CN106253871B - 一种通带展宽的baw梯型滤波器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通带展宽的BAW梯型滤波器及其制造方法，该滤波器包括制备于衬底上的彼此互连的m个串联和n个并联FBAR单元、信号输入端子、信号输出端子、结点N1~Nn+1；该滤波器设计方法主要通过：构建FBAR单元的Mason仿真电路模型、调整FBAR单元各膜层的厚度、确定滤波器的级联阶数和拓扑结构、使用参数化设计方法仿真得到BAW梯型滤波器串、并联FBAR的谐振区面积、使用优化方法对带内插损、带内纹波进行优化；在制造过程中，采用DRIE+RIE的两步法工艺方法刻蚀FBAR背部以形成空腔，提高BAW滤波器的成品率；本发明能提高BAW梯型滤波器滤波性能，缩短滤波设计周期，提高BAW滤波器器件可靠性。

Description

一种通带展宽的BAW梯型滤波器及其制造方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种通带展宽的BAW梯型滤波器与制造方法。
技术背景
体声波（Bulk Acoustic Wave；BAW）滤波器是由一对串、并联FBAR（film bulkacoustic resonator；薄膜体声波谐振器）单元构成的单阶滤波器级联而成的，针对宽带宽的BAW梯型滤波器各项技术指标进行设计的一般流程如下：1.根据BAW梯型滤波器的中心频率及带宽确定FBAR单元各膜层的厚度。通过调整FBAR单元各膜层厚度能够首先确定BAW梯型滤波器的中心频率指标；在此基础上，通过减小FBAR膜层厚度，能够增加FBAR串并联谐振频率差值，实现BAW梯型滤波器的宽带宽指标；2.根据BAW梯型滤波器的带外抑制指标确定BAW梯型滤波器的级联阶数和拓扑结构；3.根据BAW梯型滤波器的带外抑制，插入损耗和带内纹波的性能确定满足指标的各FBAR单元谐振区面积。
上述BAW梯型滤波器的设计过程中存在三个问题：1.减小FBAR膜层厚度实现宽带宽指标时，FBAR膜层中顶、底电极厚度减小，会使FBAR器件的欧姆损耗增大，而从降低FBAR器件的Q值，影响BAW梯型滤波器的滤波性能。因此，一般在保证厚度大于工艺允许的最小值下，主要通过减薄支撑层的厚度实现宽带宽指标，而顶、底电极厚度的调节仅作为频率的微调手段，用于确定BAW梯型滤波器的中心频率不变。但是厚度较薄的支撑层在后期器件制备中，由于Si衬底的片内刻蚀不均匀性，DRIE工艺的过刻蚀可能会损坏甚至刻穿较薄的支撑层，从而极有可能导致FBAR器件的失效；2.根据带外抑制指标和带内插损、带内纹波确定BAW梯型滤波器中各FBAR单元面积时，由于FBAR单元的面积变量有2N或2N+1个，如果通过手动调节各FBAR单元面积，使设计周期过长，同时结果预知不可知；如果设定优化目标，通过软件自动优化功能调节各FBAR单元面积，虽然2N或2N+1个面积变量的优化时间较之手动调整FBAR面积花费的时间大大缩减，但是该优化准则并没有考虑N阶BAW梯型滤波器的形成原理，可能导致优化得到的各FBAR单元面积出现过大或者过小的情况，过小的面积承受的功率容量较低，这会限制整个BAW梯型滤波器的功率容量，从而限制了其应用范围。3.为了便于流程化设计BAW梯型滤波器，在第一步确定BAW梯型滤波器中心频率时，采用的是并联谐振器的并联谐振频率(fpp)、串联谐振器的串联谐振频率(fss)与BAW梯型滤波器中心频率f0精确对准的方法，但是利用该方法发现设计得到的滤波器曲线通带内呈现“中间高、两边低”的现象，这无疑会增加BAW梯型滤波器的带内插损和带内纹波。
