 多芯片模块 s i m p l ep a c k a g e dc r y s t a lo s c i l l a t o r 普通晶体振荡 v o l t a g ec o n t r o l l e dc r y s t a lo s c i l l a t o r电压控制式晶体振荡器 t e m p e r a t u r e - c o n t r o l l e dc r y s t a lo s c i l l a t o r温度补偿式晶体振荡器 o v e n c o n t r o l l e dc r y s t a lo s c i l l a t o r恒温控制式晶体振荡器 s o u r c e c o u p l e d - l o g i c 源耦合逻辑 d - t y p ef l i p f l o pd 触发器 e m i t t e r - c o u p l e d l o g i c 射极耦合逻辑 u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r 通用异步接收传送器 v e r i l o gc o m p i l es i m u l a t o r编译型v e r i l o g 模拟器 r e s i s t o rt r a n s i s t o rl o g i c 晶体管逻辑 d e s i g nr u l ec h e c k 设计规则检查 l a y o u t v e r s u ss c h e m a t i c 版图与原理图一致性检查 l a y o u tp a r a s i t i ce x t r a c t i o n寄生参数提取 t r u es i n g l ep h a s ec l o c k 真单相时钟 v o l t a g ec o e f f i c i e n to ff r e q u e n c y 频率电压系数 t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to ff r e q u e n c y 频率温度系数 c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g 化学机械抛光 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：主皂十恒 签字日期： 凇1 1 ) 年 f 月弼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：差之卞恒 导师签名： 茔棚芋 签字日期：劫f d 年1 月甥日 签字日期：乃p 年月2 细 致谢 时光荏苒，三年求是园的科研学习生活即将结束。回首这段日子，师长的教诲，同学 的帮助，家人的关爱，无不令我心怀感恩。 首先感谢我的导师董树荣副教授，他在学习和生活上给了我许多关怀。他给我鼓励和 施展的空间，也在我困惑的时候为我指点迷津，他开阔灵活的思维方式，积极达观的人生 态度，勤奋高效的工作习惯，勇于创新的学术精神都是我学习的榜样。本论文的完成离不 开董老师的悉心指导和帮助，在此致以崇高的敬意和诚挚的谢意。 感谢韩雁教授，她严谨的治学态度和忘我的工作精神给我留下深刻的印象，尽管平时 工作业务非常繁忙，她还是经常关注着我课题的进展情况，并为我的研究课题提供了尽可 能给予的条件，使得论文得以顺利地进行。在此，向韩老师表达我由衷的谢意。 感谢韩晓霞老师在数字集成电路后端设计中给予的指导和帮助，感谢金浩老师在射频 测试上给予的指导和仪器支持。感谢朱大中教授、丁扣宝副教授、沈相国高工以及霍明旭、 郭维、孙颖、郭清和汪涛等老师在学术和生活上的帮助和关心，他们深深影响和感动着我。 感谢周海峰师兄、张艳、张慧金、程维维，他们的直接帮助和有益的讨论对我课题的 顺利进行产生巨大作用。感谢廉玉平、黄大海、韩成功、杨幸、王廷宇、罗豪、王亚林、 崔强、张昊以及其他微电子所的兄弟姐妹，是他们让我的研究生生活变得丰富多彩，我会 铭记与他们朝夕相处的美好日子。 