CN111403334B - 晶体谐振器与控制电路的集成结构及其集成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种晶体谐振器与控制电路的集成结构及其集成方法。通过在器件晶圆中形成下空腔以及在基板中形成上空腔，并利用键合工艺使器件晶圆和基板键合，以将压电谐振片夹持在器件晶圆和基板之间，并使下空腔和上空腔分别对应在压电谐振片的两侧以构成晶体谐振器，同时还使晶体谐振器电连接控制电路，实现了晶体谐振器和控制电路的集成设置。相比于传统的晶体谐振器，本发明中的晶体谐振器具备更小的尺寸，有利于降低晶体谐振器的功耗，并且本发明中的晶体谐振器更也易于与其他半导体元器件集成，从而能够提高器件的集成度。

Description

晶体谐振器与控制电路的集成结构及其集成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种晶体谐振器与控制电路的集成结构及其集成方法。
背景技术
晶体谐振器是利用压电晶体的逆压电效应制成的谐振器件，是晶体振荡器和滤波器的关键元件，被广泛应用于高频电子信号，实现精确计时、频率标准和滤波等测量和信号处理***中必不可少的频率控制功能。
随着半导体技术的不断发展，以及集成电路的普及，各种元器件的尺寸也趋于小型化。然而，目前的晶体谐振器不仅难以与其他半导体元器件集成，并且晶体谐振器的尺寸也较大。
例如，目前常见的晶体谐振器包括表面贴装型晶体谐振器，其具体是将基座和上盖通过金属焊接(或者，粘接胶)粘合在一起，以形成密闭腔室，晶体谐振器的压电晶片位于所述密闭腔室中，并且使压电晶片两侧的电极通过焊盘或者引线与相应的电路电性连接。基于如上所述的晶体谐振器，其器件尺寸很难进一步缩减，并且所形成的晶体谐振器还需要通过焊接或者粘合的方式与对应的集成电路电性连接，从而进一步限制了所述晶体谐振器的尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶体谐振器与控制电路的集成方法，以解决现有的晶体谐振器其尺寸较大且不易于集成的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种晶体谐振器与控制电路的集成方法，包括：
提供器件晶圆，所述器件晶圆中形成有控制电路，并刻蚀所述器件晶圆以形成所述晶体谐振器的下空腔；
提供基板，并刻蚀所述基板以形成所述晶体谐振器的上空腔，所述上空腔和所述下空腔对应设置；
形成包括上电极、压电晶片和下电极的压电谐振片，所述上电极、所述压电晶片和所述下电极形成在所述器件晶圆和所述基板其中之一上；
在所述器件晶圆或所述基板上形成连接结构；以及，
键合所述器件晶圆和所述基板，以使所述压电谐振片位于所述器件晶圆和所述基板之间，以及使所述上空腔和所述下空腔分别位于所述压电谐振片的两侧，并通过所述连接结构使所述压电谐振片的上电极和下电极均与所述控制电路电性连接。
本发明的又一目的在于提供一种晶体谐振器与控制电路的集成结构，包括：
器件晶圆，所述器件晶圆中形成有控制电路，以及在所述器件晶圆中还形成有下空腔；
基板，所述基板和所述器件晶圆相互键合，并且所述基板中形成有上空腔，所述上空腔的开口和所述下空腔的开口相对设置；
压电谐振片，包括下电极、压电晶片和上电极，所述压电谐振片位于所述器件晶圆和所述基板之间，并且所述压电谐振片的两侧分别对应所述下空腔和所述上空腔；以及，
连接结构，设置在所述器件晶圆和所述基板之间，并通过所述连接结构使所述压电谐振片的下电极和上电极均与所述控制电路电性连接。
在本发明提供的晶体谐振器与控制电路的集成方法中，通过半导体平面工艺分别在器件晶圆和基板中形成下空腔和上空腔，并利用键合工艺键合基板和器件晶圆，以将压电谐振片夹持在器件晶圆和基板之间，并使下空腔和上空腔分别对应在压电谐振片相对的两侧以构成晶体谐振器，从而实现控制电路和晶体谐振器的集成设置。如此，不仅使晶体谐振器能够与其他半导体元器集成，提高器件的集成度；并且，相比于传统的晶体谐振器(例如，表面贴装型晶体谐振器)，通过本发明提供的形成方法所形成的晶体谐振器的尺寸更小，能够实现晶体谐振器的小型化，有利于减少制备成本和降低晶体谐振器的功耗。
附图说明
图1为本发明一实施例中的晶体谐振器与控制电路的集成方法的流程示意图；
图2a～图2g为本发明实施例一中的晶体谐振器与控制电路的集成方法在其制备过程中的结构示意图；
图3a～图3e为本发明实施例三中的晶体谐振器与控制电路的集成方法在其制备过程中的结构示意图。
其中，附图标记如下：
100-器件晶圆； AA-器件区；
100A-基底晶圆； 100B-介质层；
110-控制电路；
111-第一电路；
111T-第一晶体管； 111C-第一互连结构；
112-第二电路；
112T-第一晶体管； 112C-第一互连结构；
120-下空腔；
210-下电极；
220-压电晶片；
230-上电极；
300-基板； 310-上空腔；
410-第一塑封层； 420-第二塑封层；
510-互连线； 520-导电插塞。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供了一种晶体谐振器与控制电路的集成方法及其集成结构，以提高所形成的晶体谐振器的集成度并有利于缩小器件尺寸。图1为本发明一实施例中的晶体谐振器与控制电路的集成方法的流程示意图，如图1所示，所述晶体谐振器与控制电路的集成方法包括：
步骤S100，提供器件晶圆，所述器件晶圆中形成有控制电路，并刻蚀所述器件晶圆以形成所述晶体谐振器的下空腔；
步骤S200，提供基板，并刻蚀所述基板以形成所述晶体谐振器的上空腔，所述上空腔和所述下空腔对应设置；
步骤S300，形成包括上电极、压电晶片和下电极的压电谐振片，所述上电极、所述压电晶片和所述下电极形成在所述器件晶圆和所述基板其中之一上；
步骤S400，在所述器件晶圆或所述基板上形成连接结构；