特别的，在滤波器的制作过程中，现有的专利、文献大都采用Si衬底作为构成BAW滤波器的各FBAR单元的衬底，例如，公开日为2014年9月10日，公开号为CN104038177A的中国发明专利申请文献，公开了“用于紫外探测的薄膜体声波谐振及其制备方法”，是制作在Si衬底上的紫外探测薄膜体声波谐振器。该技术方案中，主要缺陷是采用深反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching； DRIE）对Si衬底进行刻穿以形成通孔型FBAR器件时，由于刻穿Si衬底需要很长时间，其刻蚀速率的非一致性以及可变性将会对FBAR器件结构造成很大危害。仅仅使用DRIE刻穿500um厚的Si衬底，反应物很难到达硅槽的底部继续进行刻蚀，有时甚至导致刻蚀反应的停止。如果刻蚀不完全不能形成一个完整的空腔，就会造成FBAR器件性能的严重下降；如果进一步增加刻蚀时间，刻蚀会对FBAR支撑层造成一定程度的损伤，对于具有较薄支撑层的FBAR器件而言，甚至会刻穿支撑层，造成FBAR器件的彻底损坏，使得制作的BAW梯型滤波器失效。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种通带展宽的BAW梯型滤波器和制造方法。设计的BAW梯型滤波器性能优越，同时设计周期短；提出了一种DRIE+RIE的两步法工艺，旨在确保制备的BAW梯型滤波器具有更高可靠性。器件性能更好的优点，本发明专利提出的一种通带展宽的BAW梯型滤波器和制造方法为宽带BAW滤波器的设计和制造提供了捷径。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：包括制备衬底上的信号输入端子Vin、信号输出端子Vout、结点N1~ Nn+1和彼此互连的n个串联的FBAR单元、m个并联的FBAR单元，m和n为正整数，其中，m=n+1，n>1；所述FBAR包括制备在衬底上的自下而上依次沉积的支撑层、底电极、压电层、顶电极。
设计上述通带展宽的BAW梯型滤波器的方法步骤如下：
S1，构建FBAR单元的Mason仿真电路模型；
S2，根据BAW梯型滤波器的中心频率调整FBAR单元支撑层、底电极、压电层、顶电极的厚度；
S3，根据宽带宽指标，在工艺厚度约束条件下，调节支撑层厚度，再次微调串、并联FBAR的顶电极厚度，使BAW梯型滤波器的中心频率不变。
S4，根据带外抑制指标，确定BAW梯型滤波器的级联阶数和拓扑结构；
S5，根据BAW梯型滤波器的带外抑制、带内插损、带内纹波，使用参数化设计方法仿真得到BAW梯型滤波器串、并联FBAR的谐振区面积；
S6，使用带内插损、带内纹波的优化方法对设计的BAW梯型滤波器带内插损、带内纹波进行优化。
对于S5中的参数化化设计方法，进一步限定为：设定传输系数S参数为优化目标；设定并联FBAR与串联FBAR面积之比am、以及串联FBAR面积An为优化变量，使用梯度优化算法进行优化。
对于S6中的带内插损、带内纹波的优化方法，进一步限定为：只减小串联FBAR顶电极厚度，或只增加并联FBAR顶电极厚度，或既减小串联FBAR、又增大并联FBAR顶电极厚度，使并联FBAR的并联谐振频率（fpp）小于串联FBAR的串联谐振频率（fss），即fpp< fss。
所述的设计方法适用于设计通孔型，或空腔型，或布拉格反射型FBAR结构的BAW梯形滤波器。
对于通带展宽的BAW梯型滤波器的制作方法，具体结构和连接关系进一步限定为：所述n个FBAR单元串联连接，所述信号输入端子Vin与第一个串联FBAR单元之间的结点为结点N1，第n个串联FBAR单元与所述信号输出端在子Vout之间的结点为结点Nn+1，结点N1与结点Nn+1连接，所述第二个串联FBAR单元到第n-1个串联FBAR单元之间，每相邻两个串联FBAR单元之间结点分别连接一个所述并联FBAR单元的一端，每个并联FBAR单元的另一端接地。
