SiO2/W反射疊層的分布電容對體波諧振器的影響

吳兆輝, 唐盤良,,李樺林,米 佳,鮑景富

(1.電子科技大學(xué) 集成電路科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 611731;2.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

為了獲得更高的壓電耦合系數(shù),基于鈮酸鋰(LN)的聲學(xué)濾波器逐漸成為重點研究對象,而XBAR作為新型體波器件也受到越來越多的關(guān)注。XBAR在實現(xiàn)高工作頻率的同時,耦合系數(shù)也超過30%[1-2],滿足5G通信中高頻寬帶的要求。聲表面波(SAW)諧振器的聲速約4 000 m/s,如果設(shè)計頻率超過3 GHz,電極線寬小于330 nm,對光刻技術(shù)的要求更嚴(yán)格。XBAR選擇在鈮酸鋰上激發(fā)厚度振動模式(A1 Lamb波),工作頻率取決于薄膜厚度,電極的周期不是影響頻率的主要因素。薄膜制作工藝的進(jìn)步(如通過離子注入實現(xiàn)薄膜剝離的Smart Cut工藝[3])使XBAR結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。Victor Plessky等[4]將壓電薄膜鍵合在襯底上,在電極圖形化后通過背部體硅刻蝕工藝形成懸浮的振動薄膜,但是物理可靠性、溫漂[5]和功率容量[6]等問題均限制了XBAR的進(jìn)一步應(yīng)用。在壓電薄膜下方構(gòu)造多層布喇格反射結(jié)構(gòu),即固態(tài)裝配型諧振器(SMR),可以較好地解決這些問題。本文用XSMR表示基于XBAR諧振器的SMR結(jié)構(gòu)(具有叉指電極IDT,用以區(qū)別傳統(tǒng)SMR)。

SMR結(jié)構(gòu)交替沉積低聲阻抗材料和高聲阻抗材料,利用布喇格反射將能量限制在壓電層,以抑制能量泄露到襯底。反射層之間的聲阻抗相差越大,則反射能力越強,傳輸阻帶的頻率范圍越大,諧振器的品質(zhì)因數(shù)(Q)值也越高。與XBAR的懸空薄膜結(jié)構(gòu)相比,SMR不能提供100%的能量反射,因此,Q值會下降。低阻抗層常用SiO2,高聲阻抗層材料有AlN[7]、Ta2O5[8]及Mo[9]、W[10]等。因為XBAR的耦合系數(shù)超過30%,這要求布喇格反射層必須提供足夠?qū)挼淖鑾?。W具有高密度和高彈性系數(shù),其聲阻抗遠(yuǎn)高于其他材料。本文重點討論了由SiO2/W組成的布喇格反射疊層對諧振器性能的影響,并加工實物進(jìn)行驗證。

從聲波傳輸與電容效應(yīng)兩方面討論SiO2/W的作用。首先建立多層布喇格反射模型,計算聲波傳輸阻帶,優(yōu)化各層膜厚;然后根據(jù)鎢的導(dǎo)電性,分析XSMR中的金屬層與IDT之間的電容效應(yīng),基于有限元法研究并聯(lián)電容對電場分布的影響,并使用MBVD模型提取相關(guān)的電容參數(shù);最后通過加工測試對分布電容的影響進(jìn)行驗證。

1 SMR結(jié)構(gòu)的布喇格反射

XBAR的壓電薄膜上下表面是空氣[3],提供了自由振動邊界條件,反射系數(shù)的相位為0°。在SMR中,壓電薄膜下方沉積了由多層薄膜構(gòu)成的聲學(xué)反射器,結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,pI為IDT周期(l/2,l為波長),hAl,hLN,hSiO2,hW分別為Al、LN、SiO2、W的厚度。

圖1 XSMR諧振器,壓電層下方使用SiO2/W四層結(jié)構(gòu)

根據(jù)傳輸線模型,單層薄膜厚度為l/4即可實現(xiàn)阻抗變換,反射疊層相當(dāng)于阻抗變換器,它為諧振體(壓電薄膜)提供超低阻抗。兩種材料的聲阻抗之比越大,則該聲波反射結(jié)構(gòu)的反射性能越強。布喇格反射器的層數(shù)為N,定義為低阻抗層數(shù)與高阻抗層數(shù)之和。

聲阻抗指傳播介質(zhì)的應(yīng)力與聲速的復(fù)數(shù)比值,也可以轉(zhuǎn)換為彈性模量和密度[11]。由于A1模式為剪切模式,依據(jù)下式計算聲阻抗:

(1)

式中:G為剪切模量;ρ為質(zhì)量密度。由式(1)計算得到W的聲阻抗為55.74 MRayl(1 MRayl=106Pa·s/m3)。

為了匹配XBAR的工作模態(tài)A1 Lamb波的高耦合系數(shù),使用SiO2/W構(gòu)造XSMR可以提供很寬的傳輸阻帶。首先調(diào)整厚度,評估傳輸阻帶的中心頻率與頻率帶寬。圖2為基于4層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)反射疊層(SiO2/W/SiO2/W)模型計算W與SiO2的厚度比值r(r=hw/hSiO2)對聲波傳輸系數(shù)的影響,其中SiO2厚度固定為314 nm。圖中灰色陰影部分為目標(biāo)工作頻段。由圖可見,布喇格傳輸阻帶中心頻率在3.7 GHz,隨著r增大,傳輸阻帶可以集中到工作頻段,這有利于抑制帶外雜散,但傳輸系數(shù)略有惡化。

圖2 r對聲波傳輸系數(shù)的影響

SMR對剪切波和縱波的反射能力不同,圖3為SiO2/W四層反射結(jié)構(gòu)對剪切波和縱波的傳輸系數(shù)。由圖可見,在諧振器的工作頻段,主模A1的機械振動能量集中在壓電層,縱波(雜模)部分地泄露到襯底,減小其響應(yīng)強度。

