CN107025321A - 空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计与制备方法。该方法包括应用ADS软件仿真基于Mason模型的FBAR梯形滤波器，得到传输性能同时满足带内插损和带外抑制指标要求的各膜层物理参数；在制备衬底上生长对应厚度的压电层、电极层的复合膜层，另取一支撑衬底形成空腔，将复合膜层与支撑衬底键合，剥离原制备衬底，生长不同厚度的上电极层，形成电极/压电层/电极/空腔的复合结构。采用本发明设计和制备得到的FBAR滤波器上电极膜层参数控制精确，得到的滤波器性能优异；避免了传统工艺中引入牺牲层和采用化学机械研磨方法对谐振结构可能造成的破坏，减小了器件的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器（FBAR）滤波器的设计及制备方法，特别涉及一种应用ADS软件的FBAR梯形滤波器的设计方法及对应空腔型滤波器的制备方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，通讯终端中的射频前端不断向微型化、集成化方向发展。在射频前端结构中，双工器、滤波器亟待集成到芯片。作为前一代陶瓷滤波器、介质滤波器和声表面波滤波器的替代品，薄膜体声波谐振器滤波器（FBAR）具有体积小、性能好、功率容量大、可与CMOS工艺集成等优点，吸引了国内外研究机构的诸多关注。
FBAR的工作原理基于压电效应，结构包括电极/压电层/电极/空腔，空腔是为了实现声波在界面的反射，从而限制在复合膜层中，形成驻波。FBAR滤波器由若干个FBAR谐振器通过一定的拓扑结构形成电学级联，其中谐振器排布和各膜层厚度会直接影响器件的损耗性能及工作频段。出于声速高、固有损耗小、温度系数小、与COMS工艺兼容性好的考虑，压电材料通常选用AlN薄膜，而电极选择Mo、W、Pt等声速高、声阻抗大、衰减因子小的金属材料。
传统工艺中形成空腔的方法是先在衬底上刻蚀出一个凹坑，在凹坑中填充多晶硅或硅氧化物等材料作为牺牲层，表面经化学机械研磨抛光后其次沉积下电极、压电材料，刻蚀出释放窗口，腐蚀液通过窗口进入将牺牲层释放，形成空腔结构。这种已经商业化的制备方法虽能实现较好的Q值，与标准的CMOS工艺基本兼容，但引入了牺牲层材料，在释放过程中应力释放很可能造成谐振结构的塌陷和破坏；并且通过化学机械研磨后的表面粗糙度较大，给表面带来的机械损伤和残留应力会对后续膜层沉积造成不良影响。
另一方面， FBAR的性能模拟和仿真工作为实现器件的设计和制备提供了重要的理论依据。ADS（Advanced Design System）是Agilent公司专门为RF工程师及DSP工程师开发的EDA工具，是国内外各大学及研究所使用最多的射频微波电路和通信系统仿真软件。借助ADS强大的电路仿真功能，我们可以很方便快捷地对FBAR进行模拟。而目前应用各种EDA工具对指定频段FBAR滤波器的仿真只能手动更改压电层和电极层的物理参数或几何参数，以达到滤波器设计的的给定指标。这种手动修改参数的方法效率很低，修改各膜层参数的作用有限，常常不能保证同时满足带内插损低于-3 dB和带外抑制高于-30 dB的要求。通过这种设计方法得到的滤波器膜层参数不够精确，且难于通过复杂的MEMS工艺制备得到损耗小、滚降快的FBAR滤波器。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，所设计的FBAR滤波器膜层参数精确，制备方法摒弃了牺牲层和化学机械研磨为器件带来的损耗。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，采取以下步骤：
（1）滤波器结构设计：根据Mason模型在ADS原理图中新增FBAR滤波器对应的电子元件和连线，构成电路图。选择压电层和电极层材料，根据所选材料的物理参数更新原理图中的元件参数值，根据工作频率设定压电层厚度、电极层厚度和谐振面积；
（2）性能仿真与优化：在电路原理图中添加信号源Term1，Term2，分别接地，以及S参数仿真工具S-PARAMETERS，应用ADS软件自带的目标值(GOAL)和优化功能(Optimize)两大控件对滤波器S参数进行优化，得到各个FBAR谐振器优化的上电极厚度值；
