BAW的制作 - 基于CMOS工藝的高性能射頻濾波器：體聲波濾波器BAW

　　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(dāng)大的顆粒也不會導(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電話應(yīng)用的帶寬要求的濾波器。從這個指標(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。在這個指標(biāo)上AlN和ZnO很接近，r都大約是10。PZT在這個指標(biāo)上優(yōu)勢明顯，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。

　　BAW諧振器的性能還會受材料的其他幾種參數(shù)的間接影響。如果壓電材料有較高的熱傳導(dǎo)率，這將有助于提高濾波器處理大功率信號的能力。AlN是一種良好的熱導(dǎo)體?？紤]到濕潤環(huán)境下器件的可靠性，材料的化學(xué)穩(wěn)定性也是一個問題。ZnO的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，而AlN則非常穩(wěn)定，甚至在最烈性的酸中也難以被腐蝕。還有一個需要優(yōu)化的參數(shù)就是壓電層的擊穿電壓。這與介質(zhì)材料的能帶隙有關(guān)，此外還與淀積材料的缺陷密度有關(guān)。

　　在工業(yè)應(yīng)用中決定用何種壓電材料時，還有其他幾個問題要考慮。淀積設(shè)備應(yīng)該是成熟而且可靠的。BAW很可能將在半導(dǎo)體廠內(nèi)制作，這時會有一些嚴(yán)重的污染問題。在一個CMOS制造廠內(nèi)，鋅、鉛、鋯都是極度危險的材料，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體器件中，它們會嚴(yán)重降低載流子壽命。與ZnO和PZT相比，使用A1N則沒有污染問題。應(yīng)用于A1N的淀積設(shè)備已經(jīng)有多家著名的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商可以提供，而用于ZnO的設(shè)備還做不到，用于PZT的就更沒有。盡管從理論上看AlN不是制作BAW的理想材料，但目前從性能和制造兩方面看，它卻是最好的折衷。要做到較大的耦合系數(shù)，或者至少在某些應(yīng)用中有足夠的耦合，這可能還需要幾年的改進(jìn)。良好而且可靠的耦合系數(shù)是進(jìn)一步研究BAW器件其他各種效應(yīng)的先決條件。糟糕的耦合通常伴隨很糟的品質(zhì)因數(shù)。如果Q值低于100~200，那么有很多嚴(yán)重的問題將不能被研究清楚。最可能的情況是，一個原型BAW諧振器會出現(xiàn)一些附加的諧振，這些附加的諧振不能用一維理論來解釋。這些“寄生模態(tài)”會嚴(yán)重破壞通帶的平坦。更糟的情況中，這些寄生模態(tài)可能太強(qiáng)，以致沒辦法通過電測量來提取材料參數(shù)。有一些寄生模態(tài)與器件的側(cè)向效應(yīng)有關(guān)，可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計來改善。還有一些寄生模態(tài)與層堆本身有關(guān)，這需要對相關(guān)頻率下在層堆中傳播的各種模態(tài)進(jìn)行透徹的研究。

　　就算原型BAW諧振器呈現(xiàn)了期望的性能，還有一些更困難的問題需要解決。BAW的諧振頻率是由壓電層以及鄰近各層的厚度決定的。典型的移動電話中的濾波器要求諧振頻率的誤差在0.1%附近，這要求壓電層和各電極層的厚度誤差也在這個范圍內(nèi)。半導(dǎo)體工藝中使用的標(biāo)準(zhǔn)工具一般只能提供5%的精度，不能滿足這么高的容差要求。就算通過改進(jìn)，各次流片間的變動可以符合更高的要求，但如何保證晶片厚度的一致還是一個要解決的大問題。

　　單片集成還是混合集成

　　過去五年，一直在討論移動電話中的構(gòu)成模塊應(yīng)該向單片集成的“片上系統(tǒng)”（SOC）發(fā)展，還是應(yīng)該向混合集成單封裝系統(tǒng)“（SIP）發(fā)展。這個討論至今沒有定論，是否會有一個清晰的趨勢也不確定。要做出有價值的判斷，需要考慮到很多技術(shù)和商業(yè)因素。對于BAW，情況也是這樣。BAW可以單片集成到BiCMOS工藝上。相對沒有BAW而言，在RF-CMOS工藝的頂部采用BAW做射頻濾波器使得”單片移動電話“大大地接近了現(xiàn)實(shí)。要將BAW集成到IC工藝中有幾個方面需要考慮：

　　組合工藝所需的光刻步驟是IC工藝和BAW各自所需的總和，聲學(xué)層步驟不能用于金屬互連步驟，反之亦然。

　　組合工藝的成品率會比各工藝各自的成品率低很多。

　　組合工藝中，單位硅面積的花費(fèi)會增加。一片相對大的集成電路與一個小的BAW濾波器在組合工藝中整合，其花費(fèi)將比用分別的工藝制作的相應(yīng)芯片高昂得多。

　　對典型尺寸為0.5mm2的BAW芯片來說，裝配上的花費(fèi)可能比它在硅面積上的花費(fèi)還高很多。在有的情況下，由于省下了裝配費(fèi)用，單片集成的方案會更有利。

　　針對IC的封裝技術(shù)不一定適用于BAW，因?yàn)樗枰谥C振器的頂部有空腔。有腔封裝也會更貴一些。與需要密閉封裝的SAW濾波器相比，BAW器件僅需要一個空腔。由于它允許用塑封材料替代陶瓷，因而從封裝成本看這是一個很大的優(yōu)勢。

　　采用SOC的方案后，設(shè)計靈活性會急劇下降。

　　小型化：SOC方案在尺寸上的優(yōu)勢是難以動搖的，除非SIP中各芯片采用了真正的三維堆疊技術(shù)。

　　由于顯然的原因，可以從主要供應(yīng)商處得到的最初期的BAW產(chǎn)品都是單獨(dú)的BAW濾波器或混合模塊。盡管單片集成對于某些特殊的產(chǎn)品可能更有利，但目前還不太可能很快成為主流。