Brevet FR2863789A1 — publié le 20050617

Dispositif de résonateur acoustique. L'invention concerne le domaine des circuits et des microsystèmes, comprenant un ou plusieurs résonateurs piézoélectriques. Plus particulièrement, l'invention concerne la réalisation d'un tel résonateur sous forme intégrée, c'est-à-dire en utilisant une technologie utilisée généralement pour la réalisation de circuits intégrés. De tels circuits peuvent être utilisés comme filtres dans des applications de téléphonie mobile. Un signal bruité est appliqué sur l'électrode supérieure. On récupère sur l'électrode inférieure un signal filtré centré sur la fréquence de résonance du résonateur. Cette fréquence est directement conditionnée par l'épaisseur d'un film piézoélectrique compris entre les deux électrodes. Un assemblage de résonateurs permet de constituer une fonction filtre. Le résonateur est utilisé comme élément de filtre de haut facteur de qualité. Les résonateurs sont solidaires du circuit intégré tout en devant être isolés acoustiquement par rapport à celui-ci. À cet effet, on peut prévoir un support apte à réaliser une telle isolation. Le support peut comprendre une alternance de couches à forte impédance acoustique et de couches à faible impédance acoustique. Le support peut comprendre une membrane suspendue. Le résonateur proprement dit comprend un élément actif formé de matériau piézoélectrique disposé entre deux électrodes. La fréquence de résonance du résonateur dépend essentiellement de l'épaisseur du matériau piézoélectrique, de ses propriétés mécaniques et des propriétés mécaniques des électrodes. Des résonateurs peuvent être connectés entre eux dans différentes configurations pour produire des filtres. La fréquence centrale de tels assemblages dépend de la fréquence de résonance de chacun des résonateurs qui le composent. 2863789 2 Le document US 5 821 833 propose un dispositif consistant en un filtre à cristaux empilés, un substrat de support et un réflecteur acoustique disposé entre le substrat et le filtre pour supprimer des fréquences de résonance indésirables, à savoir le mode principal et la 5 troisième harmonique. L'article "Bulk acoustic wave coupled resonator filters" de K.M. Lakin en pages 8 à 14 de "2002 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition" passe en revue des filtres à cristaux empilés et des filtres à résonateurs couplés dans lesquels deux résonateurs sont couplés par des couches de couplage disposées entre eux. Les filtres des deux types sont montés sur des réflecteurs d'isolation massifs supportés par un substrat massif. L'invention vise à remédier aux inconvénients de tels dispositifs. L'inention vise à améliorer l'isolation entre le filtre et les autres parties d'un circuit pour éviter la transmission de vibrations néfastes. Le dispositif de résonateur acoustique, selon un aspect de l'invention, comprend un élément actif et un support pourvu d'une membrane et l'élément actif est pourvu d'au moins une couche piézoélectrique et est surmonté d'un ensemble multicouches pourvu d'au moins trois couches dont au moins une couche à forte impédance acoustique et au moins une couche à faible impédance acoustique. On entend par membrane une couche de matériau dont au moins une face est au moins partiellement en contact avec un fluide, notamment un gaz tel que de l'air ou de l'argon, disposé dans une zone voisine. Une membrane peut se déplacer par rapport à ladite zone voisine, sans influence notable sur d'autres éléments, tel que des éléments définissant ladite zone. De préférence, l'ensemble multicouches comprend deux couches à faible impédance acoustique entourant une couche à forte impédance acoustique. On entend par impédance acoustique la 2863789 3 grandeur Z produit de la densité du matériau p par la vitesse acoustique dans ce matériau v. Soit Z=p x v. Pour v, vitesse acoustique, on peut prendre comme définition: v = 1/2 C33 spi où C33 est un des coefficients de la matrice de compliance élastique. Pour des performances d'isolation acoustique élevées, il est souhaitable que la différence d'impédance acoustique entre les 10 matériaux soit la plus forte possible. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément actif est en contact avec une couche à faible impédance acoustique de l'ensemble multicouches. Dans un mode de réalisation de l'invention, la membrane est formée par une électrode inférieure de l'élément actif. En d'autres termes, un tel élément remplit, à la fois, la fonction électrique d'électrode et la fonction mécanique de membrane. On économise ainsi une couche. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la membrane 20 est disposée sous une électrode inférieure de l'élément actif. La membrane est, préférablement, disposée en contact avec ladite électrode inférieure de l'élément actif. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément actif comprend une couche piézoélectrique, une couche d'électrode inférieure, et une couche d'électrode supérieure, la couche piézoélectrique étant disposée entre la couche d'électrode inférieure et la couche d'électrode supérieure. L'ensemble multicouches peut être disposé sur la couche d'électrode supérieure. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément actif 30 comprend deux couches piézoélectriques et trois couches d'électrode, une couche piézoélectrique étant disposée entre deux couches 2863789 4 d'électrode. L'ensemble multicouches peut être disposé sur la couche d'électrode supérieure. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément actif comprend deux couches piézoélectriques, quatre couches d'électrode, et un ensemble multicouches pourvu d'au moins trois couches dont au moins une couche à forte impédance acoustique et au moins une couche à faible impédance acoustique, une couche piézoélectrique étant disposée entre deux couches d'électrode, et ledit ensemble multicouches étant disposé entre une couche d'électrode adjacente à une couche piézoélectrique inférieure et une couche d'électrode adjacente à une couche piézoélectrique supérieure. Avantageusement, la membrane est une membrane d'isolation acoustique. Dans un mode de réalisation de l'invention, un espace vide est 15 ménagé sous la membrane. Dans un mode de réalisation de l'invention, les couches d'électrode sont réalisées à base des matériaux suivants: Ag, Al, Au, Cu, La, Mo, Ni, Pt, Ta, Ti, W. Les électrodes peuvent avoir une épaisseur inférieure à 1 m, préférablement inférieure à 0,3 am. Dans un mode de réalisation de l'invention, la membrane est réalisée à base de nitrure de silicium ou de nitrure métallique. Dans un mode de réalisation de l'invention, les couches piézoélectriques sont réalisées à base des matériaux suivants: AIN, BaTiO3, KNbO3, La, LiTaO3, LiNbO3, PbTiO3, PbZrTiO3, ZnO, ZnS. Les couches piézoélectriques peuvent avoir une épaisseur comprise entre 0, 5 et 5 m, préférablement entre 1 et 3 m. Dans un mode de réalisation de l'invention, les couches de l'ensemble multicouches sont réalisées à base des matériaux suivants: AIN, SiO2, W, siliciures organiques, notamment du SiOC, Mo. Avantageusement, une membrane est commune à une pluralité de résonateurs. Une membrane peut supporter au moins un résonateur et au moins un organe micromécanique. 2863789 5 Dans un mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur de la membrane est inférieure ou égale à 2 m. Grâce à l'invention, on dispose d'un filtre acoustique convenablement isolé par rapport aux éléments adjacents tels que les transistors prévus dans un circuit intégré. En outre, une même membrane peut supporter plusieurs filtres acoustiques distincts, ce qui s'avère particulièrement avantageux en termes d'encombrement et de coût de fabrication. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre nullement limitatif, illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un circuit intégré, selon un mode de réalisation de l'invention; et les figures 2 à 5 montrent des variantes de la figure 1. Comme on peut le voir sur la figure 1, un composant 1 comprend un substrat 2, de composition classique, tel que du silicium et présentant une surface supérieure 2a. A partir de la surface supérieure 2a, un espace 3 est ménagé par gravure anisotrope du substrat 2 qui laisse subsister de part et d'autre de la concavité formée par l'espace 3 des portions du substrat 2 formant des piliers 4. Au dessus des piliers 4 et de l'espace 3 est disposée une membrane 5, de faible épaisseur, par exemple inférieure à 2 microns, et réalisée en nitrure de silicium Si3N4 ou encore en oxynitrure de silicium SiON. Au dessus de la membrane est disposé un élément actif 6 