对于上述一种通带展宽的BAW梯型滤波器的制造方法中，所述FBAR的衬底可以是SOI（绝缘体上的硅）衬底，也可以是Si（硅）衬底。其中，采用SOI衬底比普通Si衬底作为FBAR衬底更具有优势，具体表现为：a.SOI埋氧层的刻蚀自停止特性使得刻蚀速度较慢，便于监控刻蚀时间，使刻蚀停止在希望不受破坏的支撑层上，确保了器件的可靠性；b.由于SOI中埋氧层的良好绝缘性，使泄露到衬底的射频输入信号减少；c.由于SOI中埋氧层的良好绝缘性，用在FBAR衬底中，能够降低各个FBAR单元的衬底损耗，对由FBAR构成的BAW梯型滤波器的插入损耗性能影响较小。
当所述FBAR的衬底为Si衬底时，构成BAW梯型滤波器的单个FBAR制备工艺流程如下：
步骤1：制备Si衬底；
步骤2：在Si衬底上制备支撑层；
步骤3：在支撑层上制备底电极；
步骤4：在底电极上制备压电层；
步骤5：在压电层上制备顶电极；
步骤6：刻蚀Si衬底以形成空腔。
所述步骤6对Si衬底刻蚀时，采用DRIE+RIE的两步法刻蚀：首先是采用刻蚀速率快的DRIE对Si衬底进行刻蚀，目的是尽快刻穿Si衬底，以防硅残留在空腔内，影响FBAR的性能；当采用DRIE对Si衬底刻蚀至一定厚度时，换用刻蚀速率较低的RIE工艺刻蚀剩余厚度的Si，使得刻蚀时间的控制更加容易，能够使刻蚀正好停在希望不被破坏的支撑层下表面。
当所述FBAR的衬底为SOI衬底时，所述SOI衬底自下而上依次包括底层硅、埋氧层、顶层硅。
当所述FBAR的衬底为SOI衬底时，构成BAW梯型滤波器的单个FBAR制备工艺流程如下：
步骤a：制备SOI衬底；
步骤b：在SOI衬底上制备支撑层；
步骤c：在支撑层上制备底电极；
步骤d：在底电极上制备压电层；
步骤e：在压电层上制备顶电极；
步骤f：刻蚀SOI衬底以形成空腔。
对于所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器的制造方法，进一步限定为：所述步骤f对SOI衬底刻蚀时，采用DRIE+RIE的两步法刻蚀：先采用刻蚀速率快的DRIE工艺对SOI底层硅进行刻蚀，目的是尽快刻穿底层硅，以防硅残留在空腔内，影响FBAR的性能；当刻蚀至埋氧层，换用刻蚀速率较低的RIE工艺对埋氧层及顶层硅进行刻蚀，由于埋氧层的刻蚀自停止特性，使得刻蚀时间的控制更加容易，能够使刻蚀正好停在希望不被破坏的支撑层下表面。
所述步骤a中，SOI衬底选用SIMOX工艺制备，目的是使制备的埋氧层厚度较薄（通常小于1μm），这样更便于监控刻蚀时间，能够使刻蚀正好停在希望不被破坏的支撑层下表面。
上述的制备方法仅仅适用于制备通孔型FBAR。当FBAR为通孔型时，所述FBAR背部有刻蚀形成的空腔，用于将声波限制在FBAR内。
本发明的有益效果如下：
1.本发明在制作BAW梯型滤波器时，采用DRIE与RIE两步法刻蚀，这种两步法刻蚀的优势是：便于监控刻蚀时间，使刻蚀停止在希望不受破坏的支撑层上，确保了器件的可靠性，提高了器件的成品率；
2.将N阶BAW梯型滤波器的形成原理考虑在滤波器设计中，使设计的BAW梯型滤波器各FBAR面积取值更优，提升了BAW梯型滤波器的通带性能，同时确保了BAW梯型滤波器能处理较高的功率容量；
3.使串联FBAR和并联FBAR分别或均偏离中心频率的方法BAW梯型滤波器的减小了带内插损和带内纹波，提升了滤波器的通带性能。
附图说明
图1为实施例1中的设计方法流程图；
图2为实施例1中BAW梯型滤波器的拓扑结构图；
图3为实施例1中BAW梯型带内插损、带内纹波的优化曲线图；
图4为实施例1中BAW梯型滤波器的设计结果示意图；
图5为实施例1中FBAR结构的横截面示意图；
图6-13为制作实施例1的制作FBAR的工艺步骤示意图；
