Brevet FR2016299A1 — publié le 19700508

-1- 2016299 L'invention a trait à un dispositif résonant et plus particulièrement à un dispositif donnant line sélectivité de fréquence à des ensembles comprenant un ou plusieurs éléments électroniques, tels que des circuits intégrés, dans lesquels l'élément 5 résonant est intimement associé aux éléments électroniques et à leurs supports. Divers dispositifs ont été proposés pour incorporer à un circuit intégré à semi-conducteur un circuit de sélection de fréquence destiné à accorder ce circuit intégré - voir par exemple 10 les articles de Newell dans la revue "Electronics11 p. 50 à 52 du 13 Mars 1964-, et dans la Revue "Proc. I E E E", v.52, pw. 1 603 à 1 608, Décembre 1964 et v. 53, Octobre 1965, p- 1305 à 1309* Dans le domaine des résonateurs piézoélectriques discrets, on a proposé d'augmenter les possibilités des résonateurs à 15 quartz par application d'une couche d'un autre matériau piézoélectrique tel que le sulfure de cadmium. On se référera à l'article de Sliker et Roberts du "Journal of Applied rhysics* Vol. 38, p. 2350, Avril 1967, pour une description de cette technique. Une telle combinaison ne donne pas un dispositif accordé inté-20 gré et elle est mentionné simplement pour indiquer l'état de la technique en ce qui concerne l'utilisation de couches piézoélectriques en combinaison avec un autre milieu. Le but de l'invention consiste à mettre en oeuvre tin dispositif accordé comportant un ou plusieurs dispositifs électroni-25 ques sans imposer d'exigences difficiles concernant le montage du bloc semiconducteur et seins diminuer les facilités de fabrication. Un but supplémentaire de l'invention consiste à mettre en oeuvre un dispositif accordé à circuit intégré pour des fréquences dépassant 10 mégahertz. 50 A cet effet, l'invention réside dans un dispositif résonant comprenant un bloc solide limité par des faces parallèles planes et ayant au moins tin élément électronique sur une face et un résonateur piézoélectrique composé d'une couche d'un matériau piézoélectrique placée entre deux électrodes parallèles supportées 35 par une face du bloc, dans lequel l'épaisseur acoustique du bloc solide est un multiple entier de l'épaisseur de la couche piézoélectrique. En particulier, la couche piézoélectrique peut:-.être formée 69 28918 -2- 2016299 directement sur une face d'un autre circuit intégré classique, et cet ensemble peut être monté solidement en utilisant diverses techniques de circuit intégré. Comme la fréquence de résonance est déterminée par la couche piézoélectrique elle-même, 5 des fréquences dépassant 100 mégahertz sont facilement obtenues. l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue partielle coupée en section droite d'un circuit intégré à semi-conducteur renfermant un disposi- 10 tif accordé selon l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des circuits schématiques illustrant respectivement un oscillateur et un amplificateur accordés qui peuvent être intégrés selon l'invention et utiliser des structures telles que celles représentées sur la figure 1 ; 15 - la figure 4 est un graphique de données permettant de faciliter la fabrication de dispositifs accordés intégrés selon 1'invention utilisant du sulfure de cadmium comme couche piézoélectrique et du silicium comme bloc semi-conducteur, et, - la figure 5 est un circuit schématique utilisé pour des 20 essais dans l'invention. La figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention appliqué à.un circuit intégré' à semi-conducteur caractéristique. Les détails de la structure semi-conductrice interne et de sa fabrication sont indiqués brièvement parce que 25 ces structures sont bien connues dans la technique. En partant d'un substrat monocristallin 10 de silicium du type -P utilisé habituellement, diverses opérations de croissance épitaxiale et de diffusion sélective sont effectuées de manière à créer de façon interne des éléments électroniques isolés 30 à l'intérieur d'un bloc unitaire 30. Un tel élément est un transistor T comprenant une zone d'émetteur 12 du