步骤S500，以使所述压电谐振片位于所述器件晶圆和所述基板之间，以及使所述上空腔和所述下空腔分别位于所述压电谐振片的两侧，并通过所述连接结构使所述压电谐振片的上电极和下电极均与所述控制电路电性连接。
即，本发明中，利用半导体平面工艺将晶体谐振器和控制电路集成在一起。一方面，可以进一步缩减所形成的晶体谐振器的整体器件尺寸，另一方面，还可使所述晶体谐振器能够与其他半导体元器件集成，提高器件的集成度。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的晶体谐振器与控制电路的集成方法及其集成结构作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
图2a～图2g为本发明实施例一中的晶体谐振器与控制电路的集成方法在其制备过程中的结构示意图。以下结合附图对本实施例中的各个步骤进行详细说明。
在步骤S100中，具体参考图2a和图2b所示，提供器件晶圆100，在所述器件晶圆100中形成有控制电路110，并刻蚀所述器件晶圆100以形成所述晶体谐振器的下空腔120。即，所述下空腔120从所述器件晶圆100的正面暴露出，以及所述控制电路110例如用于在后续所形成的压电晶片的两侧施加电信号。
其中，可以在同一器件晶圆100上同时制备多个晶体谐振器，因此在所述器件晶圆100上对应定义有多个器件区AA，每一所述器件区AA用于形成一个晶体谐振器，所述控制电路110形成在所述器件区AA中。
进一步的，所述控制电路110包括第一电路111和第二电路112，所述第一电路111和第二电路112用于与后续所形成的压电晶片两侧的上电极和下电极电性连接。
继续参考图2a所示，所述第一电路111包括第一晶体管111T和第一互连结构111C，所述第一晶体管111T掩埋在所述器件晶圆100中，所述第一互连结构111C与所述第一晶体管111T连接并延伸至所述器件晶圆100的正面。其中，所述第一互连结构111C包括分别与所述第一晶体管111T的栅极、源极和漏极电性连接的导电插塞。
类似的，所述第二电路112包括第二晶体管112T和第二互连结构112C，所述第二晶体管112T掩埋在所述器件晶圆100中，所述第二互连结构112C与所述第二晶体管112T连接并延伸至所述器件晶圆100的正面。其中，所述第二互连结构112C包括分别与所述第二晶体管112T的栅极、源极和漏极电性连接的导电插塞。
其中，所述控制电路110的形成方法包括：
首先，提供一基底晶圆100A，并在所述基底晶圆100A上形成第一晶体管111T和第二晶体管112T；以及，
接着，在所述基底晶圆100A上形成介质层100B，所述介质层100B覆盖所述第一晶体管111T和所述第二晶体管112T，并在所述介质层100B中形成第一互连结构111C和第二互连结构112C，以形成所述器件晶圆100。
即，所述器件晶圆100包括基底晶圆100A和形成在所述基底晶圆100A上的介质层100B。以及，所述第一晶体管111T和所述第二晶体管112T均形成在所述基底晶圆100A上，所述介质层100B覆盖所述第一晶体管111T和第二晶体管112T，所述第一互连结构111C和所述第二互连结构112C均形成在所述介质层100B中并延伸至所述介质层100B的表面。
本实施例中，所述基底晶圆100A可以为硅晶圆，也可以为绝缘体上硅晶圆(silicon-on-insulator，SOI)。当所述基底晶圆100A为绝缘体上硅晶圆时，则所述基底晶圆可具体包括沿着由背面100D至正面100U依次层叠设置的底衬层、掩埋氧化层和顶硅层。
继续参考图2b所示，本实施例中，所述下空腔120形成在所述器件晶圆100的所述介质层100B中，并位于所述器件区AA中，其中可通过刻蚀所述介质层100B以形成所述下空腔120。其中，所述下空腔120的深度可以根据实际需求调整，此处不做限定。例如，可使所述下空腔120仅形成在所述介质层100B中，或者可以使所述下空腔120从所述介质层100B进一步延伸至所述基底晶圆100A中等。
此外，当所述基底晶圆100A为绝缘体上硅晶圆时，则在形成所述下空腔时，还可进一步刻蚀顶硅层，以使所述下空腔从介质层进一步延伸至所述掩埋氧化层。
需要说明的是，附图中仅为示意性的标示出了下空腔120、第一电路和第二电路之间的位置关系，应当认识到在具体方案中可根据实际电路的布局对应调整第一电路和第二电路的的排布方式，此处不予限定。
在步骤S200中，具体参考图2c所示，提供基板300，并刻蚀所述基板300以形成所述晶体谐振器的上空腔310，所述上空腔310和所述下空腔120对应设置。其中，所述上空腔310的深度可以根据实际需求调整，此处不做限定。在后续形成键合基板300器件晶圆100时，所述上空腔310和所述下空腔120分别对应在所述压电谐振片的两侧。
与所述器件晶圆100相对应的，所述基板300上也定义有多个器件区AA，器件晶圆100的多个器件区和基板的多个器件区相互对应，所述下空腔120即形成在所述器件区AA中。
在步骤S300中，形成包括上电极、压电晶片和下电极的压电谐振片，所述上电极、所述压电晶片和所述下电极形成在所述器件晶圆100的正面和所述基板300的其中之一上。
即，可使包括上电极、压电晶片和下电极的压电谐振片均形成在所述器件晶圆100的正面上，或均形成在所述基板300上；或者，使所述压电谐振片的下电极形成在所述器件晶圆的正面上，所述压电谐振片的上电极和压电晶片依次形成在所述基板上；或者，使所述压电谐振片的下电极和压电晶片依次形成在所述器件晶圆的正面上，所述压电谐振片的上电极形成在所述基板上。
本实施例中，所述压电谐振片的上电极、压电晶片和下电极均形成在所述基板300上。具体的，在所述基板300上形成所述压电谐振片的方法包括如下步骤。