（3）设计FBAR谐振器排布版图：FBAR谐振器的排布会直接影响到器件Q值，谐振器的间距、位置和信号端接地端形成回路；
（4）在制备衬底上生长压电薄膜，膜层厚度与设计值一致，对于AlN压电薄膜，良好的c轴择优取向带来了器件的高Q值和高机电耦合系数；
（5）在压电薄膜上继续沉积电极层，图形化，待用：沉积一层固定厚度的电极材料，光刻、刻蚀后得到图形化的电极图案；
（6）另取一支撑衬底，刻蚀得到空腔结构，待用；刻蚀支撑衬底获得空腔，侧壁光滑，形成良好的声学反射界面；
（7）将支撑衬底面与电极面通过Bonding技术固定在一起，剥离原有制备衬底：通过熔融键合、金属扩散键合、共晶键合、粘胶键合等方式将衬底面与电极面紧密贴合在一起，实现电极/压电层复合膜层的衬底转移，采用干法或湿法将原有制备衬底剥离，得到无损伤、表面光洁平整的压电薄膜表面，待用；
（8）按照优化值多步光刻、沉积形成上电极层，满足单一谐振器不同的电极厚度值和工作频率，最终形成电极/压电层/电极/空腔的复合膜层结构。滤波器中单个谐振器的工作频率由上电极厚度调谐，串联FBAR频率低于并联FBAR，对并联谐振器增加一步光刻做掩膜，额外沉积一层电极得到更高工作频率。
步骤（2）所述各个FBAR谐振器优化的上电极厚度值，具体为：在梯形FBAR滤波器的结构中，串联FBAR的串联谐振频率等于并联FBAR的并联谐振频率，串联FBAR的工作频率高于并联FBAR的工作频率，通过并联FBAR增加一层电极调谐层来实现。
步骤（3）所述FBAR谐振器排布版图，具体为包括上下电极的分布，信号由两对输入端输入，上下电极分别与一对信号段和接地端连通，构成体向传播的射频信号回路。梯形FBAR滤波器的排布为信号端1，一组或者多组串联臂-并联臂，接地/信号端2。
步骤（5）所述沉积电极层的方法包括电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜，电极材料选自：Al，Mo，W，Pt，Ti，Ag，Cu中的至少一种。
步骤（6）所述刻蚀支撑衬底获得空腔，具体为：干法刻蚀或湿法腐蚀支撑衬底硅得到空腔。
步骤（8）所述多步光刻、沉积形成上电极层，具体为：光刻形成上电极掩膜，电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜或化学电镀沉积一层上电极材料，材料选自：Al，Mo，W，Pt，Ti，Ag，Cu中的至少一种，第二步光刻形成并联FBAR的上电极掩膜，电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜或化学电镀额外沉积一层频率调谐层，反复光刻、沉积电极直到全部实现滤波器版图中各个谐振器的上电极厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
（1） 本发明的FBAR滤波器设计方法综合运用ADS软件仿真FBAR滤波器，优化得到单个谐振器的上电极厚度，为制备中的膜层厚度控制提供了理论依据；
（2） 本发明的空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的制备方法摒弃了引入牺牲层和化学机械研磨方法，创新采用Bonding、剥离原有制备衬底的方法减少了可能对谐振结构造成的破坏，采用该制备方法保证了压电复合膜层的质量和结构完整，从而大幅提高了滤波器的损耗性能和机电耦合系数；
（3） 本发明提供的FBAR的设计及制备方法，建立了一套从性能模拟到实际制备的工艺流程，保证了各膜层厚度的精确控制，得到的空腔型滤波器性能优异、工艺简便，为高性能薄膜体声波谐振器滤波器、双工器的设计及制备提供了有益尝试和新的思路。
附图说明
图1为本发明技术中空腔型薄膜体声波谐振器滤波器剖面图。
图2为现有技术中凹槽型FBAR滤波器剖面图。
图3为实施例1中梯形结构FBAR滤波器的性能仿真曲线图。
图4为实施例1中滤波器的排布图（包括上下电极）。
图5为实施例1中在制备衬底硅上沉积氮化铝薄膜的剖视图。
图6位实施例1中在氮化铝薄膜上沉积下电极后的剖视图。
图7为实施例1中在支撑衬底硅上刻蚀得到空腔的剖视图。
图8为实施例1中支撑衬底与电极面键合后的剖视图。
图9为实施例1中剥离原有制备衬底硅的剖视图。
图10为实施例1中多步光刻沉积不同厚度上电极的剖视图。