图14为实施例2中FBAR结构的横截面示意图；
图中，附图标记为：1-SOI衬底，11-底层硅，12-埋氧层，13-顶层硅，14-空腔，2-支撑层，21-支撑层一，22-支撑层二，3-底电极，4-压电层，5-顶电极，N1~ Nn+1为结点，Vin为信号输入端子，Vout为信号输出端子，a1~am为每个并联FBAR与每个串联FBAR的面积之比，A1~An为各个串联FBAR的面积。
具体实施方式
实施例1
一种通带展宽的BAW梯型滤波器设计方法如图1所示，具体设计流程为：
S1，构建FBAR单元的Mason仿真电路模型；
S2，根据BAW梯型滤波器的中心频率调整FBAR单元各膜层的厚度；
S3根据宽带宽指标，在工艺厚度约束条件下，调节支撑层厚度，再次微调串、并联FBAR的顶电极厚度，使BAW梯型滤波器的中心频率不变。
S4，根据带外抑制指标确定BAW梯型滤波器的级联阶数和拓扑结构；
S5，根据BAW梯型滤波器的带外抑制、带内插损、带内纹波，使用参数化设计方法，根据优化算法仿真得到BAW梯型滤波器串、并联FBAR的谐振区面积；
S6，使用带内插损、带内纹波的优化方法对设计的BAW梯型滤波器带内插损、带内纹波进行优化。
优选的，以FDD-LTE Band 7应用为例介绍一种通带展宽的BAW梯型滤波器设计方法。FDD-LTE Band 7中Rx滤波器的工作频段为2620 MHz–2690 MHz，带宽70MHz，中心频率为2655 MHz，带内插损-3dB，带内纹波-1dB，带外抑制为-40dB@2570MHz。RX滤波器的拓扑结构如图2所示，其中并联FBAR的个数m为4，串联FBAR的个数n为3。
图2中，串联FBAR面积为w1*w1~ w3*w3，并联FBAR与串联FBAR面积比为a1~a4，设定w1*w1~ w3*w3、a1~a4为优化变量，设定优化目标为：滤波器S参数中的传输系数S21，一般要尽可能地将优化目标设置得更为严苛一些，这样才能增加设计的健壮性。优选的a1~a4的取值为1~8，优选的，设定S参数中的传输系数S21在2620-2690 MHz频段内> -1.5dB，在2500-2570MHz频段内< -40 dB，设定优化变量（w1, w2, w3）为（8100, 9702, 8100）；（a1, a2, a3, a4）为（1.80, 2.26, 2.75, 1.79），其中，w1~w4的单位为um2，使用该优化方法仿真得到的RX滤波器的结果如图3所示。
优选的，当并联FBAR顶电极的厚度减小2 nm，并联FBAR的顶电极厚度值增加2 nm时，fss<fpp，RX滤波器带内纹波从0.9dB减小为0.4 dB。仿真结果如图4所示。
制作得到的一种通带展宽的BAW梯型滤波器，包括制备于SOI（绝缘体上的硅）衬底或Si衬底上，彼此互连的n个串联FBAR单元、m个并联FBAR单元、信号输入端Vin、信号输出端Vout、结点N1~ Nn+1，m和n为正整数，其中，m=n+1，n>1。如图5所示，FBAR由制备在SOI衬底1上，自下而上依次沉积的支撑层2、底电极3、压电层4、顶电极5构成。SOI衬底1自下而上依次包括底层硅11、埋氧层12、顶层硅13。支撑层2自下而上依次包括支撑层一21、支撑层二22。
优选的，底电极3的材料为Pt，压电层4为AlN，顶电极5为Al，支撑层21为SiO2，支撑层22为Si3N4。
优选的，在RX滤波器中，支撑层21的SiO2厚度为300nm，支撑层22的Si3N4厚度为200nm，底电极3的厚度为80nm，压电层4的厚度为1um。
优选的，SOI衬底1的底层硅11的厚度500um，埋氧层12的厚度200nm，顶层硅13的厚度为2um。
当所述衬底1为SOI衬底时，对于构成BAW梯型滤波器的单个FBAR，具体的两步法制备方法包括以下步骤：