步骤一，具体参考图2c所示，在所述基板300表面的设定位置上形成上电极230。本实施例中，所述上电极230位于所述上空腔310的***，在后续工艺中，使所述上电极230与控制电路110电性连接，具体使所述上电极230与所述第二电路112的所述第二互连结构电性连接。
步骤二，继续参考图2c所示，键合压电晶片220至所述上电极230。本实施例中，所述压电晶片220位于所述上空腔310的上方，并且所述压电晶片220的边缘搭接在所述上电极230上。其中，所述压电晶片220例如可以为石英晶片。
本实施例中，所述上空腔310的尺寸小于所述压电晶片220的尺寸，以利于将所述压电晶片220的边缘搭载于所述基板的表面上并封盖所述上空腔310的开口。
然而，在其他实施例中，所述上空腔例如具有第一空腔和第二空腔，所述第一空腔相对于第二空腔位于所述基底的更深位置中，第二空腔靠近所述基底的表面，并且第一空腔的尺寸小于所述压电晶片220的尺寸，以及第二空腔的尺寸大于压电晶片的尺寸。基于此，即可使所述压电晶片220的边缘搭载在所述第一空腔上，并使所述压电晶片220至少部分被容纳在所述第二空腔中。此时可以认为，所述上空腔的开口尺寸大于所述压电晶片的宽度尺寸。
进一步的，所述上电极230从所述压电晶片220的下方横向延伸出，以构成上电极延伸部。在后续工艺中，即可通过所述上电极延伸部使所述上电极230连接至所述第二电路112的第二互连结构。
步骤三，具体参考图2d所示，在所述压电晶片220上形成下电极210。其中，所述下电极210还可以暴露出所述压电晶片220的中间区域。在后续工艺中，使所述下电极210与控制电路110电性连接，具体的使下电极210与所述第一电路111的所述第一互连结构电性连接。
即，所述控制电路110中，第一电路111与下电极210电性连接，第二电路112与上电极230电性连接，以分别对所述下电极210和所述上电极230施加电信号，从而可在下电极210和所述上电极230之间产生电场，进而使位于所述上电极230和所述下电极210之间的所述压电晶片220能够在所述电场的作用下发生机械形变。其中，所述压电晶片220可随着所述电场的大小发生相应程度的机械形变，以及当上电极230和下电极210之间的电场方向相反时，则压电晶片220的形变方向也随之改变。因此，在利用所述控制电路110对上电极230和下电极210施加交流电时，则压电晶片220的形变方向会随着电场的正负作收缩或膨胀的交互变化，从而产生机械振动。
本实施例中，在所述基板300上形成所述下电极210的方法例如包括如下步骤。
第一步骤，具体参考图2d，在所述基板300上形成第一塑封层410，所述第一塑封层410覆盖所述基板300并暴露出所述压电晶片220。需要说明的是，本实施例中，所述上电极230形成在所述压电晶片220下方并从所述压电晶片220横向延伸出，以构成上电极延伸部，因此所述第一塑封层410还覆盖所述上电极230的上电极延伸部。
进一步的，所述第一塑封层410的表面不高于压电晶片220的表面。本实施例中，通过平坦化工艺形成所述第一塑封层410，以使所述第一塑封层410的表面与所述压电晶片220的表面齐平。
第二步骤，继续参考图2d，在所述压电晶片220的表面上形成下电极210，并且所述下电极210还从所述压电晶片220上横向延伸至所述第一塑封层410上，以构成下电极延伸部。在后续工艺中，即可通过所述下电极延伸部使所述下电极210连接至控制电路(具体连接至所述第一电路111的第一互连结构)。
其中，所述下电极210和所述上电极230的材质可均包括银。以及，可依次利用薄膜沉积工艺或蒸镀工艺形成所述上电极230和所述下电极210。
需要说明的是，本实施例中，通过半导体工艺将所述上电极230、压电晶片220和下电极210依次形成在所述基板300上。然而，在其他实施例中，也可将上电极和下电极分别形成在压电晶片的两侧上，并将三者作为整体键合至所述基板上。
可选的方案中，在形成所述下电极210之后，还包括：在所述第一塑封层410上形成第二塑封层，以使所述基板300的表面更为平坦，从而有利于后续的键合工艺。
具体参考图2e所示，在所述第一塑封层410上形成第二塑封层420，所述第二塑封层420的表面不高于所述下电极210的表面以暴露出所述下电极210。本实施例中，可通过平坦化工艺形成所述第二塑封层420，以使所述第二塑封层420的表面与所述下电极210的表面齐平。以及，所述第二塑封层420还可暴露出所述压电晶片220的中间区域，从而在后续工艺中将所述基板300键合至所述器件晶圆100上时，即可使所述压电晶片220的中间区域对应在器件晶圆100的下空腔120中。
在步骤S400中，在所述器件晶圆100或所述基板300上形成连接结构。在后续工艺，即可通过所述连接结构，实现基板300上的下电极210电性连接至器件晶圆100的控制电路上(具体连接至第一电路的第一互连结构上)，以及实现基板300上的上电极230电性连接至器件晶圆100的控制电路上(具体连接至第二电路的第二互连结构上)。
具体的，所述连接结构包括第一连接件和第二连接件，其中所述第一连接件连接所述第一互连结构和所述压电谐振片的下电极210，所述第二连接件连接所述第二互连结构和所述压电谐振片的上电极230。
继续参考图2e所示，本实施例中，所述下电极210暴露于所述第二塑封层420的表面并具有下电极延伸部，以及所述第一电路的第一互连结构的顶部也暴露于所述器件晶圆100的表面，因此在键合器件晶圆100和基板300时，即可以使下电极210位于所述器件晶圆100的表面上，并使下电极延伸部连接所述第一电路111的第一互连结构。此时可以认为，所述下电极210的下电极延伸部直接构成所述第一连接件。
当然，在其他实施例中，还可以在键合器件晶圆100和基板300之前，在所述器件晶圆100上形成第一连接件，并使所述第一连接件与所述第一互连结构电连接。以及，在键合器件晶圆100和基板300时，使所述第一连接件电连接所述下电极210。此时，所述第一连接件例如包括重新布线层，所述重新布线层和所述第一互连结构连接，在键合器件晶圆100和基板300时，所述重新布线层即与所述下电极210电连接。
