FR2951026A1 - Procede de fabrication de resonateurs baw sur une tranche semiconductrice - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une tranche sur laquelle sont formés des résonateurs (11), chaque résonateur comportant, au dessus d'un substrat semiconducteur (3), un empilement de couches comprenant, dans l'ordre à partir de la surface du substrat : un miroir de Bragg (7) ; une couche de compensation (13) en un matériau ayant un coefficient de température de la vitesse acoustique de signe opposé à celui de l'ensemble des autres couches de l'empilement ; et un résonateur piézoélectrique (5), ce procédé comportant les étapes successives suivantes : a) déposer la couche de compensation (13) ; et b) réduire les inégalités d'épaisseur de la couche de compensation liées au procédé de dépôt, de sorte que cette couche présente une même épaisseur à mieux que 2 % près, et de préférence à mieux que 1 % près, au niveau de chaque résonateur BAW.

Description

B9703 - 09-GR1-153 1 PROCÉDÉ DE FABRICATION DE RÉSONATEURS BAW SUR UNE TRANCHE SEMICONDUCTRICE
Domaine de l'invention La présente invention concerne des résonateurs à ondes acoustiques de volume, couramment désignés dans la technique par le terme BAW, de l'anglais "Bulk Acoustic Wave". Elle vise plus particulièrement un procédé de fabrication de résonateurs BAW dans lesquels une couche de compensation, adaptée à assurer un comportement stable en température de sa fréquence d'utilisation, est prévue. Exposé de l'art antérieur Un résonateur BAW comporte un coeur résonnant, ou résonateur piézoélectrique, constitué de deux électrodes entre lesquelles est disposée une couche en un matériau piézoélectrique. Lorsqu'un champ électrique est appliqué à la couche piézoélectrique par application d'une différence de potentiels entre les électrodes, il en résulte une perturbation mécanique sous la forme d'une onde acoustique. Cette onde se propage au sein du résonateur BAW. La résonance fondamentale s'établit lorsque la longueur d'onde acoustique dans le matériau piézoélectrique correspond sensiblement à deux fois l'épaisseur de la couche piézoélectrique. De façon schématique, un résonateur BAW se comporte comme un interrupteur fermé à la B9703 - 09-GR1-153
2 fréquence de résonance et comme un interrupteur ouvert à une fréquence dite d'antirésonance. Les résonateurs BAW sont couramment formés au dessus d'un substrat semiconducteur, par exemple sur une tranche de silicium. On prévoit alors un dispositif d'isolation acoustique entre le coeur résonnant et le substrat pour éviter la fuite des ondes acoustiques dans le substrat. Il existe principalement deux types de résonateurs BAW : les résonateurs BAW suspendus sur une membrane, et les résonateurs BAW isolés du substrat par un miroir de Bragg. Les résonateurs BAW suspendus, plus connus sous le nom de FBAR (de l'anglais "Film Bulk Acoustic Wave Resonator") ou TFR (de l'anglais "Thin Film Resonator"), comprennent une couche isolante d'air entre le coeur résonnant et le substrat. Il est donc prévu une cavité dans le substrat ou un pont d'air au dessus du substrat. Ces résonateurs présentent l'inconvénient d'être difficiles à réaliser en raison de la fragilité mécanique d'un tel dispositif. Les résonateurs BAW à miroir de Bragg, plus connus sous le nom SMR (de l'anglais "Solidly Mounted Resonator"), sont isolés du substrat par un réflecteur, couramment un miroir de Bragg. Ils présentent une structure plus robuste et mieux adaptée aux procédés de fabrication standards de la microélectronique.
On s'intéresse ici aux résonateurs BAW à miroir de Bragg. La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un résonateur BAW 1 à miroir de Bragg formé sur un substrat semiconducteur 3. Bien que la figure 1 représente un résonateur unique, dans la pratique, de nombreux résonateurs sont formés simultanément sur une même tranche semiconductrice. Le résonateur 1 comprend un résonateur piézoélectrique 5 constitué de l'empilement d'une électrode inférieure 5a, d'une couche 5b d'un matériau piézoélectrique, et d'une électrode supérieure 5c. A titre d'exemple, le matériau piézoélectrique B9703 - 09-GR1-153
3 peut être du nitrure d'aluminium (AIN), du titano zirconate de plomb (PZT), ou de l'oxyde de zinc (ZnO). Les électrodes 5a et 5c peuvent être en molybdène (Mo), en tungstène (W), ou en aluminium (Al).