感谢所有关心我的师长和朋友，他们的鼓励和祝福一直伴随着我，我将永远心怀感恩。 最后，谨以此文献给我深爱的父亲母亲，他们苦心孤诣，辛勤劳作，给了我幸福的成 长和受用一生的教诲。感谢他们多年以来伟大而无私的爱，他们不但是我的后盾，我的动 力，也是我不尽的荣耀。 赵士恒 2 0 10 年1 月 于浙大求是园 绪论 1 绪论 1 1f b a r 原理及研究现状 1 1 1f b a r 原理 无线通信正朝着高通信频率、高传输速率、高密集复用和高集成化方向发展，推动着 集成电路向超高集成度方向快速发展。但出于噪声、功率和频率等方面的考虑，一些无源 的频率元件如多工器、滤波器、耦合器等通常采用化合物半导体( 如g a a s 等) 技术实现， 单独占据一颗芯片，与采用硅基双极型和c m o s 技术实现的芯片难以集成。集成电路发 展方向是单芯片解决方案，即将应用系统中所有功能组件都集成在同一颗芯片中。而这些 频率控制无源组件与主流的集成电路制造技术不兼容，再加上尺寸相对较大，成为系统集 成化，微型化，降低功率和节约成本的瓶颈。 近年来，微电子机械系统( m e m s ，m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术的迅速发 展，一些新型功能材料出现，并且制备技术日益成熟，使得高性能的无源频率元件的集成 和微型化的问题有望解决。r f m e m s 技术可大大减小无源频率元件的尺寸，并与v l s i 有良好的兼容性，是实现单片集成，降低系统成本的一个重要突破。其中一种典型的技术 就是薄膜体声波谐振器( f b a r ，f i l mb u l k a c o u s t i cr e s o n a t o r ) 技术 1 。 薄膜体声波谐振器( f b a r ) 是一种基于体声波( b a w ) 的压电谐振器件。理想的f b a r 采用一层压电薄膜夹于两层极薄的完纯导体电极之间的三明治状结构。如图1 1 所示即为 一个理想f b a r 的结构示意图，它采用c 轴取向的a 1 n 作压电薄膜，按晶轴方向建立三 维坐标系，2 l 、2 w 分别表示f b a r 的长度和宽度，2 表示f b a r 的厚度。一个电压幅度 为2 ，频率为国的交变电压源加在f b a r 的上下两电极之间作为激励。理想f b a r 基于 如下四个假设：电极为完纯导体，即电阻为零，且厚度极薄，可忽略不计；压电层 的厚度远小于长度、宽度的尺寸，即2 j i z 2 h 图1 - 1 理想f b a r 的结构示意图 2 】 表征f b a r 性能的主要参数有两个：品质因数q 和等效机电耦合系数磅，分别定义 = 刮等i 正m m ， 三五 墙2 硐2 l ( 1 2 ) 其中，厂为激励源频率，z 为f b a r 的阻抗，石为f b a r 的串联谐振频率，石为f b a r 的并联谐振频率。品质因数q 值是衡量损耗的指标，同时也表示f b a r 滤波器的插损，q 值越大，则插损越低；等效机电耦合系数码用来衡量f b a r 串并联谐振频率相隔的指标， 同时也表示f b a r 滤波器的带宽，磅越大，则所能构成的滤波器的带宽也越大。 评估f b a r 整体性能通常看f b a r 的优值( f o m ，f i g u r eo fm e r i t ) 大小，它定义为 品质因数q 和等效机电耦合系数磅的乘积，f o m 越大，则所构成滤波器的插损越低，选 遍低于f b a r 的f o m 4 ，反映了f b a r 滤波器的性能优于s a w 滤波器。 和f b a r 滤波器。可以看出，f b a r 具有工作频率高、射频段性能优良、温度系数小、功 率承载性好、体积小、具备与半导体工艺兼容的潜力等优点。与原有的s a w 滤波器和介 绪论 质谐振滤波器相比，基于f b a r 的滤波器具有与生俱来的优势，因而在无线通信射频前端 得到广泛应用，也被认为是目前最具前途的可实现芯片集成的g h z 射频前端解决方案 5 ， 6 】。同时由于其高灵敏度特性( q 1 0 0 0 ) ，f b a r 也作为微质量传感器，并在化学和生物 领域的应用研究也受到越来越多的关注。 