comprenant une électrode inférieure 7, deux électrodes supérieures 8 et 9 et une couche piézoélectrique 10. L'électrode inférieure 7 disposée en contact avec et sur la surface supérieure de la membrane 5 présente une faible épaisseur et sera généralement réalisée en métal ou en alliage métallique. Il en va de même des électrodes supérieures 8 et 9. La couche piézoélectrique 10 d'épaisseur nettement plus importante peut être réalisée en nitrure d'aluminium cristallin ou en céramique comprenant notamment du baryum, du titane, du potassium, du bore, 2863789 6 du zinc, etc. La couche piézoélectrique 10 est disposée en contact avec la surface supérieure de l'électrode inférieure 7. Les électrodes supérieures 8 et 9 sont disposées en contact avec la surface supérieure de la couche piézoélectrique 10 et sont séparées l'une de l'autre par une portion isolante 11, par exemple réalisée en oxyde de silicium. Le composant 1 comprend en outre un ensemble multicouches 12 disposé sur la surface supérieure des électrodes supérieures 8 et 9 et de la portion isolante 11. L'ensemble multicouches 12 permet un filtrage de certaines fréquences indésirables. L'ensemble multicouches 12 comprend trois couches superposées 13, 14 et 15, la couche inférieure 13 étant en contact avec les électrodes supérieures 8 et 9 et la portion isolante 11. En vue de dessus, les surfaces de l'électrode 7, de la couche piézoélectrique 10 et des couches 13 à 15 sont sensiblement identiques. On pourrait bien entendu prévoir un ensemble multicouches 12 présentant un nombre supérieur de couches. En vue d'un bon filtrage, on prévoit une couche inférieure 13 de faible impédance acoustique, une couche intermédiaire 14 de forte impédance acoustique et une couche supérieure 15 de faible impédance acoustique. Les couches 13 et 15 de faible impédance acoustique peuvent être réalisées à base de SiOC. Le SiOC est un matériau parfois utilisé pour réaliser des couches diélectriques à très faible permitivité sur un substrat ou dans des interconnexions. De préférence, on utilisera du SiOC poreux dont l'impédance acoustique est encore plus faible. Les pores de ce matériau sont généralement remplis d'un gaz tel que l' ârgon. La couche intermédiaire 14 à forte impédance acoustique peut comprendre du nitrure d'aluminium, du cuivre, du nickel, du tungstène, de l'or, du platine, ou encore du molybdène. Le nitrure d'aluminium pourra se présenter sous sa forme amorphe et être avantageux car souvent utilisé pour réaliser d'autres couches du circuit. Le cuivre a une impédance acoustique inférieure à celle du tungstène mais présente un intérêt en raison de son utilisation fréquente dans les interconnexions de circuit. Une couche de cuivre 2863789 7 peut ainsi être réalisée au cour d'une étape de fabrication commune avec d'autres éléments du même circuit intégré. Le tungstène offre une impédance acoustique particulièrement élevée. On dispose ainsi d'un résonateur économique, particulièrement bien isolé du substrat, et dont la fréquence de résonance peut être ajustée grâce à l'ensemble multicouches 12 dont il est possible de modifier relativement facilement les épaisseurs des couches 13 à 15 ou encore la nature des matériaux composants lesdites couches 13 à 15. Le substrat 2 et la membrane 5 peuvent être fabriqués séparément puis assemblés par collage. On peut aussi procéder en déposant une couche dite sacrificielle, par exemple en polymère, dans la cavité, en déposant la couche membrane que l'on grave très localement pour déboucher des trous sur la couche sacrificielle. On vient ensuite par gravure retirer le matériau sacrificiel et libérer la membrane. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, les références des éléments semblables sont conservées Ce mode de réalisation propose un filtre à cristaux empilés monté entre une membrane et un ensemble multicouches. Plus particulièrement, le composant 1 illustré sur la figure 2 diffère de celui de la figure 1 en ce qu'il comprend en outre une électrode intermédiaire 16 d'épaisseur et de nature comparables à celles de l'électrode inférieure 7. L'électrode intermédiaire 16 est disposée sur la surface supérieure de la couche piézoélectrique 10. L'élément actif 6 comprend en outre une couche piézoélectrique supplémentaire 17 disposée entre la surface supérieure de l'électrode intermédiaire 16 et la surface inférieure des électrodes supérieures 8 et 9 et de la portion isolante 11. On bénéficie ainsi des avantages des filtres à cristaux empilés tout en faisant bénéficier les autres éléments du circuit tels que les transistors d'une excellente isolation par rapport aux vibrations du résonateur grâce notamment à la membrane 5. 