Une structure d'isolation 7, par exemple un miroir de Bragg, fait interface entre le résonateur piézoélectrique 5 et le substrat 3. Le réflecteur 7 consiste en un empilement alterné de couches 7a en un matériau à haute impédance acoustique, par exemple du tungstène (W) et de couches 7b en un matériau à faible impédance acoustique, par exemple de l'oxyde de silicium (SiO2). L'épaisseur de chaque couche 7a, 7b, est choisie sensiblement égale au quart de la longueur d'onde acoustique de résonance dans le matériau qui la compose. A la fréquence de fonctionnement, par exemple la fréquence de résonance, le réflecteur se comporte comme un miroir acoustique et les ondes sont confinées au sein du résonateur. Pour obtenir une bonne isolation acoustique, la différence d'impédance acoustique entre les matériaux constituant les couches 7a et 7b doit être élevée. De plus, la qualité de l'isolation acoustique augmente avec le nombre de couches 7a, 7b de l'empilement alterné. Les procédés de dépôt des différentes couches du résonateur 1 ne permettent pas d'obtenir des fréquences de résonance à la précision souhaitée. On observe notamment des variations sensibles de la fréquence de résonance entre des résonateurs formés sur une même tranche semiconductrice. Pour cette raison, il est prévu une couche d'ajustement en fréquence 9, par exemple en nitrure de silicium, à la surface du résonateur 1. La présence de cette couche modifie le comportement du résonateur et notamment sa fréquence de fonctionnement (par exemple la fréquence de résonance). Lors d'une étape finale de fabrication, l'épaisseur de la couche 9 est ajustée par gravure localisée, jusqu'à obtenir avec précision la fréquence visée. A titre d'exemple, une gravure ionique peut être utilisée.
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4 Un inconvénient des résonateurs BAW à miroir de Bragg du type décrit en relation avec la figure 1 réside dans la forte dépendance de leur fréquence de résonance à la température. Ceci résulte de l'influence de la température sur la vitesse des ondes acoustiques dans les différentes couches du résonateur et notamment dans la couche piézoélectrique. Le coefficient de variation en température de la fréquence de résonance, couramment appelé TCF, de l'anglais "Temperature Coefficient of Frequency", exprime, en ppm/°C, la dérive en température de la fréquence du résonateur. Dans chacun des matériaux constituant un résonateur, les ondes acoustiques ont une certaine vitesse de propagation, et pour chaque matériau cette vitesse de propagation a un certain coefficient de température, ou TCV. C'est notamment l'ensemble des TCV des divers matériaux qui détermine le TCF du résonateur BAW. De façon générale, les matériaux des couches piézoélectriques et des électrodes ont un coefficient de température (TCV) négatif. Au contraire, des matériaux tels que l'oxyde de silicium ont un coefficient de température (TCV) positif.
Dans la littérature, il est proposé de prévoir, dans l'empilement de couches formant le résonateur BAW, au moins une couche de compensation en température ayant un coefficient de température (TCV) de signe opposé au TCV de l'ensemble ou de la majorité des autres couches, par exemple de l'oxyde de silicium.
On cherche ainsi à réduire la dérive en température du résonateur BAW, c'est-à-dire à réduire la valeur absolue du TCF. Dans la littérature, il est proposé plusieurs emplacements pour la couche de compensation en température, et notamment entre l'électrode supérieure 5c et la couche piézoélectrique 5b. Cette couche étant placée dans la région de résonance, elle a une forte influence sur le comportement du résonateur. Une très faible épaisseur, par exemple de 10 à 50 nm suffit donc à assurer le comportement de stabilisation thermique recherché. Toutefois, un inconvénient d'une telle disposition est que l'influence de la couche de compensation sur le B9703 - 09-GR1-153
comportement acoustique est importante. Il en résulte une dégradation du facteur de qualité et du couplage électromécanique du résonateur. Il a également été proposé de prévoir une couche de 5 compensation entre l'électrode supérieure 5c et la couche d'ajustement de fréquence 9. Un inconvénient de cette structure est que cette couche de compensation rend plus complexe l'étape d'ajustement des fréquences par gravure de la couche 9. En effet, la sensibilité de la fréquence du résonateur à l'épaisseur de la couche 9 se trouve modifiée par la présence de la couche de compensation. Un autre inconvénient lié à la prévision de cette couche supplémentaire est la dégradation des performances électriques, et notamment du couplage électromagnétique et du facteur de qualité.