表1 1 陶瓷介质滤波器、s a w 滤波器和f b a r 滤波器的比较 丐订挝整 陶瓷介质s a w f b a r 频率 lm h z 1 0 g h z3 0m h z 2g h z5 0 0m h z 2 0g h z 插入损耗 1 2d b2 5 - 4d b1 1 5d b 温度系数0 , - - , + 5p p m 。c 一3 5 - - 9 5p p m 。c- 1 0 - 一6 0p p m 。c q 值 3 0 0 7 0 02 0 0 - 4 0 0 1 0 0 0 功率容量 lw 1w 体积 5 1 0 m m 22 - 8m m 2o 1 0 1m m 2 目前有三种压电材料比较适合制作f b a r ，分别是a i n 、z n o 和p z t ，其参数特性见 表1 2 所示【7 。前面已经提到，机电耦合系数决定f b a r 滤波器的带宽，而高的介电常数 和小的纵波声速可以减小f b a r 的尺寸。从表1 2 中可以看出，p z t 材料的机电祸合系 数较大，介电常数高，温度系数小，它在这三项指标上占优；a 1 n 材料则在本征材料损耗、 淀积速度、兼容性等方面优势明显，对应的p z t 在这几项指标上有较大劣势；z n o 在f b a r 各主要指标中表现中庸。另外一点要考虑的是：锌、锆、铅等材料会严重的降低半导体中 载流子的寿命，对于c m o s 工艺来说是很危险的材料，而a 1 n 不存在这一问题。所以， a i n 更适合于集成到标准c m o s 工艺中 8 ，是f b a r 集成化发展的主要趋势，对于它的 应用和研究比较多。 表1 2 适用于f b a r 的三种压电材料特性比较【9 】【l o 】 荔纩趔 a l nz n op z t 机电耦合系数k t 2 6 5 7 5 8 1 5 介电常数， 9 5 0 e 1 l7 7 9 e 1 13 1 0 e 9 纵波声速u j ( m s 。1 ) 1 0 4 0 06 3 5 0 4 0 0 0 6 0 0 0 温度系数 一2 5 p p m 。c - 6 0p p m o c ii f b a r 无线传感节点电路与系统研究 1r1r 质量传感电路 f b a r 无线传感节点硬件架构 质量传感信息 采集处理电路 1 ) f b a r 振荡器 2 ) 温度特性无线收发电路电源管理 无线传感网协议研究 图1 5f b a r 无线传感器集成技术路线框图 绪论 基于薄膜体声波谐振器( f b a r ) 的单片集成无线传感网节点与系统是一个颇具前瞻 性的多学科交叉课题，涉及生物、材料、微电子、嵌入式、无线通信、计算机网络等多项 领域。本论文依托国家8 6 3 项目基于薄膜体声波谐振器技术的无线传感器集成研究 2 0 0 8 a a 0 4 2 3 0 9 和国家自然科学基金重点项目集成化射频高q 薄膜体声波谐振器 6 0 9 3 6 0 0 2 ，旨在针对f b a r 在微质量传感领域的特性和f b a r 与c m o s 工艺的兼容技术 进行研究，并将其应用于无线传感网节点终端，最终目标是实现传感器和驱动电路、信号 处理电路、无线收发电路的单芯片集成。 f b a r 无线传感器集成技术课题的技术路线如图1 5 所示，主要包括f b a r 设计制备 及传感特性研究、基于f b a r 的无线传感器单元电路与系统研究两大部分内容。前一部分 内容围绕f b a r 传感器的设计与制备，开展f b a r 的封装测试、建模及优化、质量传感特 性等方面的研究；后一部分内容主要是针对f b a r 无线传感器单元硬件架构的讨论和对无 线传感网协议的研究，以渐进的方式从系统设计推进到单芯片集成方案。 本论文以f b a r 无线传感器的单芯片集成为研究方向，对f b a r 的设计制备、传感特 性和f b a r 无线传感器单元电路与系统中的一些关键问题进行了探讨，并设计了微质量传 感信号处理芯片，为f b a r 无线传感器集成技术课题的方案论证及实现提供有益的帮助。 