低溫漂薄膜體聲波諧振器研究

蔣世義，蔣平英，劉 婭，甄靜怡，徐 陽(yáng)，彭 霄，唐中劍(.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060;.重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人工智能學(xué)院,重慶 4007)

0 引言

諧振器是阻抗元結(jié)構(gòu)微聲濾波器的基本單元。由于常規(guī)的微聲諧振器具有一定的頻率溫度系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致濾波器在高低溫工作下通帶漂移，為保證全溫范圍內(nèi)通帶的低損耗，濾波器帶寬常會(huì)大于信號(hào)帶寬。諧振器頻率溫度系數(shù)越大，實(shí)際制作的濾波器帶寬需求越寬，設(shè)計(jì)的濾波器帶寬相對(duì)于信號(hào)帶寬增加的部分，本文稱(chēng)之為保護(hù)帶寬。隨著保護(hù)帶寬的增加，將降低濾波器對(duì)近端帶外的抑制，導(dǎo)致進(jìn)入接收機(jī)的干擾信號(hào)增多，影響整機(jī)信噪比及靈敏度，同時(shí)降低了頻率資源利用率。

空腔結(jié)構(gòu)的薄膜體聲波諧振器 (FBAR)[1]具有體積小,品質(zhì)因數(shù)高,功率容量大及抗靜電沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其主要材料包括電極材料Mo和壓電材料AlN，這兩種材料都具有負(fù)頻率溫度效應(yīng)。因此，常規(guī)的Mo-AlN-Mo結(jié)構(gòu)的FBAR的頻率溫度系數(shù)(TCF)約為-25×10-6/℃，而半導(dǎo)體常用材料中，SiO2的頻率溫度系數(shù)約為+85×10-6/℃，可作為FBAR濾波器的溫度補(bǔ)償材料。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的膜系結(jié)構(gòu)，對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)的FBAR溫度效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，可將其TCF控制在較低的范圍。

本文介紹了一種在壓電層上生長(zhǎng)SiO2溫度補(bǔ)償層的FBAR結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的厚度，實(shí)現(xiàn)了諧振頻率2 558.6 MHz、反諧振頻率2 590.7 MHz、頻率溫度系數(shù)2.44×10-6/℃的低溫漂FBAR。由于溫補(bǔ)層的增加，導(dǎo)致器件總體壓電效應(yīng)降低，使得器件的有效機(jī)電耦合系數(shù)降低到3.1%。該低溫漂諧振器的實(shí)現(xiàn)，為窄帶低溫漂濾波器的研制提供了有效的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)支撐。

1 低溫漂FBAR設(shè)計(jì)

1.1 膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國(guó)際上低溫漂FBAR采用的溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)主要有：

1) 在壓電材料與電極間生長(zhǎng)SiO2薄膜[2]。

2) 在電極內(nèi)埋入SiO2薄膜，使電極形成三明治結(jié)構(gòu)[3]。

采用第1)種結(jié)構(gòu)方式，雖然可獲得較好的溫度補(bǔ)償效果，但由于SiO2與壓電層相鄰，將降低器件的壓電效應(yīng)，導(dǎo)致諧振器的有效機(jī)電耦合系數(shù)降低，從而使得制作的濾波器帶寬較窄。采用第2)種結(jié)構(gòu)方式，雖然溫度補(bǔ)償效果較差，但其可減小溫補(bǔ)層對(duì)壓電層的影響，降低有效機(jī)電耦合系數(shù)減小的幅度。因此，膜層結(jié)構(gòu)的選擇將根據(jù)需實(shí)現(xiàn)濾波器的帶寬及頻率溫度系數(shù)進(jìn)行綜合。本文介紹的低溫漂諧振器是針對(duì)極窄帶的溫度補(bǔ)償型濾波器應(yīng)用，因此采用第1)種膜層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 溫度補(bǔ)償型FBAR膜層結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 設(shè)計(jì)模型優(yōu)化

通常采用一維Mason模型[4]或MBVD模型[5]描述FBAR器件的特性。由于MBVD模型為電阻-電感-電容(R-L-C)等效模型，設(shè)計(jì)各膜層厚度不方便。因此，本文采用Mason模型進(jìn)行諧振器的模擬計(jì)算。

圖2為采用Mason模型建立的諧振器等效電路。種子層和保護(hù)層的邊界均為空氣界面，將聲波能量限制在諧振器結(jié)構(gòu)中。壓電層有2個(gè)聲學(xué)端口和2個(gè)電學(xué)端口，普通聲學(xué)層具有2個(gè)聲學(xué)端口，將壓電層、普通聲學(xué)層的等效電路級(jí)聯(lián)，可得溫度補(bǔ)償型FBAR的Mason等效電路。

圖2 溫度補(bǔ)償型諧振器Mason模型

常規(guī)的Mason模型參數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，不能反映諧振器性能隨溫度的變化,所以需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于各向同性介質(zhì)，彈性勁度常數(shù)[6]為

(1)