接着参考图2f，所述上电极230掩埋在所述第一塑封层410中，因此可进一步通过所述第二连接件使上电极230的上电极延伸部连接所述第二电路112的第二互连结构。
本实施例中，所述上电极230和所述压电晶片220依次形成在所述基板300上，进而可以在所述基板300上形成所述第二连接件，所述第二连接件与所述上电极230电连接。具体的，用于连接所述上电极230和所述第二电路112的第二连接件包括导电插塞520。
其中，所述第二连接件的所述导电插塞520的形成方法包括：
首先，在所述基板300的表面上形成塑封层；本实施例中，所述第一塑封层410和所述第二塑封层420即构成所述塑封层；
接着，在所述塑封层中开设通孔，所述通孔暴露出所述上电极230，并在所述通孔中填充导电材料以形成导电插塞520，所述导电插塞520的一端电连接所述上电极230。具体而言，所述导电插塞520与所述上电极230的上电极延伸部连接。
本实施例中，即依次刻蚀所述第二塑封层420和所述第一塑封层410，以形成所述通孔，并在所述通孔中填充导电材料以形成导电插塞520，所述导电插塞520的一端电连接所述上电极230，所述导电插塞520的另一端暴露于所述第二塑封层420的表面，从而在键合所述器件晶圆100和所述基板300时，可使所述导电插塞520的另一端电连接至所述第二互连结构。
在步骤S500中，具体参考图2g所示，在器件晶圆100的正面上键合所述基板300，以使压电谐振片位于所述器件晶圆100和所述基板300之间，以及使所述上空腔310和所述下空腔120分别位于所述压电谐振片200的两侧，以构成晶体谐振器。以及，通过所述连接结构使所述压电谐振片200的上电极230和下电极210均与所述控制电路电性连接。
如上所述，本实施例中，在键合所述器件晶圆100和所述基板300之后，所述控制电路中，第一电路111通过第一连接件(即，下电极延伸部)与所述下电极210电性连接，所述第二电路112通过第二连接件(即导电插塞520)与所述上电极230电性连接。如此，即可通过所述控制电路，在所述压电晶片220的两侧施加电信号，以使所述压电晶片220发生形变并在所述上空腔310和所述下空腔120振动。
其中，所述器件晶圆和所述基板的键合方法例如包括：在所述器件晶圆100和/或所述基板300上形成粘合层，并利用所述粘合层使所述器件晶圆100和所述基板300相互键合。具体的，可以在形成有压电晶片的基底上形成所述粘合层，并使所述压电晶片的表面暴露于所述粘合层的表面，接着，再利用所述粘合层和未形成有所述压电晶片的基底相互键合。
本实施例中，所述压电谐振片200形成在所述基板300上，则所述器件晶圆100和所述基板300的键合方法例如包括：在所述基底300上形成粘合层，并且所述压电谐振片200的表面暴露于所述粘合层的表面，接着即可利用所述粘合层使所述基板300和所述器件晶圆100相互键合。
即，本实施例中，所述压电谐振片200的上电极230、压电晶片220和下电极210均形成在所述基板300上，并使所述压电谐振片200封盖上空腔310的开口，以及在执行键合工艺之后使下空腔120对应在所述压电谐振片200背离所述上空腔310的一侧以构成晶体谐振器，并使所述晶体谐振器与器件晶圆100中的控制电路电性连接，由此实现了晶体谐振器和控制电路的集成设置。
实施例二
与实施例一的区别在于，本实施例中，所述压电谐振片200的上电极230、压电晶片220和下电极210均形成在所述器件晶圆100的正面上，并使所述压电谐振片200封盖下空腔120的开口，以及所形成的晶体谐振器与器件晶圆100中的控制电路电性连接，接着再执行键合工艺，以使上空腔310对应在所述压电谐振片200背离所述下空腔120的一侧以构成晶体谐振器，由此实现了晶体谐振器和控制电路的集成设置。
具体的，在步骤S300中，将所述压电谐振片形成在所述器件晶圆100上的方法包括：
首先，在所述器件晶圆100表面的设定位置上形成下电极210；本实施例中，所述下电极210位于所述下空腔120的***；
接着，键合压电晶片220至所述下电极210；本实施例中，所述压电晶片220位于所述下空腔120的上方，并封盖所述下空腔120的开口，以及所述压电晶片220的边缘搭载在所述下电极210上；
接着，在所述压电晶片220上形成所述上电极230。
当然，在其他实施例中，也可将上电极和下电极分别形成在压电晶片的两侧上，并将三者作为整体键合至所述器件晶圆100上。
以及，在步骤S400中，在所述器件晶圆100上形成所述连接结构。所述连接结构包括用于电连接下电极的第一连接件和用于电连接上电极的第二连接件。
其中，所述下电极210相对于所述压电晶片220延伸出，以构成下电极延伸部，所述下电极延伸部即可构成第一连接件，用于实现下电极210与控制电路连接。
进一步的，所述第二连接件可以在形成所述压电晶片220之后，以及形成所述上电极230之前形成。具体的，在形成所述上电极之前形成所述第二连接件，并使所述第二连接件和上电极电性连接的方法包括如下步骤。
步骤一，在所述器件晶圆100的表面上形成塑封层；本实施例中，所述塑封层覆盖所述器件晶圆100的表面并暴露出所述压电晶片220；
步骤二，在所述塑封层中开设通孔，并在所述通孔中填充导电材料以形成导电插塞，所述导电插塞的底部电性连接至所述第二互连结构，所述导电插塞的顶部暴露于所述塑封层；
步骤三，在所述器件晶圆100上形成所述上电极230之后，所述上电极230至少部分覆盖所述压电晶片220，并进一步延伸出所述压电晶片至所述导电插塞的顶部，以使所述上电极230和所述导电插塞电性连接。即，所述上电极230中从压电晶片延伸出的上电极延伸部直接与所述导电插塞电性连接。