圖3 SiO2/W四層反射結(jié)構(gòu)對剪切波和縱波的傳輸系數(shù)

2 諧振器耦合系數(shù)

在XSMR中使用金屬材料W,但金屬的導(dǎo)電性會產(chǎn)生并聯(lián)分布電容Cp。電荷通過靜電感應(yīng)積聚在IDT和W之間,形成縱向電場分量Ez,使橫向電場Ex分量減小。激勵電場不完全轉(zhuǎn)化為Ex,將降低等效耦合系數(shù)K2,又因Cp的影響,既使采用了W作為高聲阻抗材料層,但K2仍下降。為了進(jìn)行橫向?qū)Ρ?統(tǒng)一采用FBAR的等效耦合系數(shù)計算方法[11]:

(2)

式中:fr為諧振頻率;fa為反諧振頻率。

頻域的響應(yīng)結(jié)果如圖4所示。由圖可見,當(dāng)在仿真中不考慮金屬層的導(dǎo)電性,此時K2=28.5%。當(dāng)在模型中考慮金屬層的導(dǎo)電性(設(shè)置開路條件,即float邊界條件,Cp被引入)后,K2下降至18.9%。為了進(jìn)一步分析諧振器性能惡化的原因,首先計算Cp值。

圖4 在仿真中金屬層導(dǎo)電性對諧振器耦合系數(shù)的影響

圖5為靜態(tài)電容隨電極金屬化率(電極占空比)的變化曲線。由圖可知,Cp對反諧振頻率影響較大,對諧振頻率影響較小。利用MBVD模型可得反諧振頻率ωa(ωa=2πfa)與Cp的關(guān)系為

(3)

式中:Cm為動態(tài)電容;Lm為動態(tài)電感;C0為靜態(tài)電容。

圖5 靜態(tài)電容隨電極金屬化率(電極占空比)的變化曲線

在電路結(jié)構(gòu)中Cp與C0并聯(lián),再與動態(tài)支路并聯(lián),金屬層引起的分布電容越大,反諧振頻率越小。根據(jù)有限元模型仿真結(jié)果,用MBVD模型擬合出靜態(tài)電容C0,可以得到兩種條件下的靜態(tài)電容值:

1)C01:考慮金屬導(dǎo)電性(W/Cp),需要設(shè)置開路邊界條件,令電場方向垂直于金屬表面。

2)C02:不考慮金屬導(dǎo)電性(W/OCp)。兩個電容值相減即可得到分布電容的估計值:

Cp=C01-C02

(4)

另一個使諧振器性能下降的因素是金屬層對電場分布的影響。理想一維模型中,A1模式通過橫向電場進(jìn)行激勵,實際上不可避免地引入了縱向分量。圖6為金屬層對電場分布的影響。由于電容效應(yīng),壓電層中的橫向電場分量Ex減弱,縱向分量Ez加強。圖6(a)在仿真中排除了W的導(dǎo)電性。圖6(b)考慮了W的導(dǎo)電性,設(shè)置開路邊界條件后,電場方向垂直于金屬化表面。

圖6 金屬層對電場分布的影響

3 加工與測試

基于Smart Cut技術(shù)加工XSMR測試樣品,鈮酸鋰膜厚500 nm,二氧化硅膜厚314 nm,鎢膜厚534 nm。采用4層反射層結(jié)構(gòu)。諧振器的加工結(jié)果以及MBVD擬合如圖7所示。由圖可見,當(dāng)諧振頻率fr=3 720 MHz時,Q的最大值為168,K2=12%。綜上分析可知,分布電容導(dǎo)致耦合系數(shù)較低。諧振器的阻抗比較低(約45 dB),其原因:

1) SMR層數(shù)較少。

2) 諧振器采用厚度為100 nm的鋁電極,由于電極層較薄,造成引線電阻(歐姆損耗)偏大,經(jīng)過MBVD模型擬合后得到IDT的歐姆電阻Re=1 Ω(見表1)。表中,Rm為動態(tài)電阻,R0為靜態(tài)電阻。XBAR的電極間距較大,增加了傳播損耗。

圖7 諧振器的測試結(jié)果

表1 MBVD模型的元件值

SMR的各層膜厚不均勻會導(dǎo)致諧振器頻率發(fā)生偏移。電極圖形化前對晶圓上下左右以及中間處的膜厚進(jìn)行采樣測試,各層膜厚偏差低于0.9%。

圖8為諧振器的仿測結(jié)果對比圖。1#～4#樣品分別在晶圓中心和四周等4個不同位置處隨機取樣,它們的設(shè)計尺寸參數(shù)相同。由于膜厚的不均勻,使諧振器的頻率發(fā)生小幅度偏移。由圖可見,有限元法(FEM)仿真能夠較好地匹配主模和雜散情況。

圖8 晶圓上不同位置處的諧振器隨機抽樣測試結(jié)果與FEM仿真對比

4 結(jié)束語

本文討論了金屬鎢的聲阻抗性能以及應(yīng)用于寬帶XSMR的性能表現(xiàn)。雖然鎢的聲阻抗很高,且具有很寬的布喇格傳輸阻帶,但其導(dǎo)電性對傳輸帶寬有影響。引入并聯(lián)電容Cp及改變電場分布均會降低諧振器的耦合系數(shù)。采用4層疊層結(jié)構(gòu)的XSMR諧振器Q值較低,為了提高性能指標(biāo),需增加層數(shù)及優(yōu)化電極。此外,采用非金屬材料可避免分布電容對諧振器的影響。