其中：1.支撑衬底；2.空腔；3.下电极；4.压电薄膜；5.上电极；6.上电极调谐层；7.键合层；8.制备衬底。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1。
如图1所示，本实施例的空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，包括以下步骤。
一、滤波器结构设计。根据Mason模型在ADS原理图中新增FBAR滤波器对应的电子元件和连线。本实施例中四阶梯形滤波器的拓扑结构是两个串联FBAR和两个并联FBAR采用T型级联，分别选择AlN和Mo为压电层材料和电极材料，根据所选材料的物理参数更新原理图中的元件参数值：
压电层AlN的纵波声速、特征声阻抗、机电耦合系数、夹持介电常数、衰减因子分别为11350 m/s、3.70e7 kg/m2s、6.0%、9.50e-11 F/m、800 dB/m；
电极层Mo的声速、声阻抗、衰减因子分别6213 m/s、6.39e7 kg/m2s、500 dB/m。
本实施例中通带在2.3-2.4 GHz范围，计算得到串联谐振器的串并联谐振频率分别为2.35 GHz和2.40 GHz，并联谐振器的串并联谐振频率分别2.30 GHz和2.35GHz，由此设定串联FBAR的压电层厚度为1.35 μm、上下电极层厚度为0.18μm，谐振面积为19600 μm2；并联FBAR的压电层厚度为1.35 μm、上下电极层厚度分别为0.198 μm和0.18 μm，谐振面积为19600 μm2。
二、性能仿真与优化。在电路原理图中添加信号源Term1，Term2，分别接地，Term的内阻设定为50欧姆，添加S参数仿真工具S-PARAMETERS，设定仿真起始频率为2 GHz、终止频率为3 GHz及步长为10 MHz，数据点至少要大于100个。利用S参数控件仿真，在Plot Trace中添加dB（S（2,1））作为仿真结果。
应用ADS软件自带的目标值(GOAL)和优化功能(Optimize)两大控件对滤波器S参数进行优化，本实施例中设定三个目标值，添加GOAL控件，设置2.25GHz处的S21小于-35dB，2.45GHz处的S21小于-35dB，以及2.32-2.38GHz内的S21大于-3dB，各目标权重均为1。添加OPTI控件，设置以下变量VAR：串联面积为优化变量a1，初值仍为1.96e-8，优化范围0.5e-8~ 4e-8，并联面积为优化变量a2，初值为1.96e-8，优化范围0.5e-8 ~ 4e-8。设置并联谐振器上电极厚度为优化变量a3，初值为1.98e-7，优化范围为1.90e-7 ~ 2.0e-7，优化类型为连续，优化次数为400次。
优化后结果如图3所示，带内插损小于2.99 dB，带外抑制大于26.47 dB，最终优化后得到的并联谐振器上电极厚度为0.196 μm，串联谐振器面积为8942 μm2，并联谐振器面积为25492 μm2。
三、设计FBAR谐振器排布版图。
本实施例中四阶梯形FBAR滤波器的排布大致为信号端1-串联臂1-并联臂1-串联臂2-并联臂2-接地/信号端2。上下电极的排布如图4所示。
四、在制备衬底8上生长压电薄膜，膜层厚度与设计值一致。
经过标准RCA清洗并甩干的硅衬底作为制备衬底7，在表面磁控溅射沉积一层厚度1.35为μm、c轴择优取向的氮化铝薄膜作为压电薄膜4，如图5所示。
其中，氮化铝薄膜在烘烤温度为200℃，气体流量Ar为80sccm，氮气为18sccm，靶基距为7 cm，功率为2000W的条件下获得。
五、在压电薄膜上继续沉积电极层，图形化，待用。
使用RF磁控溅射，用纯钼靶（纯度99.999%）在氮化铝薄膜表面溅射一层厚度为180nm的金属钼作为下电极3，溅射速率2.96 埃/秒，预溅射时间100s，溅射时间18 min，光刻、刻蚀后得到图形化的下电极，如图6所示。
六、另取一支撑衬底，刻蚀得到空腔结构，待用。
选取硅材料作为支撑衬底1，通过电感耦合等离子体深刻蚀（ICP）在支撑衬底上刻蚀出空气腔2，如图7所示。
其中腔室压力10mTorr，上电极功率500W，刻蚀气体SF6和少量O2+C4F8，提高侧壁光滑陡直度，刻蚀速率1μm/min。
七、将支撑衬底面与电极面通过Bonding技术固定在一起，剥离原有制备衬底。
在上电极表面溅射一层厚度为1μm的金作为键合层6，其中溅射压力等条件参考下电极金属钼。