或者，步骤三中，在形成所述上电极230于所述压电晶片220上之后，还可在所述上电极230上形成互连线，所述互连线从所述上电极延伸至所述导电插塞的顶部，以使所述上电极通过所述互连线和所述导电插塞电性连接。即，在所述上电极230通过一互连线与所述导电插塞电性连接。
本实施例的步骤S500中，键合所述器件晶圆100和所述基板300的方法包括：首先，在所述器件晶圆100上形成粘合层，并使所述压电晶片的表面暴露于所述粘合层；接着，利用所述粘合层，键合所述器件晶圆100和所述基板300。
执行键合工艺之后，即可使基板300中的上空腔对应在所述压电晶片220背离所述下空腔的一侧。其中，所述上空腔的尺寸可以大于所述压电晶片的尺寸，从而使所述压电晶片位于所述上空腔内。
实施例三
实施例一和实施例二中，包括上电极、压电晶片和下电极的压电谐振片均形成在基板或所述器件晶圆上。而与上述实施例的区别在于，本实施例中上电极和压电晶片形成在基板上，下电极形成在器件晶圆上。
图3a～图3e为本发明实施例三中的晶体谐振器与控制电路的集成方法在其制备过程中的结构示意图，以下结合附图对本实施例中形成晶体谐振器的各个步骤进行详细说明。
在步骤S100和步骤S300中，重点参考图3a所示，提供器件晶圆100，所述器件晶圆100中形成有控制电路，并在所述器件晶圆100的表面上形成下电极210，所述下电极210位于所述下空腔120的***并与所述控制电路电性连接。其中，所述下电极可以利用蒸镀工艺或者薄膜沉积工艺形成。
具体的，所述下电极210覆盖所述第一电路111的所述第一互连结构，以和所述第一电路111电性连接。此外，在形成所述下电极210时，还可同时在所述器件晶圆100上互连线510，所述互连线510覆盖所述第二电路112的第二互连结构，以和所述第二电路112连接。
进一步的，在形成在所述下电极210之后，还包括：在所述器件晶圆100上形成第二塑封层420，所述第二塑封层420的表面不高于所述下电极210，以暴露出所述下电极210。本实施例中，所述第二塑封层420的表面也不高于互连线510的表面，以暴露出所述互连线510。在后续执行键合工艺之后，即可使所述下电极210设置在压电晶片的一侧，以及使互连线510与位于压电晶片另一侧的上电极电性连接。
其中，可通过平坦化工艺形成所述第二塑封层420，以使所述第二塑封层420的表面与所述下电极210的表面齐平，如此即可有效提高器件晶圆100的表面平坦度，有利于实现后续的键合工艺。
继续参考图3b所述，本实施例中，在依次形成所述下电极210和所述第二塑封层420之后，依次刻蚀所述第二塑封层420和所述介质层100B以形成下空腔120，并使所述下电极210围绕在所述下空腔120的***。
在步骤S200和步骤S300中，具体参考图3c所示，提供基板300，并在基板300对应上空腔的上方依次形成上电极230和压电晶片220。其中，所述上电极可以利用蒸镀工艺或者薄膜沉积工艺形成，以及所述压电晶片键合至所述上电极上。
具体的，所述上电极230围绕在上空腔310的***，在后续工艺中，使所述上电极230电性连接器件晶圆100上的互连线510，以使所述上电极230与所述第二电路112的所述第二互连结构电性连接。以及，所述压电晶片220的中间区域对应基板300中的上空腔310，所述压电晶片220的边缘搭接在所述上电极230上，并且所述上电极230从所述压电晶片220的下方横向延伸出，以构成上电极延伸部。
继续参考图3c所示，本实施例中，在形成所述压电晶片220之后还包括：在所述基板300上形成第一塑封层410，所述第一塑封层410覆盖所述基板300和所述上电极230的上电极延伸部，并且所述第一塑封层410的表面不高于压电晶片220的表面，以暴露出所述压电晶片220。
类似的，本实施例中，也可通过平坦化工艺形成所述第一塑封层410，以使所述第一塑封层410的表面与所述压电晶片220的表面齐平，如此即可所述基板300的表面更为平坦，从而有利于后续的键合工艺。
在步骤S400中，具体参考图3d所示，在所述器件晶圆或所述基板上形成连接结构。所述连接结构包括第一连接件和第二连接件。
通过形成所述连接结构，从而在后续的键合工艺中，可以使基板300上的上电极230电性连接至器件晶圆100的第二电路112。需要说的是，本实施例中，所述下电极210的下电极延伸部构成所述第一连接件。以及，所述上电极230掩埋在所述第一塑封层410中，因此可进一步通过所述第二连接件使上电极230的上电极延伸部电性连接所述第二电路112的第二互连结构。
具体参考图3d所示，用于连接所述上电极230和所述第二电路112的第二连接件的形成方法包括：
首先，在所述基板100的表面上形成塑封层，本实施例中所述塑封层即包括所述第一塑封层410；
接着，刻蚀所述塑封层，以形成一通孔；本实施例中，即刻蚀所述第一塑封层410，所述通孔暴露出所述上电极230的所述上电极延伸部，并在所述通孔中填充导电材料以形成导电插塞520，所述导电插塞520的顶部暴露于所述第一塑封层410的表面。具体而言，所述导电插塞520与所述上电极230的上电极延伸部连接。如此，即可所述上电极230通过所述导电插塞520和所述互连线510电连接至第二电路112。
在步骤S500中，具体参考图3e所示，键合所述器件晶圆100和所述基板300，以使所述压电晶片220背离所述上空腔310的一侧对应所述下空腔120，此时位于所述器件晶圆100上的下电极210相应的位于所述压电晶片220远离所述上电极230的一侧。
本实施例中，键合所述器件晶圆100和所述基板300的方法包括：首先，在所述基板300上形成粘合层，并使所述压电晶片220的表面暴露于所述粘合层；接着，利用所述粘合层，键合所述器件晶圆和所述基板。
具体的，在键合所述器件晶圆100和所述基板300后，即可使器件晶圆100上与第二电路112连接的互连线510，能够与基板300上与上电极230连接的导电插塞520电接触，从而使上电极230电性连接所述第二电路112。