Outre les inconvénients susmentionnés, les modes de compensation en température décrits ci-dessus présentent l'inconvénient d'être peu précis. Ils introduisent une forte dispersion sur le TCF des résonateurs BAW. En particulier, on observe des variations sensibles du TCF entre des résonateurs BAW fabriqués à partir d'une même tranche et a fortiori à partir de tranches différentes. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des 25 résonateurs BAW à miroir de Bragg classiques. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation de résonateurs BAW à miroir de Bragg ayant une réponse en fréquence plus stable en température que les résonateurs classiques. 30 Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un tel procédé permettant d'obtenir des résonateurs BAW dont le comportement en température est faiblement dispersé à l'échelle d'une tranche de silicium. Un objet d'un mode de réalisation de la présente 35 invention est de proposer un tel procédé ne dégradant pas ou peu B9703 - 09-GR1-153
6 les performances électriques du résonateur BAW, et notamment le couplage électromécanique et le facteur de qualité par rapport aux résonateurs classiques. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un tel procédé permettant d'obtenir des résonateurs BAW pour lesquels la dérive de fréquence en fonction de la température est linéaire. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un tel procédé facile à mettre en 10 oeuvre. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'une tranche sur laquelle sont formés des résonateurs, chaque résonateur comportant, au dessus d'un substrat semiconducteur, un empilement de couches 15 comprenant, dans l'ordre à partir de la surface du substrat : un miroir de Bragg ; une couche de compensation en un matériau ayant un coefficient de température de la vitesse acoustique de signe opposé à celui de l'ensemble des autres couches de l'empilement ; et un résonateur piézoélectrique, le procédé 20 comportant les étapes successives suivantes : a) déposer la couche de compensation ; et b) réduire les inégalités d'épaisseur de la couche de compensation liées au procédé de dépôt, de sorte que cette couche présente une même épaisseur à mieux que 2 % près, et de préférence à mieux que 1 % près, au 25 niveau de chaque résonateur BAW. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'étape b) est réalisée par gravure liées au procédé de dépôt. Selon un mode de réalisation 30 la couche supérieure du miroir de compensation forment une unique couche Selon un mode de réalisation la couche de compensation est en oxyde Selon un mode de réalisation ionique des surépaisseurs
de la présente invention, Bragg et la couche de d'un même matériau. de la présente invention, de silicium. de la présente invention, 35 le résonateur piézoélectrique est formé par l'empilement d'une B9703 - 09-GR1-153
7 électrode inférieure, d'une couche d'un matériau piézoélectrique, et d'une électrode supérieure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les électrodes sont en molybdène.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche piézoélectrique est en nitrure d'aluminium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le miroir de Bragg est formé par l'empilement alterné de couches en un matériau d'une première impédance acoustique et de couches en un matériau d'une seconde impédance acoustique inférieure à la première impédance acoustique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau d'une première impédance acoustique est du tungstène et le matériau d'une seconde impédance acoustique est de l'oxyde de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque résonateur comporte en outre, à sa surface, une couche d'ajustement de fréquence d'épaisseur adaptée à compenser le décalage en fréquence lié aux dispersions de fabrication.
Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est une vue en coupe représentant de façon schématique un résonateur BAW ; la figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple de résonateur BAW compensé en température selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 3 illustre une étape d'un exemple de procédé de réalisation de résonateurs BAW compensés en température du type décrit en relation avec la figure 2 ; et les figures 4A et 4B illustrent l'évolution de la fréquence de résonance de résonateurs BAW en fonction de la 35 température.