步骤1：制备SOI衬底1；
步骤2：在SOI衬底1上制备支撑层2；
步骤3：在支撑层2上制备底电极3；
步骤4：在底电极3上制备压电层4；
步骤5：在压电层4上制备顶电极5；
步骤6：刻蚀SOI衬底1的底层硅11至埋氧层12；
步骤7：继续刻蚀埋氧层12至支撑层一21的下表面以形成空腔14；
具体如图6-12所示：
图6中，使用SIMOX工艺，制备SOI衬底1；
图7中，进行干湿干氧化沉积制备采用SiO2的支撑层一21；
图8中，使用低压化学气相淀积（LPCVD）工艺在SiO2支撑层一21上淀积厚度约200nm的Si3N4支撑层二22；
图9中，通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在支撑层2上表面形成底电极3；
图10中，通过低温反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在底电极3上表面沉积并图形化压电层4；
图11中，通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在压电层4上沉积并图形化顶电极5；
图12中，通过DRIE刻蚀SOI1衬底的底层硅11至埋氧层12下表面；
图13中，通过RIE刻蚀SOI1衬底的埋氧层12至顶层硅13的上表面。
实施例2
如图14所示，一种通带展宽的BAW梯型滤波器设计与制作方法，和实施例1区别在于：所述衬底1为Si衬底。Si衬底的厚度为500um。
相应的制备方法包括以下步骤：
对于构成BAW梯型滤波器的单个FBAR，具体的两步法制备方法包括以下步骤：
步骤1：制备Si衬底1；
步骤2：在Si衬底1上制备支撑层2；
步骤3：在支撑层2上制备底电极3；
步骤4：在底电极3上制备压电层4；
步骤5：在压电层4上制备顶电极5；
步骤6：刻蚀Si衬底1至一定厚度；
步骤7：继续刻蚀至支撑层一21的下表面以形成空腔14；
具体流程为：
制备Si衬底1；
进行干湿干氧化沉积制备SiO2支撑层一21，
使用低压化学气相淀积（LPCVD）工艺在SiO2支撑层一21上淀积厚度约200 nm的Si3N4支撑层二22；
通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在支撑层2上表面形成底电极3；
通过低温反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在底电极3上表面沉积并图形化压电层4；
通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在压电层4上沉积并图形化顶电极5；
采用DRIE刻蚀Si衬底1至200um；
采用RIE继续刻蚀Si衬底1至支撑层一21的下表面。

Claims (8)

1.一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：包括制备衬底上的信号输入端Vin、信号输出端Vout、结点N1~Nn+1和彼此互连的n个串联的FBAR单元、m个并联的FBAR单元，m和n为正整数，其中，m=n+1，n>1；所述FBAR包括制备在衬底上的自下而上依次沉积的支撑层、底电极、压电层、顶电极；所述信号输入端子Vin与第一个串联FBAR单元之间的结点为结点N1，第n个串联FBAR单元与所述信号输出端子Vout之间的结点为结点Nn+1，结点N1与结点Nn+1连接，第二个串联FBAR单元到第n-1个串联FBAR单元之间，每相邻两个串联FBAR单元之间的结点分别连接一个所述并联FBAR单元的一端，每个并联FBAR单元的另一端接地；所述BAW梯型滤波器的设计步骤为：
S1，构建FBAR单元的Mason仿真电路模型；