1 3 2 各章节内容安排 针对上节提到的f b a r 无线传感器集成技术面临的问题，结合力所能及的研究条件， 从f b a r 的测试着手，讨论f b a r 的建模，进而优化f b a r 的设计与制备，接下来对f b a r 无线传感应用环境进行阐述，分析了质量传感特性，提出一种微质量传感信号采集处理方 法并实现了该部分电路的设计。 第2 章主要阐述f b a r 器件的制备集成工艺与特性分析，首先对f b a r 的制备和集成 工艺进行研究，提出一种在c m o s 电路钝化层上集成制造f b a r 的新方法，然后讨论f b a r 的设计制备，并对f b a r 的设计，流片，测试等进行说明，最后分析f b a r 器件中的寄生 因素并建模，并提出一种加入寄生因素的新模型。第3 章是阐述了本课题的f b a r 无线传 感器的系统结构，分析应用环境的无线通信链路，并讨论发送电路的关键模块p a 的选型 和设计。第4 章重点阐述f b a r 的质量传感特性及传感信号采集处理电路，首先提出一种 利于集成的、低功耗、低噪声的电流重利用交叉耦合的f b a r 振荡结构，然后讨论f b a r 的微质量传感特性，并提出一种简单可靠、精度高的采用双路计数差频方式采集处理传感 信息的方法及其电路实现，并进行了流片测试。第5 章是总结和展望，对本论文的研究成 浙江人学硕上学位论文 果进行了总结，对论文不足之处及进一步的研究方向进行阐述。 f b a r 的制备、集成工艺研究及建模 2f b a r 的制备、集成工艺研究及建模 本章关注点在f b a r 器件的制备工艺与特性分析，主要针对f b a r 的设计制备、基本 特性测试、建模及集成等主题进行研究，其中第一节主要是对f b a r 的制备和集成工艺进 行研究，第二节讨论f b a r 的设计制备，并对f b a r 的设计，流片，测试等进行说明。第 三节分析f b a r 器件中的寄生因素，讨论f b a r 的建模，并提出一种加入寄生因素的新模 型，利用该模型可提高f b a r 仿真的精度，改善f b a r 器件性能。 2 1f b a r 集成工艺研究 2 1 1f b a r 制备工艺研究 在f b a r 的制备过程中，压电薄膜的生长是一个关键技术，可采用磁控溅射、激光溅 射、真空蒸发、化学气相沉积、分子束外延等多种方法进行。其中反应磁控溅射具有成膜 速率高、膜层致密、基片温度低、内应力小、附着力强等优点 4 2 】，故我们选用该工艺实 现a 1 n 薄膜的生长。 目前常见的f b a r 结构有空气隙型、固态装配型、硅反面刻蚀型等，如图2 1 所示。 其中空气隙型采用r fm e m s 的表面硅工艺，该工艺采用预埋牺牲层，比如硼硅玻璃、磷 硅玻璃或s i 0 2 等材料，在牺牲层上溅射三明治压电堆，然后通过刻蚀孔注入腐蚀液，将 预埋牺牲层除去，形成气隙结构。表面工艺的f b a r 工艺属于平面硅工艺，简单成熟，但 是由于往往刻蚀不完全，三明治压电堆下电极会粘附很多剩余材料，导致f b a r 谐振频率 偏移很大，即使是空间距离很近的两个f b a r 也可能会出现数十m h z 的频率偏移。固态 装配型f b a r 则无需借助于r fm e m s 工艺，与c m o s 工艺兼容性好，它需要制备多层 高低阻抗交替的声学层作为布拉格反射层，然后在布拉格反射层上制备压电堆结构。这种 类型的f b a r 机械牢度非常强，但最大的制备难处是需要沉积多层声学反射层，且每层厚 度需精确控制在四分之一波长，制备过程中常常因为声学层的淀积厚度不精确，影响f b a r 的q 值。硅反面刻蚀型f b a r 采用体硅工艺，首先在c m o s 硅上制备三明治压电堆，然 后刻蚀去除硅衬底材料形成空气腔声反射层，以限制声波在压电振荡堆内。这种类型的 f b a r 工艺简单，且q 值较高，缺点就是机械牢度不好，且背面体硅的刻蚀较难控制精度， 残留的硅会影响q 值，甚至可能使f b a r 难以起振。现有研究条件下，我们选用该方案。 