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8 Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des microcomposants, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 2 est une vue en coupe dans le même plan que la figure 1, représentant de façon schématique un exemple de résonateur BAW 11 dont la réponse en fréquence est compensée en température selon un mode de réalisation de la présente invention. Le résonateur BAW 11 de la figure 2 est identique au résonateur 1 de la figure 1, à la différence qu'une couche de compensation en température 13, par exemple en oxyde de silicium, est prévue entre la couche supérieure 7b du réflecteur 7 et l'électrode inférieure 5a. En analysant les modes de compensation en températures actuels, les inventeurs ont déterminé que, parmi les différentes couches formant un résonateur BAW, la couche de compensation en température en oxyde de silicium est l'une des couches dont le dépôt est le plus imprécis. A titre d'exemple, on peut observer sur cette couche, à l'échelle d'une tranche semiconductrice, des variations d'épaisseur de l'ordre de 9 % (maximum - minimum), ou un écart type d'épaisseur de la couche de l'ordre de 2 %. A titre comparatif, les variations d'épaisseur de la couche piézoélectrique 5b sont par exemple de l'ordre de 2 % (écart type de l'ordre de 0,4 %) pour du nitrure d'aluminium. En outre, les inventeurs ont observé que, parmi les différentes couches du résonateur BAW 11, la couche d'oxyde de silicium 13 est celle dont les variations d'épaisseur ont le plus d'influence sur le TCF du résonateur. A titre d'exemple, une variation d'épaisseur de 1 % de cette couche peut faire varier le TCF du résonateur de 0,8 ppm/°C. A titre comparatif, une variation d'épaisseur de 1 % de la couche piézoélectrique 5b n'entraîne qu'une faible variation, de l'ordre de 0,2 ppm/°C, du B9703 - 09-GR1-153
9 TCF. De même, une variation d'épaisseur de 1 % des électrodes 5a et 5c entraîne une variation du TCF de l'ordre de 0,1 ppm/°C. Un aspect d'un mode de réalisation de l'invention est de prévoir, lors de la fabrication, une étape consistant à uniformiser l'épaisseur de la couche de compensation en température 13, de façon que cette couche présente une épaisseur constante à mieux que 2 % près (écart type de l'ordre de 0,5 %) au niveau de chaque résonateur. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, la couche 13 présente une même épaisseur à mieux que 1 % près (écart type de l'ordre de 0,2 %) au niveau de chaque résonateur BAW. La figure 3 illustre une étape d'un exemple de procédé de réalisation de résonateurs BAW compensés en température du type décrit en relation avec la figure 2. La figure 3 est une vue en coupe représentant de façon schématique une portion d'une tranche semiconductrice sur laquelle sont formés des éléments 7a, 7b d'un miroir de Bragg et une couche de compensation en température 13. Après le dépôt de la couche de compensation 13, il est prévu une étape d'uniformisation de l'épaisseur de cette couche par gravure des surépaisseurs liées au procédé de dépôt. Cette étape d'uniformisation d'épaisseur peut avantageusement être réalisée par gravure ionique, comme l'étape finale d'ajustement de fréquence décrite en relation avec la figure 1. A titre d'exemple, la tranche semiconductrice sur laquelle sont formés les résonateurs est balayée par un faisceau 21 d'ions. La vitesse de balayage est contrôlée localement sur cette tranche de façon à venir graver plus ou moins la couche de compensation. A l'issue de l'étape d'uniformisation, la couche 13 présente une même épaisseur à mieux que 2 % (écart type de l'ordre de 0,5 %) près, et de préférence à mieux que 1 % près (écart type de l'ordre de 0,2 %), au niveau de chaque résonateur BAW. Les figures 4A et 4B représentent l'évolution de la dérive fréquentielle Af/f des résonateurs BAW, exprimée en ppm, B9703 - 09-GR1-153
10 en fonction de la température dans la plage [Tmin, Tmax] des températures de fonctionnement. La figure 4A représente l'évolution de la dérive fréquentielle en fonction de la température pour des résonateurs BAW du type décrit en relation avec la figure 2, mais dans lesquels l'étape d'uniformisation d'épaisseur de la couche de compensation en température n'a pas été effectuée. Dans ces résonateurs, l'épaisseur de la couche de compensation en température 13 présente une incertitude de l'ordre de 9 % (écart type de l'ordre de 2 %). La courbe 31, en traits pointillés, représente le comportement en température idéal, c'est-à-dire le comportement en température d'un résonateur dans lequel les différentes couches, et notamment la couche de compensation en température 13, ne présenteraient aucune incertitude d'épaisseur. Les courbes 33 et 35 illustrent le comportement en température de deux résonateurs formés à partir d'une même tranche semiconductrice. La courbe 33 correspond par exemple au cas d'un résonateur formé dans une zone de la tranche semiconductrice où l'épaisseur de la couche de compensation en température est maximale. La courbe 35 correspond par exemple au cas d'un résonateur formé dans une zone de la tranche semiconductrice où l'épaisseur de la couche de compensation en température est minimale.
On observe des écarts importants du comportement en température de la fréquence de résonance. On observe en outre sur la courbe 35 que, pour certains résonateurs, la variation de la fréquence de résonance en fonction de la température n'est pas linéaire.
La figure 4B représente l'évolution de la fréquence de résonance en fonction de la température pour des résonateurs BAW du type décrit en relation avec la figure 2. Dans ces résonateurs, l'épaisseur de la couche de compensation en température 13 présente une incertitude inférieure à 2 % (écart type de 0,5 %).
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11 La courbe 41, en traits pointillés, représente le comportement en température idéal, c'est-à-dire le comportement en température d'un résonateur dans lequel les différentes couches, et notamment la couche de compensation en température, ne présenteraient aucune incertitude d'épaisseur. Les courbes 43 et 45 illustrent le comportement en température de résonateurs formés à partir d'une même tranche semiconductrice. La courbe 43 correspond par exemple au cas d'un résonateur formé dans une zone de la tranche semiconductrice où l'épaisseur de la couche de compensation en température est maximale. La courbe 45 correspond par exemple au cas d'un résonateur formé dans une zone de la tranche semiconductrice où l'épaisseur de la couche de compensation en température est minimale.