type N+, une zone de base 14 du type -P, et une zone de collecteur du type -N renfermant une partie principale 16, ainsi qu'une zone de contacts de collecteur 17 du type N+ et une zone profonde de collecteur 35 18 du type N+. Un autre élément représenté est une résistance E comprenant une zone 24 du type -P qui est analogue à la zone de base 14 du transistor dans le domaine de l'épaisseur et du gradient de con 69 28918 -3- 2016299 centration d'impuretés. Les diverses zones 16, 26et 27 du type -N peuvent faire partie d'une couche épitaxiale déposée sur le substrat 10 et ensuite divisée par diffusion de parois d'isolement 20 du type P+. La zonè 27 du type P à droite de la ré-5 sistance R peut évidemment contenir un élément supplémentaire . Les grandes faces 31 et 32 du bloc semi-conducteur 30 sont essentiellement planes et parallèles. La face inférieure 32 est montée solidement sur un support 34-, par exemple en un matériau à base de céramique, au moyen d'une couche 23 d'un métal fondu, 10 suivant une technique connue. La face supérieure 31 du bloc 30 comporte sur elle une couche d'isolement 36, par exemple une couche de bioxyde de silicium ou une combinaison de couches de bioxyde de silicium et de nitrure de silicium, avec des ouvertures dans la couche iso-15 lante donnant accès à des contacts conducteurs avec les diverses zones semi-conductrices. La surface dé la couche isolante est métallisée par exemple par une couche d'aluminium 40 traitée de façon à -fournir les contacts et les interconnexions entre les divers éléments. Dans la structure résistante, un unique contact 20 a été représenté dans cet exemple, mais il est clair que l'autre contact résistant devrait être situé ailleurs au lieu de se trouver dans le plan de la section représentée. Dans cet exemple, un prolongement 40a de l'interconnexion entre la zone 17 et la résistance 24 est formé sur une surface 25 relativement importante de la face isolante et il fournit une électrode métallique. Sur cette électrode métallique 40a, a été déposée une couche 50 d'un matériau piézoélectrique, par exemple du sulfure de cadmium, puis, ensuite, une deuxième couche métallique 40b constituant une électrode. Ainsi, on a créé entre les 30 couches métalliques parallèles 40a et 40b un bloc 50 d'un matériau piézoélectrique auquel peut être appliqué un signal engendrant une onde acoustique qui se propage dans le bloc semi-conducteur 30 puis qui est réfléchie par sa face opposée 32„ . L'onde acoustique est la plus forte quand la fréquence de 35 la tension appliquée est telle que la longueur d'onde acoustique flans la couche piézoélectrique est égale à deux fois (ou 2n fois, n étant un nombre entier) l'épaisseur de la couche piézoélectrique 50 fonctionnant dans le mode fondamental. Si l'épaisseur du 69 28918 -4— 2016299 bloc 30 est choisie de façon à être égale à un nombre entier de demi-longueurs d'ondes, l'onde acoustique réfléchie par la face intérieure 32 revient sur la couche 50 en phase-et s'ajoute à l'excitation de la couche piézoélectrique. Donc, le dispositif 5 doit présenter une résonance pour la fréquence du signal appliqué. On a trouvé que l'utilisation d'un bloc 30 ayant une épaisseur supérieure à une demi-iongueur d'onde ne provoque pas de perte élevée. Le coefficient Q du dispositif est déterminé par un cer-10 tain nombre de facteurs comprenant la planéité du bloc semiconducteur et la précision de l'épaisseur de la couche piézoélectrique et du semi-conducteur. Un bloc semi-conducteur peut être utilisé après avoir été poli sur ses deux faces puis décapé jusqu'à avoir l'épaisseur déterminée. Gomme la vitesse du son 15 dans un semi-conducteur tel que le silicium est environ deux fois celle dans la plupart des autres matériaux, par exemple le sulfure de cadmium piézoélectrique, l'épaisseur du bloc semiconducteur est moins critique que celle de la. couche piézoélectrique . 