硅反面刻蚀型纵波模式f b a r 的制备流程工艺相对简单，主要分7 步，见表2 1 1 三l 斯大学删l 学位论立 对于剪切波模式的f b a r ，设计流程同表2l 中所展示的纵波f b a r 类似，只是在制 极和背面刻蚀窗，因为是简化模型，所以尽量使用7 较少的掩膜版。反应离子刻蚀( r i e ， 刻蚀气体是氯气( c 1 2 ) 或氧气( n h 3 ) 。等离子体刻蚀与湿洼刻蚀相比，优点是等离子可 以容易地开始和结束，而且等离子对硅片上温度的微小变化不是那么敏感。等离子体刻蚀 连率高，且方向性很强，有很高的各向异性，这对于小的特征尺寸特别重要。 f 毛乒i 蓊骂笋 # g 口驸 i ? ! ：= = ：j = = 登 “。 十m i i # e 1 2 图2 1 常见的f b a r 结构 哀2 l 硅反面刻蚀型f b a r 制备流程 一s i l i c o n w a f e r 考虑到与c m o s 工艺兼容，硅片使用a i no f z n o r e s i s l e n t 低阻c m 0 s 硅，硅片厚度3 0 0 - 5 0 0 9 m ， _ b o t t o me l e c t r o d e 取向可以是( 0 0 1 ) 或( 1 1 0 ) 对其进u p p e re l e c t r o d e 行标准r c a 清洗以去除沾污颗拉和 c o l l l r a c th o l e 金属杂质，然后烘干，双面抛光 采用低压化学气相沉积( l p c v d ) 在 硅片正反面生长低应力的s i g n t 薄膜 ( 右田黄色) ，要求尽可能的平整光 滑上层作为支撑层，约厚2 0 0 r i m ，下 层作为刻蚀掩模层，约厚2 0 0 r i m 淀积a l 电极，厚度1 0 0 h m ，要求尽可 3 能的平整光滑，并采用l i f t - o f f 光刘下 ! ! ! = 。 电极a j ( 右图粉红色) 。 f b a r 的材蔷、皂成i 艺m r 建横 使用反应射频磁拉羲射方式在硅片抛 光面淀积a 1 n 或z n o 等压电材料( 右 _ 4 田蓝色h ( 0 9 0 2 ) c 轴取向，x p d 检 登h r 剥该衍射峰越高越好要求尽可能的 平整光礴。a 1 n 或z n o 厚度2 5 3 岫。 使用p o e 刻蚀压电薄膜，形成通孔( 右 田红色) r i e 采用电感耦合等离子 - - - - - _ _ _ 一 5 体刻蚀技术，刻蚀气体是c 1 2 或 n h 3 。 第二次硅片反面刻蚀，剡蚀背面多京 的硅，形成空气腔。可以先用湿洁腐 _ _ - _ - - _ _ 一 蚀再使用电感耦合等离子体( i c p ) 刻 性技术，形成尽可能垂直的到蚀窗， 井减少应力。 淀积a l 电极，厚度l o o m n 。要求尽可 r 7 能的平整光滑，采用l i f l _ o f f 光刻下电 极al ( 右田格红色1 。 2 12f b a r 与c m o s 工艺集成研究 由于f b a r 广阔的应用前景，对于f b a r 与c m o s 工艺集成的研究受到越来越多的 关注。目前主要有混台集成和单片集成两种集戚策略混合集成，即将f b a r 电路和原有 集成电路制作在两个相互独立的衬底上，然后用金属导线将两者键台到一起，构成完整电 路，这样f b a r 的m e m s 工艺和信号赴理电路的c m o s 工艺可以分别完成，不用考虑其 工艺兼容性4 3 1 。但该集成方法也有致命缺点，即机械牢固度不高，并不适合产品的批量 生产。单片集成方法是将f b a r 和f b a r 的信号处理集成电路制作在同一个硅片上，使用 c m o s 工艺实现f b a r 的信号处理集成电路，再使用后c m o s 工艺实现f b a r ，并通过 金属布线连接。1 9 9 3 年，美国专利u s5 2 6 0 ，5 9 6 中公开了此技术，虽然面积比采用不同 衬底的混合集成方法小，但由于是在同一衬底平面上制作、互连f b a r 和c m o s 电路， 工艺复杂，而且面积并不会减小太多。