S2，根据BAW梯型滤波器的中心频率调整FBAR单元支撑层、底电极、压电层、顶电极的厚度；
S3，根据宽带宽指标，在工艺厚度约束条件下，调节支撑层厚度，再次微调串、并联FBAR的顶电极厚度，使BAW梯型滤波器的中心频率不变；
S4，根据带外抑制指标，确定BAW梯型滤波器的级联阶数和拓扑结构；
S5，根据BAW梯型滤波器的带外抑制、带内插损、带内纹波，使用参数化设计方法仿真得到BAW梯型滤波器串、并联FBAR的谐振区面积；
S6，使用带内插损、带内纹波的优化方法对设计的BAW梯型滤波器带内插损、带内纹波进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：所述S5中参数化设计方法具体为：调整BAW梯型滤波器的串、并联FBAR面积时，设定并联FBAR与串联FBAR面积之比、以及串联FBAR面积为优化变量，设定传输系数S参数为优化目标，使用梯度优化算法进行优化。
3.根据权利要求1所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：所述S6中带内插损、带内纹波的优化方法具体为：只减小串联FBAR顶电极的厚度，或只增加并联FBAR顶电极的厚度，或既减小串联FBAR、又增大并联FBAR顶电极厚度，使并联FBAR的并联谐振频率fpp小于串联FBAR的串联谐振频率fss，即fpp< fss。
4.根据权利要求1所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：所述BAW梯型滤波器适用于设计为通孔型，或空腔型，或布拉格反射型FBAR结构的BAW梯形滤波器。
5.针对权利要求1所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器的制造方法，其特征在于：当衬底为Si衬底时，构成BAW梯型滤波器的单个FBAR制备工艺流程如下：
步骤1：制备Si衬底；
步骤2：在Si衬底上制备支撑层；
步骤3：在支撑层上制备底电极；
步骤4：在底电极上制备压电层；
步骤5：在压电层上制备顶电极；
步骤6：刻蚀Si衬底以形成空腔；
所述步骤6对Si衬底刻蚀时，首先是采用DRIE对Si衬底进行刻蚀；当采用DRIE对Si衬底刻蚀至一定厚度时，换用RIE工艺刻蚀剩余厚度的Si衬底。
6.根据权利要求1所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器的制造方法，其特征在于：所述的衬底为SOI衬底时，构成BAW梯型滤波器的单个FBAR制备工艺流程如下：
步骤a：制备SOI衬底；
步骤b：在SOI衬底上制备支撑层；
步骤c：在支撑层上制备底电极；
步骤d：在底电极上制备压电层；
步骤e：在压电层上制备顶电极；
步骤f：刻蚀SOI衬底以形成空腔；
当衬底为SOI衬底时，所述SOI衬底自下而上依次包括底层硅、埋氧层、顶层硅，所述SOI衬底选用SIMOX工艺制备。
7.根据权利要求书6所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器的制造方法，其特征在于：所述步骤f对SOI衬底刻蚀时，先采用DRIE工艺对SOI底层硅进行刻蚀；当刻蚀至埋氧层，换用RIE工艺对埋氧层及顶层硅进行刻蚀。
8.根据权利要求5或6中所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器的制造方法，其特征在于：用于制备通孔型FBAR，当FBAR为通孔型时，所述FBAR背部有刻蚀形成的空腔，用于将声波限制在FBAR内。
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