式中c11=c22=c33。

在各向同性介質(zhì)中，沿任意方向都可傳播偏振方向相互垂直的3類(lèi)平面波，包括2個(gè)橫波(或稱(chēng)剪切波)和1個(gè)縱波。FBAR利用的是縱波，其縱波聲速v1為

(2)

式中ρ為材料的密度。

FBAR諧振器結(jié)構(gòu)中，種子層、上下電極層、溫度補(bǔ)償層和保護(hù)層皆為各向同性介質(zhì)。

AlN壓電薄膜為六方晶系，且在FBAR中聲波傳播方向沿晶軸c軸傳播。在電場(chǎng)恒定時(shí)，AlN壓電薄膜的彈性勁度常數(shù)為

(3)

壓電應(yīng)力常數(shù)為

(4)

夾持介電常數(shù)為

(5)

縱波聲速為

(6)

將式(2)、(6)中的相關(guān)參數(shù)替換為與溫度相關(guān)的參數(shù)，即可將常規(guī)的Mason模型優(yōu)化為具備溫度特性的模型，即Mason_T模型。

1.3 Mason模型仿真

采用優(yōu)化后的Mason_T模型對(duì)諧振器膜厚進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)置諧振器的諧振頻率為2 576 MHz，頻率溫度系數(shù)優(yōu)于±3×10-6/℃。綜合頻率和頻率溫度系數(shù)要求，設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償型FBAR膜厚如表1所示。

表1 溫度補(bǔ)償型FBAR膜厚

仿真計(jì)算的溫度補(bǔ)償型FBAR導(dǎo)納值(Y參數(shù))如圖3所示。圖中，Y1,1、Y2,2、Y3,3分別為-55 ℃、15 ℃、85 ℃時(shí)諧振器的導(dǎo)納值。

圖3 溫補(bǔ)諧振器導(dǎo)納仿真曲線(xiàn)

頻率溫度系數(shù)[7]為

(7)

式中：T0為最低工作溫度；T1為最高工作溫度；fr T0為T(mén)0時(shí)諧振器的諧振頻率；fr T1為T(mén)1時(shí)諧振器的諧振頻率。由式(7)可得此膜層結(jié)構(gòu)下溫度補(bǔ)償型FBAR的TCF=2.07×10-6/℃。

2 低溫漂FBAR制作

工藝上選用品質(zhì)因數(shù)(Q)值較高的空腔結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更低的插損，具體工藝流程如圖4所示[8]。圖4(a)在6英寸(1英寸=2.54 cm)高阻硅片上進(jìn)行硅槽制備及氧化，并淀積犧牲層。圖4(d)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積法(PECVD)生長(zhǎng)溫補(bǔ)層SiO2，采用磁控濺射生長(zhǎng)壓電層AlN。圖4(h)刻蝕釋放孔并通過(guò)釋放孔通道腐蝕犧牲層，最終形成空腔結(jié)構(gòu)的溫度補(bǔ)償型FBAR。

圖4 溫度補(bǔ)償型FBAR工藝流程圖

在工藝過(guò)程中，通過(guò)分別控制各層薄膜應(yīng)力及采用應(yīng)力補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合薄膜的低應(yīng)力制備，制作出結(jié)構(gòu)完整的溫度補(bǔ)償型FBAR。圖5為溫度補(bǔ)償型諧振器芯片實(shí)物照片。圖6為溫度補(bǔ)償型諧振器芯片剖面膜層結(jié)構(gòu)。

圖5 溫度補(bǔ)償型諧振器顯微鏡照片

圖6 溫度補(bǔ)償型諧振器剖面圖

3 低溫漂FBAR測(cè)試及分析

采用GSG探針及高低溫探針臺(tái)對(duì)諧振器進(jìn)行了-55 ℃、室溫(凈化間溫度約為20 ℃)、+85 ℃下的電性能測(cè)試。3種溫度下導(dǎo)納曲線(xiàn)實(shí)測(cè)圖如圖7所示。

圖7 溫度補(bǔ)償型諧振器3種溫度下導(dǎo)納測(cè)試圖

根據(jù)式(7)計(jì)算可得，-55 ℃、85 ℃下，諧振器的頻率溫度系數(shù)為2.44×10-6/℃，有效機(jī)電耦合系數(shù)為3.1%。

將圖7與圖3進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)與仿真基本吻合。由于工藝過(guò)程中膜厚偏差，導(dǎo)致了頻率及頻率溫度系數(shù)與仿真值存在偏差。頻率偏差可通過(guò)對(duì)保護(hù)層采用離子束調(diào)頻進(jìn)行修正，頻率溫度系數(shù)的差異在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種溫度補(bǔ)償型FBAR。諧振器采用優(yōu)化的Mason模型進(jìn)行溫度特性仿真，通過(guò)綜合考慮頻率和溫度特性指標(biāo)，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的諧振器膜層及厚度，并進(jìn)行了器件的實(shí)際制作。通過(guò)測(cè)試及分析表明，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)吻合較好。

采用本文所述的方法實(shí)現(xiàn)了低溫漂FBAR，同時(shí)可準(zhǔn)確衡量器件的頻率溫度特性。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低溫漂的薄膜體聲波濾波器。