基于CMOS工藝的高性能射頻濾波器：體聲波濾波器BAW

過去幾年中，隨著射頻集成電路技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，移動(dòng)電話中射頻部分的很多分立器件已被替換。最為明顯的就是接收機(jī)中分立的低噪聲放大器（LNA）和中 頻（IF）濾波器已經(jīng)被集成到射頻集成電路中?？梢灶A(yù)期各射頻模塊將逐步被集成到標(biāo)準(zhǔn)BiCMOS或CMOS集成電路中，但還是有幾類射頻元件的集成不太 容易做到，其中就包括射頻濾波器。所有的移動(dòng)電話都需要射頻濾波器以保護(hù)敏感的接收（Rx）信道，使之免受其他用戶的發(fā)送（Tx）信號(hào)及各種射頻源產(chǎn)生的 噪聲干擾。移動(dòng)電話可能要求當(dāng)Rx信號(hào)比干擾信號(hào)強(qiáng)度低120dB時(shí)仍能工作。而前置放大器無法提供足夠小的互調(diào)以滿足這種要求。

體聲波（BAW）和薄膜腔聲諧振器（FBAR）濾波器被分別用來替代移動(dòng)電話中的傳統(tǒng)射頻濾波器，因?yàn)槟壳捌湫阅芤殉^表面波（SAW）濾波器，而且可以通過標(biāo)準(zhǔn)集成電路技術(shù)生產(chǎn)，極具價(jià)格競爭力。

天線和前置放大器之間高選擇性的射頻濾波器保證了只有正確的Rx波段內(nèi)的信號(hào)被放大。分配給移動(dòng)電話系統(tǒng)的頻段是從400MHz到2.2GHz；帶寬一般在20 到75MHz之間。Tx波段低于Rx波段，但之間僅有20MHz的間隙。在20MHz這么窄的過渡帶中，Rx濾波器必須從在相應(yīng)的Tx波段上邊沿處有大于 15dB的衰減，變化到在Rx波段下邊沿處有小于3dB的插入損耗。要實(shí)現(xiàn)這么陡的沿，濾波器元件需要有極低的損耗，及很高的品質(zhì)因數(shù)（Q），對(duì)于電抗元 件，Q≥400是必須的。選擇性射頻濾波器在移動(dòng)電話的Tx信道中按規(guī)程也是需要的，以避免在規(guī)定波段以外發(fā)出射頻功率。這些Tx濾波器主要考慮的是不讓 功率放大器把噪聲和Tx波段外的信號(hào)放大。GSM系統(tǒng)是時(shí)分復(fù)用的。GSM手機(jī)的天線用射頻開關(guān)在Rx和Tx信道之間來回切換。由于這種切換，在GSM系 統(tǒng)中，接收和發(fā)送的信號(hào)相對(duì)易于相互隔離。與GSM不同，CDMA和W-CDMA及第三代（UMTS）標(biāo)準(zhǔn)都工作在全雙工模式，即電話同時(shí)在接收和發(fā)送信 號(hào)。這樣的工作模式使得所謂的天線雙工器成為必需的器件。天線雙工器包括了用于Rx和Tx波段的高選擇性的濾波器，它要保證從功放送出的功率盡可能少的回 饋到接收通道，并將從天線接收到的信號(hào)以盡可能少的衰減導(dǎo)入前置放大器。這種雙工器中采用SAW濾波器是有困難的，因?yàn)樗芴幚砀哌_(dá)2瓦的輸出功率，而 且隨著自身發(fā)熱造成的溫度提升，要能維持正常的工作。而BAW/FBAR濾波器可以很好滿足這些應(yīng)用，因?yàn)槠淦焚|(zhì)因數(shù)可高達(dá)1500，可以處理達(dá)幾瓦的功 率，而且頻率特性的溫度系數(shù)明顯低于SAW濾波器。

基本原理

BAW諧振器應(yīng)用了MEMS工藝，以便將石英晶體的工作機(jī)理擴(kuò)展到更高頻率。壓電層的典型厚度在幾個(gè)微米或更低。壓電層可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)駐聲波，其波長為壓電層和電極總厚度的兩倍。該駐 聲波沿垂直方向傳播。因?yàn)榈矸e的壓電層的方向?qū)穸韧庋幽Ｊ剑═E）支持得最好，所以采用了這一模式。在諧振頻率附近，電阻抗將發(fā)生強(qiáng)烈的變化。在BAW 中，壓力場(chǎng)看起來與（單晶的）石英晶體很相似，但有更大一部分駐波位于電極和支撐層中。要將厚度外延模式的石英晶體的工作機(jī)制擴(kuò)展到GHz范圍，最直接的 方法是將壓電層和電極作成膜結(jié)構(gòu)，或做到一個(gè)薄的支撐膜層上。

