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期各射頻模塊將逐步被集成到標準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。所有的移動電話都需要射頻濾波器以保護敏感的接收（Rx）信道，使之免受其他用戶的發(fā)送（Tx）信號及各種射頻源產(chǎn)生的 噪聲干擾。移動電話可能要求當Rx信號比干擾信號強度低120dB時仍能工作。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電話中的傳統(tǒng)射頻濾波器，因為目前其性能已超過表面波（SAW）濾波器，而且可以通過標準集成電路技術(shù)生產(chǎn)，極具價格競爭力。

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)的信號被放大。分配給移動電話系統(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），對于電抗元 件，Q≥400是必須的。選擇性射頻濾波器在移動電話的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波段外的信號放大。GSM系統(tǒng)是時分復用的。GSM手機的天線用射頻開關在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)送的信號相對易于相互隔離。與GSM不同，CDMA和W-CDMA及第三代（UMTS）標準都工作在全雙工模式，即電話同時在接收和發(fā)送信 號。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以盡可能少的衰減導入前置放大器。這種雙工器中采用SAW濾波器是有困難的，因為它要能處理高達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用，因為其品質(zhì)因數(shù)可高達1500，可以處理達幾瓦的功 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諧振器應用了MEMS工藝，以便將石英晶體的工作機理擴展到更高頻率。壓電層的典型厚度在幾個微米或更低。壓電層可以驅(qū)動一個駐聲波，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。因為淀積的壓電層的方向?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)生強烈的變化。在BAW 中，壓力場看起來與（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制擴展到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。

為實現(xiàn)將聲波從襯底隔離開，還可以用聲波鏡來實現(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)建了一個有效的聲波 鏡。這種制鏡機理在光學中很普遍。在每個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準工序中，沒有機械損壞 的風險。壓電層和電極層上受到的層壓力也不會造成問題。對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 明顯降低對周圍環(huán)境的熱阻抗。SMR類的FBAR在用于IC集成時有很明顯的優(yōu)點，因為它可以被嵌入到交替的金屬－氧化物堆中，而這種金屬－氧化物堆一般 先進的IC工藝都可以提供。事實上，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)工序可以直接在標準IC生產(chǎn)設備上完成，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BAW器件所需的光刻步驟在5個到10個之間。BAW中的缺陷密度也是次要問題，相當大的顆粒也不會導致諧振器失效。

最關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嚴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)，所用的材料有幾個參數(shù)必須考慮：

壓電耦合系數(shù)kt2。它決定了電域與機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電話應用的帶寬要求的濾波器。從這個指標來看，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。在這個指標上AlN和ZnO很接 近，r都大約是10。PZT在這個指標上優(yōu)勢明顯，它的r可高達400。從聲學性能考慮，介電常數(shù)為100時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，從而實現(xiàn)更小的器件。從這個指標看，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?shù)偷摹?/p>

制備壓電薄膜的最實用的淀積方式是磁控濺鍍法。這種方法對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。