2863789 8 Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, le composant 1 comprend deux éléments actifs 6 et 18 séparés par un ensemble multicouches 12. L'élément actif 6 comprend une électrode inférieure 7 disposée sur la membrane 5, une couche piézoélectrique 10 et une électrode supérieure 19. Les électrodes 7 et 19 présentent sensiblement la même surface que la couche piézoélectrique 10 en vue de dessus. L'ensemble multicouches 12 pourvu des couches 13, 14 et 15 est disposé sur l'électrode supérieure 19. L'élément actif 18 comprend une électrode inférieure 20, une couche piézoélectrique 21 et deux électrodes supérieures 8 et 9 séparées l'une de l'autre. L'électrode inférieure 20 de l'élément actif 18 peut être reliée à une masse électrique et est disposée sur la surface supérieure de la couche supérieure 15 de l'ensemble multicouches 12. La couche piézoélectrique 21 qui peut être de même composition et de même épaisseur que la couche piézoélectrique 10 est disposée sur l'électrode inférieure 20. Les électrodes supérieures 8 et 9 sont disposées sur la surface supérieure de la couche piézoélectrique 21. Les électrodes supérieures 8 et 9 ne couvrent qu'une partie de la surface supérieure de la couche piézoélectrique 21. Au contraire, l'électrode inférieure 20 couvre sensiblement l'ensemble de la surface inférieure de la couche piézoélectrique 21. On dispose ainsi d'un filtre à résonateurs couplés monté sur membrane et donc particulièrement bien isolé du reste du substrat. Les éléments actifs 6 et 18 ont un couplage mécanique réduit grâce à l'ensemble multicouches 12 qui forme un empilément accordé de type miroir de Bragg. L'ensemble multicouches 12 présente une bande passante et vient isoler l'élément actif supérieur 18 qui est l'élément actif pour le signal électrique filtré, des modes parasites non rejetés au sein de l'élément actif inférieur 6. Un tel résonateur autorise des entrées et sorties différentielles ou non différentielles et peut permettre de se passer de la présence d'une capacité ou d'un transformateur en entrée du résonateur. A titre d'exemple, le 2863789 9 résonateur peut être relié directement à un mélangeur, à un amplificateur de puissance ou à un amplificateur à faible bruit. L'adaptation d'impédance est possible par le dimensionnement des épaisseurs de couche et en choisissant judicieusement la nature des matériaux des différentes couches. Un tel résonateur peut donc être réalisé de façon entièrement intégrée et particulièrement compacte et adaptable. Le mode de réalisation illustré sur la figure 4 est proche de celui illustré sur la figure 3 à ceci près que la membrane 5 et l'électrode inférieure 7 de l'élément actif 6 sont remplacées par une membraneélectrode 22 remplissant la fonction électrique d'électrode et la fonction mécanique de membrane. La membrane-électrode 22 repose sur la surface supérieure 2a des piliers 4 du substrat 2 et supporte par sa surface supérieure la couche piézoélectrique 10. La membrane-électrode 22 peut être réalisée en Ag, Al, Au, Cu, La, Mo, Ni, Pt, Ta, Ti ou W. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux par le fait qu'une seule couche assure à la fois une fonction électrique et une fonction mécanique d'isolation. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5, il est prévu deux résonateurs acoustiques 1 et 23 avec un même substrat 2, la même membrane 5 délimitant un espace 3 pour le résonateur 1 et un espace 24 pour le résonateur 23 qui pour le reste présentent des structures semblables. Le fond de l'espace 3, 24 est formé par une surface 2b du substrat 2 distante de la surface supérieure 2a de façon que la membrane 5 puisse se déformer tout en conservant un écart par rapport à la surface 2a. Il est donc possible, grâce à l'excellente isolation assurée par la membrane 5, qu'une même membrane supporte une pluralité de résonateurs acoustiques. Bien entendu, on peut prévoir que le résonateur 23 présente certaines couches de nature et/ou d'épaisseur différentes de celles des couche correspondantes du résonateur 1. Il est en tout état de cause particulièrement économique de faire bénéficier les résonateurs 1 et 23 d'une membrane commune 5. 