基于如上所述的形成方法，本实施例中对所形成的晶体谐振器的结构进行说明，具体可参考图2g或图3e所示，所述晶体谐振器包括：
器件晶圆100，所述器件晶圆100中形成有控制电路，以及在所述器件晶圆100中还形成有下空腔120，所述下空腔120的开口朝向所述基板300；
基板300，键合在所述器件晶圆100的正面上，并且所述基板300中形成有上空腔310，所述上空腔310的开口朝向所述器件晶圆100，即所述上空腔310的开口和所述下空腔120的开口相对设置；
压电谐振片200，包括下电极210、压电晶片220和上电极230，所述压电谐振片200位于所述器件晶圆100和所述基板300之间，并且所述压电谐振片200的两侧分别对应所述下空腔120和所述上空腔310；
连接结构，设置在所述器件晶圆100和所述基板300之间，并通过所述连接结构使所述压电谐振片的下电极210和上电极230均与所述控制电路电性连接。
即，利用半导体平面工艺，分别在器件晶圆100和基板300上分别形成下空腔120和上空腔310，并通过键合工艺使上空腔120和下空腔310对应，并分别设置在压电晶片220相对的两侧，从而可基于控制电路使所述压电晶片220能够在所述上空腔310和所述下空腔120中震荡，由此即实现了晶体谐振器和控制电路的集成设置，有利于实现片上调制晶体谐振器的温度漂移和频率矫正等原始偏差。并且，基于半导体工艺所形成的晶体谐振器其的尺寸更小，从而还能够进一步降低器件功耗。
继续参考图2g或图3e所示，所述控制电路包括第一电路111和第二电路112，所述第一电路111和所述第二电路112与所述下电极210和所述上电极230电性连接。
其中，所述第一电路111包括第一晶体管111T和第一互连结构111C，所述第一晶体管111T掩埋在所述器件晶圆100中，所述第一互连结构111C与所述第一晶体管111T连接并延伸至所述器件晶圆100的表面，以和所述下电极210电性连接。
所述第二电路112包括第二晶体管112T和第二互连结构112C，所述第二晶体管112T掩埋在所述器件晶圆100中，所述第二互连结构112C与所述第二晶体管112T连接并延伸至所述器件晶圆100的表面，以和所述上电极230电性连接。
在控制所述压电晶片220的振动时，通过对所述上电极230和所述下电极210施加电信号，以在所述上电极230和所述下电极210之间产生电场，从而使所述压电晶片220在所述电场的作用下发生机械形变。其中，所述上电极230和所述下电极210的材质例如均包括银，所述压电晶片220的材质例如包括石英材料。
进一步的，所述连接结构包括第一连接件和第二连接件，所述第一连接件连接所述第一互连结构111C和所述压电谐振片的下电极210，所述第二连接件连接所述第二互连结构112C和所述压电谐振片的上电极230。
本实施例中，所述下电极210围绕在所述下空腔120的***，并且还横向延伸出所述压电晶片220以构成下电极延伸部，所述下电极延伸部覆盖第一电路的所述第一互连结构111C，以和所述第一互连结构111C电性连接。因此，可以认为，所述下电极延伸部即构成所述第一连接件。
以及，所述上电极230围绕在所述上空腔310的***，并且还横向延伸出所述压电晶片220以构成上电极延伸部。其中，所述上电极230的所述上电极延伸部即可通过所述第二连接件与所述第二电路112的所述第二互连结构112C电性连接。
具体的，在所述器件晶圆100和所述基板300之间还设置有塑封层，所述塑封层包覆所述压电晶片220的侧壁，并覆盖所述上电极延伸部和所述下电极延伸部。所述第二连接件包括导电插塞520，所述导电插塞400贯穿所述塑封层，以使所述导电插塞520的一端连接至所述上电极延伸部，所述导电插塞520的另一端电连接所述第二电路112，以利用所述导电插塞520实现上电极230和所述第二电路112电性连接。
在一个具体实施方式中，例如参考图2g所示，所述塑封层包括层叠设置的第一塑封层410和第二塑封层420，所述第一塑封层410相对于所述第二塑封层420更靠近所述基板300。其中，所述第一塑封层410朝向所述器件晶圆100表面与所述压电晶片220朝向所述器件晶圆100的表面齐平，所述第二塑封层420朝向所述器件晶圆100的表面与所述下电极210朝向所述器件晶圆100的表面齐平。可以认为，所述第二塑封层420朝向所述第一器件晶圆100的表面即构成第二器件晶圆300的键合面。
本实施例中，所述导电插塞520贯穿所述第一塑封层410和所述第二塑封层420，因此键合后的器件晶圆100和基板300中，导电插塞520延伸至所述器件晶圆100的表面，以使所述导电插塞520的一端和所述上电极延伸部连接，所述导电插塞520的另一端和所述第二电路112的第二互连结构连接。
当然，在其他实施例中，还可使所述第二连接件还包括一互连线，所述互连线的一端覆盖所述上电极230，所述互连线的另一端覆盖所述导电插塞520。
此时，还可使所述塑封层中，第一塑封层410朝向所述器件晶圆100表面与所述压电晶体220朝向所述器件晶圆100的表面齐平，以利用所述第一塑封层410朝向所述器件晶圆100的表面构成基板300的键合面；以及，所述第二塑封层420朝向所述基板300的表面与所述下电极210朝向所述基板100的表面齐平，以利用所述第二塑封层420朝向所述基板300的表面构成器件晶圆100的键合面。
继续参考图2g或图3e所示，本实施例中，所述器件晶圆100包括基底晶圆100A和介质层100B。其中，所述第一晶体管111T和所述第二晶体管112T均形成在所述基底晶圆100A上，所述介质层100B形成在所述基底晶圆100A上并覆盖所述第一晶体管111T和所述第二晶体管112T，以及所述第一互连结构111C和所述第二互连结构112C均形成在所述介质层100B中。