20 II est possible de créer une structure ayant une épaisseur plus exacte pour la fréquence de résonance intéressante en déposant une couche d'un matériau sur la face arrière avant le montage définitif. Cette couche peut être en-.un matériau semiconducteur, épitaxiale ou policristalline, ou bien en un iso-25 lant tel que du bioxyde. de silicium. Par ce moyen, l'épaisseur acoustique effective peut augmenter et la structure peut être accordée sur une fréquence de résonance plus basse. Pour obtenir une fréquence de résonance plus basse, il est possible de polir chimiquement l'arrière de la lame de façon à réduire l'é-30 paisseur. Pendant une telle opération, la fréquence de résonance peut être détectée en appliquant des signaux et en observant les résultats. D'autres matériaux semi-conducteurs, en dehors du silicium, peuvent être utilisés pour le tloc semi-conducteur. De tels maté-35 riaux comprennent par exemple le germanium et l'arséniure de gallium. La description donnée ici dans laquelle on utilise le silicium a pour but d'appliquer l'invention à l'état présent de la technique de circuits intégrés dans laquelle le silicium 69 28918 -5- 2016299 est le matériau semi-conducteur le plus utilisé, et cette struc-tuee a été donnée à titre d'exemple, bien que d'autres structures élémentaires, d'autres dispositifs d'isolement, d'autres isolants, d'autres moyens de montage et des types de conducti-5 bilité inverse puissent être utilisés. La couche piézoélectrique 50, bien qu'elle puisse utiliser avec profit du sulfure de cadmium hexagonal, peut être en un autre matériau piézoélectrique, par exemple en sulfure de zinc orienté ou en zirconate-titanate de plomb. 10 ^ couche isolante 36 placée sur la face supérieure du semi-conducteur peut être formée suivant la technique des circuits intégrés et elle a une épaisseur maximale allant de 5 000 angstroms à 10 000 angstroms, tout en ayant un effet acoustique négligeable. Si on le désire et si cela est possible quand 15 l'isolement entre l'électrode inférieure métallique 40a et le semi-conducteur n'est pas nécessaire, la couche isolante 36 peut être supprimée de la partie de la structure sur laquelle le résonateur est mis en place. L'électrode 40a ayant une épaisseur de l'ordre de un micron n'affecte pas de façon appréciable la 20 propagation de l'onde acoustique allant de la couche 50 au semi-conducteur 30 et vice-versa. Comme représenté, la couche piézo-électrique peut être placée sur un ou plusieurs des éléments du circuit intégré dans le but de diminuer le volume. L'utilisation de tels éléments n'in-25 terfère pas avec la propagation de l'onde acoustique, et le fonctionnement de ces éléments n'est pas non plus affecté, mais évidemment, si de l'espace est disponible, la couche piézoélectrique peut être placée sur des parties complètement inactives- du bloc semi-conducteur. 30 Le coefficient Q du dispositif est en outre influencé par la surface du résonateur qui de préférence doit être la surface maximale. D'une façon générale, un coefficient Q dépassant 100 peut être obtenu avec un résonateur ayant des dimensions de l'ordre de 1 mm. 35 Comme l'onde acoustique est réfléchie par la face inférieu re 32 dubLoc semi-conducteur 30, un désaccord acoustique substantiel doit se produire entre le semi-conducteur 30 et le ou les matériaux sur lesquels il est monté. Ceci n'impose pas d'exigen 69 28918 -6- 2016299 ce extraordinaire du fait de la différence normale de l'impédance acoustiaue du semi-conducteur tels que le silicium et de métaux tels que l'or sur lesquels ils sont d'habitude montés, en sorte que des pertes élevées peuvent être facilement évitées. 5 Une épaisseur préférable pour la couche métallique 33 est un multiple entier impair d'un quart de la longueur d'onde acoustique. Quelle que soit la technique de montage utilisée, la face inférieure du bloc semi-conducteur doit rester essentiellement plaine. 