2863789 10 En outre, il est possible de concevoir une variante où les deux cavités 3 et 24 de la figure 5 ne forment qu'une seule cavité. En outre, il peut être avantageux de former sur le même substrat 2 des systèmes microélectromécaniques tels que des capacités variables ou encore des interrupteurs, éventuellement en se servant de la même membrane 5, voire de la même cavité. De tels résonateurs acoustiques peuvent être utilisés dans des applications telles que des filtres de téléphonie, ou en télévision numérique terrestre, des oscillateurs à commande en tension, ou encore pour des étages RF. 11 REVENDICATIONS 1-Dispositif de résonateur acoustique (1) comprenant un élément actif (6) et un support, caractérisé par le fait que le support comprend une membrane (5) et que l'élément actif (6) pourvu d'au moins une couche piézoélectrique (10) est surmonté d'un ensemble multicouches (12) pourvu d'au moins trois couches (13 à 15) dont au moins une couche à forte impédance acoustique et au moins une couche à faible impédance acoustique. 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 10 l'ensemble multicouches (12) comprend deux couches à faible impédance acoustique (13,15) entourant une couche à forte impédance acoustique (14). 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément actif (6) est en contact avec une couche à faible impédance acoustique (13) de l'ensemble multicouches (12). 4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la membrane (22) est formée par une électrode inférieure de l'élément actif. 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 20 caractérisé par le fait que la membrane (5) est disposée sous une électrode inférieure (7) de l'élément actif (6). 6-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la membrane (5) est disposée en contact avec ladite électrode inférieure (7) de l'élément actif (6). 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément actif (6) comprend une couche piézoélectrique (10), une couche d'électrode inférieure (7), et une couche d'électrode supérieure, la couche piézoélectrique (10) étant disposée entre la couche d'électrode inférieure et la couche d'électrode supérieure. 2863789 12 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément actif (6) comprend deux couches piézoélectriques (10,17) et trois couches d'électrode, une couche piézoélectrique étant disposée entre deux couches d'électrode. 9-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément actif comprend deux couches piézoélectriques (10,21), quatre couches d'électrode, et un ensemble multicouches (12) pourvu d'au moins trois couches dont au moins une couche à forte impédance acoustique et au moins une couche à faible impédance acoustique, une couche piézoélectrique étant disposée entre deux couches d'électrode, et l'ensemble multicouches (12) étant disposé entre une couche d'électrode adjacente à une couche piézoélectrique inférieure et une couche d'électrode adjacente à une couche piézoélectrique supérieure. 10-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la membrane (5) est une membrane d'isolation acoustique. 11-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un espace vide est ménagé sous la membrane (5). 12-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les couches d'électrode sont réalisées à base des matériaux suivants: Al, Au, Mo, Pt, Ti, W. 13-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la membrane (5) est réalisée à base de nitrure dé silicium ou de nitrure métallique. 14-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les couches piézoélectriques (10,21) sont réalisées à base des matériaux suivants: AIN, BaTiO3, KNbO3, ZnO. 15-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les couches de l'ensemble 2863789 13 multicouches (12) sont réalisées à base des matériaux suivants: AIN, SiO2, W, siliciures organiques, Mo. 16-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une membrane (5) est commune 5 à une pluralité de résonateurs. 17-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la membrane (5) est inférieure ou égale à 2 m.