综上所述，本发明提供的晶体谐振器与控制电路的集成方法中，在器件晶圆中形成下空腔，在基板中形成上空腔，并利用键合工艺使器件晶圆和基板键合，以将压电谐振片夹持在器件晶圆和基板之间，并使下空腔和上空腔分别对应在压电谐振片的两侧，以为压电谐振片提供振动空间。显然，相比于传统的晶体谐振器(例如，表面贴装型晶体谐振器)，本发明中基于半导体平面工艺所形成的晶体谐振器，具备更小的尺寸，从而可相应的降低晶体谐振器的功耗。并且本发明中的晶体谐振器实现了与控制电路的集成，也更易于与其他半导体元器件集成，有利于提高器件的集成度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (28)

1.一种晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，包括：
提供器件晶圆，所述器件晶圆中形成有控制电路，并刻蚀所述器件晶圆以形成所述晶体谐振器的下空腔；
提供基板，并刻蚀所述基板以形成所述晶体谐振器的上空腔，所述上空腔和所述下空腔对应设置；
形成包括上电极、压电晶片和下电极的压电谐振片，所述上电极、所述压电晶片和所述下电极形成在所述器件晶圆的正面和所述基板其中之一上；
在所述器件晶圆或所述基板上形成连接结构；以及，
在所述器件晶圆的正面上键合所述基板，以使所述压电谐振片位于所述器件晶圆和所述基板之间，以及使所述上空腔和所述下空腔分别位于所述压电谐振片的两侧，并通过所述连接结构使所述压电谐振片的上电极和下电极均与所述控制电路电性连接。
2.如权利要求1所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述压电谐振片形成在所述器件晶圆或所述基板上；或者，所述压电谐振片的下电极形成在所述器件晶圆上，所述压电谐振片的上电极和压电晶片依次形成在所述基板上；或者，所述压电谐振片的下电极和压电晶片依次形成在所述器件晶圆上，所述压电谐振片的上电极形成在所述基板上。
3.如权利要求1所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述器件晶圆包括基底晶圆和形成在所述基底晶圆上的介质层，所述下空腔形成在所述介质层中。
4.如权利要求3所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述基底晶圆为绝缘体上硅基底，包括沿着由背面至正面的方向依次层叠设置的底衬层、掩埋氧化层和顶硅层；以及，所述下空腔还从所述介质层延伸至所述掩埋氧化层。
5.如权利要求1所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述上空腔的尺寸大于所述压电晶片的尺寸，所述器件晶圆和所述基板键合后，所述压电晶片至少部分位于所述上空腔内；或者，
所述上空腔的尺寸小于所述压电晶片的尺寸，所述器件晶圆和所述基板键合后，所述压电晶片的边缘搭载于所述基板的表面上并封盖所述上空腔的开口。
6.如权利要求2所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述压电谐振片形成在所述器件晶圆上的方法包括：
在所述器件晶圆表面的设定位置上形成下电极；
键合压电晶片至所述下电极；
在所述压电晶片上形成所述上电极；或者，
所述压电谐振片的上电极和下电极形成在压电晶片上，三者作为整体键合至所述器件晶圆上。
7.如权利要求2所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述压电谐振片形成在所述基板上的方法包括：
在所述基板表面的设定位置上形成上电极；
键合压电晶片至所述上电极；
在所述压电晶片上形成所述下电极；或者，
所述压电谐振片的上电极和下电极形成在压电晶片上，三者作为整体键合至所述基板上。
8.如权利要求6或7所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，形成所述下电极的方法包括蒸镀工艺或薄膜沉积工艺；以及，形成所述上电极的方法包括蒸镀工艺或薄膜沉积工艺。
9.如权利要求2所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述上电极形成在所述基板上，所述下电极形成在所述器件晶圆上；其中，所述上电极和所述下电极利用蒸镀工艺或者薄膜沉积工艺形成，以及所述压电晶片键合至所述上电极或者所述下电极。
10.如权利要求1所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述控制电路包括第一互连结构和第二互连结构，所述连接结构包括第一连接件和第二连接件；
其中，所述第一连接件连接所述第一互连结构和所述压电谐振片的下电极，所述第二连接件连接所述第二互连结构和所述压电谐振片的上电极。
11.如权利要求10所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，键合所述器件晶圆和所述基板之后，所述下电极位于所述器件晶圆的表面上，并且所述下电极还从所述压电晶片的下方延伸出以和所述第一互连结构电性连接，所述下电极从所述压电晶片延伸出的部分构成所述第一连接件。
12.如权利要求10所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，在所述器件晶圆上具有所述下电极之前，在所述器件晶圆上形成所述第一连接件，所述第一连接件与所述第一互连结构电连接，以及在所述器件晶圆上具有所述下电极之后，所述第一连接件电连接所述下电极。
13.如权利要求12所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述第一连接件包括重新布线层，所述重新布线层和所述第一互连结构连接；以及，在所述器件晶圆上具有所述下电极之后，所述重新布线层与所述下电极电连接。