10 La technique de montage représentée a été donnée simplement à titre d'exemple II est aussi possible d'utiliser une technique de montage à i__.rtir de la face inférieure, et des variantes bien connues de cette technique. Diverses techniques peuvent être utilisées pour le dépôt 15 de couches piézoélectriques d'épaisseur convenable. Par exemple, du sulfure de cadmium peut être évaporé sous vide sous forme de composé, et il est utile de prévoir du soufre en excès dans le système pendant le dépôt pour obtenir une couche stoechiométri-que de sulfure de cadmium. La pellicule de sulfure de cadmium 20 peut suivant une variante être fonnée par évaporation simultanée de cadmium et de soufre. La couche piézoélectrique peut être formée dans la configuration désirée, ainsi que les électrodes métalliques, par dépôt d'un matériau à travers des masses convenables. Suivant une 25 variante, des procédés soustractifs utilisant le dépôt d'une couche continue avec élimination sélective par des techniques de photo-résistance et de décapage, peuvent être utilisées. Des dispositifs selon, l'invention dépendent peu de la température parce que les matériaux semi-conducteurs tels que le 30 silicium ont un coefficient de variation de fréquence avec la température inférieur à 30 par million, ce qui correspond à un déphasage de seulement 4 500 hertz par degré centigrade à 150 mégahertz. Pour commander l'épaisseur pendant le dépôt, de la couche 35 50, et également si possible l'épaisseur de la couché 40a, cette épaisseur peut être mesurée d'une façon continue en utilisant une microbalance à quartz, suivant une technique bien connue. La "limite inférieure de la gamme de fréquence de fonction- BAD ORIGtNAk 69 28918 -7- 2016299 nement des dispositifs selon l'invention est déterminée par les difficultés techniques de produits des couches piézoélectriques d'épaisseur uniforme. Des couches de sulfure de cadmium d'une épaisseur supérieure à 30 microns ont une surface rugueuse et 5 elles s'écaillent facilement lorsqu'elles sont placées sur une surface de silicium, la fréquence supérieure limite est déterminée par les pertes acoustiques dans le système. Des fréquences de résonance supérieures à 400 mégahertz ont été obtenues. Les figures 2 et 3 représentent chacune à l'intérieur du 10 contour en traits interrompus le circuit équivalant à la structure de la figure 1. Sur la figure 2, on a prévu des connexions de façon à engendrer un oscillateur dans lequel l'élément piézoélectrique 50 est couplé entre le collecteur et la "base du transistor ï. Une alimentation continue est couplée à l'extrémité "15 la plus éloignée de la résistance R. Sur la figure 3, les éléments sont connectés de façon à » créer un amplificateur accordé dans lequel l'élément piézoélectrique 50 est connecté suivant une configuration de filtre à la résistance R, la source du signal et l'alimentation conti-20 nue étant telles qu'indiqué. Il est clair que ces circuits de hase sont simplement des exemples d'application dans lesquels la présente invention peut être utilisée. Dans son aspect le plus général, l'invention peut être utilisée dans des types de circuits comprenant des éléments accordés discrèts de type connu. 25 La figure 4 montre comment on peut déterminer l'épaisseur la meilleure pour le silicium et le sulfure de cadmium de façon à obtenir une fréquence de résonance déterminée. On se référera à l'échelle verticale de la fréquence. En prenant 200 mégahertz comme exemple, on trouve un point sur la ligne A représentant 50 la variation de fréquence avec 1'épaisseur du sulfure de cadmium telle qu'une épaisseur égale à une demi-longueur d'onde soit voisine de 10 microns et de même telle qu'une épaisseur égale à une demi-longueur d'onde dans le silicium sur la ligne B soit égale à 20 microns, ce qui donne une épaisseur convenable du 55 silicium égale à quelques multiples entiers de celle de la figure . Dans le but de vérifier les principes de l'invention, une couche de sulfure de cadmium de 0,025 mm d'épaisseur a été dé 69 28918 -8- 2016299 posée dans une enceinte à vide par condensation directe de sulfure de cadmium à travers un masque de suriace déterminée sur une lame de silicium de 0,076 mm d'épaisseur, chauffée à environ 200°G. Pour obtenir une composition stoechiométrique cor-5 recte et une résistivité élevée de la pellicule de sulfure de cadmium, du soufre est également évaporé pendant le dépôt. Avant