On observe que le comportement en température de la fréquence de fonctionnement est sensiblement le même pour tous les résonateurs et proche du comportement idéal. On observe en outre que le comportement en température de la fréquence de fonctionnement est sensiblement linéaire sur l'ensemble de la tranche. Bien entendu, les pentes des droites en pointillés et des tangentes aux courbes des figures 4A et 4B pourraient être inversées (correspondant à un TCF de signe opposé). Un avantage du procédé de réalisation proposé est qu'il permet d'obtenir une compensation en température particulièrement précise et linéaire. En particulier, on observe que des résonateurs fabriqués à l'identique, sur une ou plusieurs tranches semiconductrices, ont un TCF sensiblement identique et constant dans la plage des températures d'utilisation du résonateur. Ainsi, une dérive linéaire et précise de la fréquence en fonction de la température est garantie à l'échelle d'une tranche de substrat. Ceci permet notamment de simplifier les étapes de calibration des circuits comportant des résonateurs BAW. Ceci est particulièrement B9703 - 09-GR1-153
12 avantageux dans le cas des oscillateurs de référence de temps à base de résonateurs BAW. En outre, si la couche supérieure 7b du miroir de Bragg est en oxyde de silicium, elle peut en pratique, de façon avantageuse, ne former qu'une seule couche avec la couche de compensation en température 13. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'invention ne se limite pas aux matériaux mentionnés dans la description ci-dessus. On saura notamment mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en utilisant d'autre matériaux piézoélectriques, par exemple du niobate de potassium ou de l'oxyde de zinc, et d'autres matériaux conducteurs, par exemple du cuivre, du tungstène ou de l'aluminium, pour former le coeur résonnant. On saura en outre utiliser d'autres matériaux à hautes et basses impédances acoustiques, par exemple du nitrure de silicium ou du nitrure d'aluminium, adaptés à former un réflecteur d'isolation entre le coeur résonnant et le substrat. Enfin, d'autres matériaux que l'oxyde de silicium pourront être utilisés pour former les couches d'ajustement de fréquence et de compensation en température, par exemple du SiON. Par ailleurs, l'invention ne se limite pas à l'utilisation d'un faisceau d'ions localisé pour uniformiser l'épaisseur de la couche de compensation en température. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en utilisant d'autres procédés d'uniformisation adaptés.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une tranche sur laquelle sont formés des résonateurs (11), chaque résonateur comportant, au dessus d'un substrat semiconducteur (3), un empilement de couches comprenant, dans l'ordre à partir de la surface du substrat : un miroir de Bragg (7) ; une couche de compensation (13) en un matériau ayant un coefficient de température de la vitesse acoustique de signe opposé à celui de l'ensemble des autres couches de l'empilement ; et un résonateur piézoélectrique (5), ce procédé comportant les étapes successives suivantes : a) déposer la couche de compensation (13) ; et b) réduire les inégalités d'épaisseur de la couche de compensation liées au procédé de dépôt, de sorte que cette couche présente une même épaisseur à mieux que 2 % près, et de préférence à mieux que 1 % près, au niveau de chaque résonateur BAW.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel 20 l'étape b) est réalisée par gravure ionique des surépaisseurs liées au procédé de dépôt.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche supérieure (7b) du miroir de Bragg et la couche de compensation (13) forment une unique couche d'un même matériau. 25
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de compensation (13) est en oxyde de silicium.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit résonateur piézoélectrique (5) est formé 30 par l'empilement d'une électrode inférieure (5a), d'une couche d'un matériau piézoélectrique (5b), et d'une électrode supérieure (5c).
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les électrodes (5a, 5c) sont en molybdène.B9703 - 09-GR1-153 14
  7. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la couche piézoélectrique (5b) est en nitrure d'aluminium.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le miroir de Bragg (7) est formé par l'empilement alterné de couches (7a) en un matériau d'une première impédance acoustique et de couches (7b) en un matériau d'une seconde impédance acoustique inférieure à la première impédance acoustique.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le matériau d'une première impédance acoustique est du tungstène et le matériau d'une seconde impédance acoustique est de l'oxyde de silicium.
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque résonateur comporte en outre, à sa surface, une couche d'ajustement de fréquence (9) d'épaisseur adaptée à compenser le décalage en fréquence lié aux dispersions de fabrication.
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