14.如权利要求10所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述压电晶片形成在器件晶圆上，并在所述器件晶圆具有所述上电极之前，在所述器件晶圆上形成第二连接件，所述第二连接件与所述第二互连结构电连接；以及，在所述器件晶圆上具有所述上电极之后，所述上电极与所述第二连接件电连接。
15.如权利要求14所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，形成所述第二连接件的方法包括：
在所述器件晶圆的表面上形成塑封层；
在所述塑封层中开设通孔，并在所述通孔中填充导电材料以形成导电插塞，所述导电插塞的底部电性连接至所述第二互连结构，所述导电插塞的顶部暴露于所述塑封层；
在所述器件晶圆上具有所述上电极之后，所述上电极还延伸出所述压电晶片至所述导电插塞的顶部，以使所述上电极和所述导电插塞电性连接；或者，在所述器件晶圆上具有所述上电极之后，在所述上电极上形成互连线，所述互连线还从所述上电极延伸至所述导电插塞的顶部，以使所述上电极通过所述互连线和所述导电插塞电性连接。
16.如权利要求10所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述上电极和所述压电晶片依次形成在所述基板上，并在所述器件晶圆和所述基板键和之前，在所述基板上形成所述第二连接件，所述第二连接件与所述上电极电连接；以及，在所述器件晶圆和所述基板键和之后，所述第二连接件与所述第二互连结构电连接。
17.如权利要求16所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，形成所述第二连接件的方法包括：
在所述基板的表面上形成塑封层；
在所述塑封层中开设通孔，所述通孔暴露出所述上电极，并在所述通孔中填充导电材料以形成导电插塞，所述导电插塞的一端电连接所述上电极；
以及，在键合所述器件晶圆和所述基板时，所述导电插塞的另一端电连接至所述第二互连结构。
18.如权利要求10所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述控制电路还包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第一互连结构连接，所述第二晶体管和所述第二互连结构连接。
19.如权利要求1所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述器件晶圆和所述基板的键合方法包括：
在所述器件晶圆和/或所述基板上形成粘合层，并利用所述粘合层使所述器件晶圆和所述基板相互键合。
20.如权利要求19所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述压电谐振片的上电极和压电晶片依次形成在所述基板上；
其中，所述键合方法包括：
在所述基板上形成粘合层，并使所述压电晶片的表面暴露于所述粘合层；
利用所述粘合层，键合所述器件晶圆和所述基板。
21.如权利要求19所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述压电谐振片的下电极和压电晶片依次形成在所述器件晶圆上；
其中，所述键合方法包括：
在所述器件晶圆上形成粘合层，并使所述压电晶片的表面暴露于所述粘合层；
利用所述粘合层，键合所述器件晶圆和所述基板。
22.如权利要求1所述的晶体谐振器与控制电路的集成方法，其特征在于，所述压电晶片为石英晶片。
23.一种晶体谐振器与控制电路的集成结构，其特征在于，包括：
器件晶圆，所述器件晶圆中形成有控制电路，以及在所述器件晶圆中还形成有下空腔，所述器件晶圆包括基底晶圆和形成在所述基底晶圆上的介质层；其中，所述基底晶圆为绝缘体上硅基底，包括沿着由背面至正面的方向依次层叠设置的底衬层、掩埋氧化层和顶硅层；以及，所述下空腔形成在所述介质层中，并从所述介质层延伸至所述掩埋氧化层；
基板，键合在所述器件晶圆的正面上，并且所述基板中形成有上空腔，所述上空腔的开口和所述下空腔的开口相对设置；
压电谐振片，包括下电极、压电晶片和上电极，所述压电谐振片位于所述器件晶圆和所述基板之间，并且所述压电谐振片的两侧分别对应所述下空腔和所述上空腔；以及，
连接结构，设置在所述器件晶圆和所述基板之间，并通过所述连接结构使所述压电谐振片的下电极和上电极均与所述控制电路电性连接。
24.如权利要求23所述的晶体谐振器与控制电路的集成结构，其特征在于，所述控制电路包括第一互连结构和第二互连结构，所述连接结构包括第一连接件和第二连接件；
其中，所述第一连接件连接所述第一互连结构和所述压电谐振片的下电极，所述第二连接件连接所述第二互连结构和所述压电谐振片的上电极。
25.如权利要求24所述的晶体谐振器与控制电路的集成结构，其特征在于，所述下电极还从所述压电晶片延伸出以和所述第一互连结构电性连接，所述下电极从所述压电晶片延伸出的部分构成所述第一连接件。
26.如权利要求24所述的晶体谐振器与控制电路的集成结构，其特征在于，所述第二连接件包括导电插塞，所述导电插塞的一端电连接所述上电极，所述导电插塞的另一端电连接所述第二互连结构。
27.如权利要求24所述的晶体谐振器与控制电路的集成结构，其特征在于，所述第二连接件包括导电插塞和互连线，所述互连线形成在所述器件晶圆的表面上并和所述第二互连结构电连接，所述导电插塞的一端电连接所述上电极，所述导电插塞的另一端电连接所述互连线。
28.如权利要求24所述的晶体谐振器与控制电路的集成结构，其特征在于，所述控制电路还包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第一互连结构连接，所述第二晶体管和所述第二互连结构连接。
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