通过键合机抽真空，在350 MPa，升温至380 ℃的条件下保持一小时，冷却至室温完成金硅共晶键合。
通过减薄机研磨和ICP深硅刻蚀结合的干法刻蚀方法剥离原有制备衬底硅。
八、按照优化值多步光刻、沉积形成上电极层，满足单一谐振器不同的电极厚度值和工作频率，最终形成电极/压电层/电极/空腔的复合膜层结构。
与步骤五同样的条件溅射沉积一层厚度为180 nm的上电极钼，光刻、刻蚀后得到图形化的上电极5，第二步光刻得到并联FBAR上电极调谐层的光刻胶掩膜层，继续沉积并联FBAR频率调谐层7金属钼，厚度为16 nm。
最后，形成依次层叠为支撑衬底1、（空腔2、键合层7、）下电极3、压电薄膜4、上电极5（上电极调谐层6）的结构，得到空腔型薄膜体声波谐振器滤波器。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）滤波器结构设计，根据工作频率设定压电层厚度、电极层厚度和谐振面积；
（2）性能仿真与优化，得到各个FBAR谐振器优化的上电极厚度值；
（3）设计FBAR谐振器排布版图：谐振器的间距、位置和信号端接地端形成回路；
（4）在制备衬底上生长压电薄膜，膜层厚度与设计值一致；
（5）在压电薄膜上继续沉积电极层，图形化，待用；
（6）另取一支撑衬底，刻蚀得到空腔结构，待用；
（7）将支撑衬底面与电极面通过Bonding技术固定在一起，剥离原有制备衬底；
（8）按照优化值多步光刻、沉积形成上电极层，满足单一谐振器不同的电极厚度值和工作频率，最终形成电极/压电层/电极/空腔的复合膜层结构。
2.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，其特征在于，所述FBAR谐振器排布版图包括上下电极的分布，信号由两对输入端输入，上下电极分别与一对信号段和接地端连通，构成体向传播的射频信号回路；梯形FBAR滤波器的排布为信号端1，一组或者多组串联臂-并联臂，接地/信号端2。
3.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，其特征在于，所述沉积电极层的方法包括电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜，电极材料选自：Al，Mo，W，Pt，Ti，Ag，Cu中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，其特征在于，所述刻蚀支撑衬底获得空腔，包括干法刻蚀或湿法腐蚀支撑衬底硅得到空腔。
5.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，其特征在于，所述多步光刻、沉积形成上电极层包括光刻形成上电极掩膜，电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜或化学电镀沉积一层上电极材料，材料选自：Al，Mo，W，Pt，Ti，Ag，Cu中的至少一种，第二步光刻形成并联FBAR的上电极掩膜，电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜或化学电镀额外沉积一层频率调谐层，反复光刻、沉积电极直到全部实现滤波器版图中各个谐振器的上电极厚度。
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Denomination of invention: Design and Fabrication of Cavity Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator Filters Effective date of registration: 20220926 Granted publication date: 20210209 Pledgee: Agricultural Bank of China Co.,Ltd. Heyuan Yuancheng District Sub branch Pledgor: Guangzhou Everbright Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980016273 |