這種用膜結(jié)構(gòu)的方法產(chǎn)生的BAW器件需要淀積的層數(shù)是最少的。這種方法的缺點(diǎn)是由于頂部有易碎的膜，從而造成晶片的處理很困難，此外還有其它一些魯棒性的問題。

為實(shí)現(xiàn)將聲波從襯底隔離開，還可以用聲波鏡來實(shí)現(xiàn)。用若干聲阻抗高和低的層交替堆疊，且這些層的厚度都等于主諧振波長的1/4，這樣就構(gòu)建了一個(gè)有效的聲波 鏡。這種制鏡機(jī)理在光學(xué)中很普遍。在每個(gè)高阻抗層和低阻抗層之間的界面上，大部分的聲波被反射，又由于這些層的厚度是/4，因而反射波會(huì)按合適的相位疊 加。這種類型的BAW被稱為固態(tài)裝配諧振器（SMR）。就魯棒性而言，SMR比膜結(jié)構(gòu)的BAW要好很多。在劃片和裝配所需的各種標(biāo)準(zhǔn)工序中，沒有機(jī)械損壞 的風(fēng)險(xiǎn)。壓電層和電極層上受到的層壓力也不會(huì)造成問題。對(duì)需要有很大功率承受能力的BAW而言，存在一條直接穿過鏡子的垂直傳熱通路是很有利的，這樣可以 明顯降低對(duì)周圍環(huán)境的熱阻抗。SMR類的FBAR在用于IC集成時(shí)有很明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢员磺度氲浇惶娴慕饘伲趸锒阎?，而這種金屬－氧化物堆一般 先進(jìn)的IC工藝都可以提供。事實(shí)上，在IC工藝上集成SMR，總的工序和掩膜層數(shù)都得到節(jié)省。

BAW的制作

表面波器件只能做在象鉭酸鋰或鈮酸鋰這樣特殊的單晶基底上。而BAW器件可以做在可選的任意基底上，比如硅就可以做為很好的基底，因而可以直接利用主流IC 制造廠現(xiàn)有的工藝、設(shè)備和基底結(jié)構(gòu)。制作BAW所需的大多數(shù)工序可以直接在標(biāo)準(zhǔn)IC生產(chǎn)設(shè)備上完成，而不需要任何改變。光刻也不是問題，0.8微米的特征 尺寸就足夠了。一個(gè)BAW器件所需的光刻步驟在5個(gè)到10個(gè)之間。BAW中的缺陷密度也是次要問題，相當(dāng)大的顆粒也不會(huì)導(dǎo)致諧振器失效。

最關(guān)鍵的工序是足夠高品質(zhì)的壓電層淀積。盡管壓電層是多晶的，但要求所有晶粒的C軸方向完全一致。方向不一致的晶粒會(huì)嚴(yán)重降低壓電耦合因子和品質(zhì)因子。 BAW器件所用材料最流行的有氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）和鋯鈦酸鉛（PZT）。從BAW器件的性能出發(fā)，所用的材料有幾個(gè)參數(shù)必須考慮：

壓電耦合系數(shù)kt2。它決定了電域與機(jī)械域間能量交換的程度。耦合系數(shù)太低的壓電層將不能用來制作滿足移動(dòng)電話應(yīng)用的帶寬要求的濾波器。從這個(gè)指標(biāo)來看，PZT最優(yōu)（kt2=8-15%），其次是ZnO（kt2=7.5%）和AlN（kt2=6.5%）。

介 電常數(shù)r。諧振器的阻抗水平由諧振器的尺寸、壓電層厚度、介電常數(shù)共同決定。有較高的介電常數(shù)r，則可減少諧振器的尺寸。在這個(gè)指標(biāo)上AlN和ZnO很接 近，r都大約是10。PZT在這個(gè)指標(biāo)上優(yōu)勢(shì)明顯，它的r可高達(dá)400。從聲學(xué)性能考慮，介電常數(shù)為100時(shí)就可以理想地工作在1GHz的頻率上。

聲速vL（縱向）。低聲速材料可以使用較薄的壓電層，從而實(shí)現(xiàn)更小的器件。從這個(gè)指標(biāo)看，ZnO和PZT優(yōu)于AlN。

固有材料損耗。ZnO和AlN都是在BAW濾波器中經(jīng)過驗(yàn)證的材料。目前PZT在呈現(xiàn)足夠低的固有衰減方面還不成功。

溫度系數(shù)。由于壓電層決定了諧振頻率，因而它的溫度系數(shù)對(duì)器件的溫漂有巨大的影響。于ZnO相比，AlN的溫度系數(shù)是相當(dāng)?shù)偷摹?/p>

制備壓電薄膜的最實(shí)用的淀積方式是磁控濺鍍法。這種方法對(duì)AlN和ZnO很有效，這兩種材料都可以被純金屬靶材濺鍍。AlN可以通過等離子體轟擊超純鋁靶材而被濺鍍，這些等離子體是由低壓注入的氬、氮混合氣產(chǎn)生的。