et après le dépôt de sulfure de cadmium, on provoque une condensation de façon à obtenir les couches suivantes de chrome et d'or, dans une enceinte à- vide distincte. La composition des 10 couches constituant les électrodes n'est pas critique, mais elle peut être choisie de façon variée. Le silicium utilisé est nu, c'est-à-dire qu'il n'y a aucune production d'oxyde autre que celui formé pendant le dépôt de la couche de sulfure de cadmium, et ce silicium n'a pas été soumis 15 intentionnellement à une oxydation. Un circuit d'essai peut être utilisé tel que celui représenté sur la figure 5- Dans cette opération d'essai, l'impédance du dispositif est comparée à une résistance de 50 ohms en utilisant un comparateur d'impédance d'un type connu, par exemple 11ap-20 pareil commercial "'félonie Hho Teckor, Model THB-1, qui est commandé par un générateur de fréquence de balayage, par exemple l'appareil connu commercialement sous le nom de Texscan \TS-80-A. Le résultat est représenté sur un oscillographe. Dans l'exemple ci-dessus, la résonance se produit pour une fréquence de 103,5 25 mégahertz correspondant à une unique demi-longueurnd1 onde dans le sulfure de cadmium et à deux demi-longueurs d'ondes dans le silicium. La largeur de bande de ce dispositif est inférieure à 1 mégahertz, ce qui correspond à un coefficient Q dépassant 100. Le dispositif a une largeur d'environ 1 mm de chaque côté. Des 30 unités ayant un demi-millimètre de chaque côté ont été préparées, et elles ont un coefficient Q légèrement inférieur. D'autres épaisseurs de sulfure de cadmium et de silicium ont été utilisées avec succès. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de 1 * inven-35 tion incorpore au moins un élément actif à film mince ou. un élément électronique passif monté sur un support solide en céramique, par exemple sur un support en verre,un résonateur étant placé sur ce bloc en accord avec 1'invention.D'une façon générale cependant, les propriétés acoustiques des verres et des caramiques ne sont 40 pas aussi favorables que celles du silicium monocristal1 in = *®AD original ch 28918 -9- 7016299 ë_5„ï_5_iL2_ï_2_è_ï I 0 1-- Dispositif résonant comprenait un bloc solide limité par des faces parallèles planes et sur lequel est placé au moins un élément électronique et un résonateur piézoélectrique composé 5 d'une couche d'un matériau piézoélectrique placée entre deux électrodes parallèles supportées par une face du bloc, dans lequel l'épaisseur acoustique du bloc solide est -un multiple entier de l'épaisseur de la couche piézoélectrique. 2.- Dispositif selor la revendication 1, dans lequel le Vice 10 solide est ^n un matériau semi-conducteur. 3«- Dispositif srlon la revendication 2, dans lequel un circuit -intégr*: est fcvre à la surface du b_oc du matériau semi-'-on-ducteur. 4-.- Dispositif selon la revendication 3 dans lequex j.e bloc 15 solide est \n bloc en un matériau céramique ayant au moins un élément électronique à film mince placé sur sa surface. 5«*- Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ce matériau céramique est du verre. 6.** Dispositif selon une des revendications 1 à 5 dans le«-20 quel le bloc solide est monté sur un support solide en désaccord acoustique avec lui. 7«- Dispositif selon la revendication 6 dans lequel le bloc solide est fixé à ce support par une couche métallique ayant une épaisseur créant un désaccord acoustique entre ce bloc et ce 2$ support.. S.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel au moins un élément électronique est couplé électriquement à au moins une des électrodes de façon à accorder cet élément sur la fréquence de résonance de la couche piézoélectrique. 30 9«- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel il est prévu un dispositif permettant d'appliquer un signal alternatif entre les électrodes. 10.— Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la fréquence du signal est telle que la longueur d'onde acoustique 35 daiis le matériau piézoélectrique soit 2n fois l'épaisseur de la couche piézoélectrique, n étant un nombre entier.