2 0 0 4 年，开始有文献报道基于此技术的f b a r 集 成实现 4 4 4 6 2 0 0 8 年，专利文献w o2 0 0 8 1 0 1 6 4 6 a 1 提出t 单片集成技术，是将f b a r 倒壁，用金属层支撑实现c m o s 电路的电气接触，并形成一个空气隙结构，该方法可进 浙江人学硕上学位论文 一步降低芯片面积，但仍然需要两套不同工艺单独制备f b a r 和c m o s 电路，且该方法 采用支撑结构，可靠性不够高，成品率会相对较低。上述集成技术，都需要单独一块硅片 面积用于制造f b a r ，制作在一个硅片上，而f b a r 一般面积在1 5 x 1 0 4 岬2 ，这对于硅 集成电路来说面积太大，成本太高。 总之，实现简单集成，并同时缩小f b a r 占用硅片面积是降低其成本的关键技术。因 此，需要一种对f b a r 集成工艺的需求，可实现f b a r 与原有集成电路工艺的单片集成， 芯片面积小，且结构可靠性高。 本论文针对f b a r 与c m o s 的集成问题，提出了一种新的集成制作方法，在c m o s 电路钝化层上方制备f b a r ，并申请了专利，公开号c n l 0 1 6 3 0 9 4 6 。该方法不另外占用硅 片面积，可大大减小芯片面积和成本，且结构简单可靠，便于传感，f b a r 与处理电路通 过互连通孔连接，可减小射频信号的反射，可用于多种射频系统及微小质量传感系统的单 芯片集成设计。 该结构由c m o s 电路、声波反射层和三明治压电振荡堆三部分集成，如图2 2 所示。 带有c m o s 电路的基片由可进行f b a r 信号处理的集成电路芯片，以及沉积在该电路上 且表面经过抛光的钝化层构成。钝化层的材料为二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、氮化硅 或光敏树脂( 如聚酰亚胺光敏树脂、苯并环丁烯光敏树脂或环氧光敏树脂等) ，厚度在 o 1 1 0 0 j m ，钝化层的沉积可以采用低压化学气相淀积设备等现有技术完成，再对钝化层 的表面经过化学机械抛光( c m p ) 等抛光处理，获得基片。 声波反射层位于基片的钝化层抛光表面，三明治压电振荡堆位于声波反射层表面。三 明治压电振荡堆和基片中的集成电路芯片使用互连通孔连接，互连通孔内灌注导电介质 ( 如钨等) ，以实现三明治压电堆和基片中的集成电路芯片的电路连接。为了不影响薄膜 体声波谐振器的正常工作，互连通孔的位置应该避开三明治压电堆的压电工作区。 用这种方法对薄膜体声波谐振器和c m o s 电路进行兼容集成，有众多优点： ( 1 ) f b a r 作为与集成电路配合的频率相关的功能器件，是位于原有集成电路之上， 可以大大减小整个电路的面积，提高集成度； ( 2 ) 采用接触孔技术实现互连，省去了键合线，减少互连寄生，可提高电路性能。 采用互连通孔连接f b a r 和集成电路，降低了射频信号的互扰； ( 3 ) 钝化层对集成电路部分起到保护作用，特别是对单片集成的f b a r 传感器； ( 4 ) 机械牢度强，结构简单可靠，便于传感，非常适于恶劣环境的高性能射频或传 感系统应用。 1 6 f b a r 的制备，集成工艺研究及建模 2 2 f b a r 的制备 图2 - 2c m o s 钝化层上集成制备f b a r 横截面 2 2 1f b a r 流片及测试 c e 目前已采用上述设计流程设计了纵波和剪切波模式的多个类型的f b a r ，一些主要结 构设计如下见图2 3 其中( a ) 为采用正方形电极纵波f b a r ，用来检验基本的纵波f b a r 的性能；( b ) 为采用五边形上电极的纵波f b a r ，该结构任意两边不平行，便于消除剪切方 向驻波形成的条件，用以检测q 值及噪声特性的改善情况；( c ) 为采用不规则四边形上电 极的纵波f b a r ，设计理由同( b ) 一样；( d ) 为剪切波f b a r ，用来检验基本的剪切波f b a r 的性能；( e ) 为采用叉指电极剪切波f b a r ，此结构有利于增加f b a r 的功率容量，电极间 距从l l l a n 至1 7 1 n n 不等，是为了尽量规