SiO2/W反射疊層的分布電容對體波諧振器的影響

吳兆輝, 唐盤良,,李樺林,米 佳,鮑景富

(1.電子科技大學 集成電路科學與工程學院,四川 成都 611731;2.中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

為了獲得更高的壓電耦合系數,基于鈮酸鋰(LN)的聲學濾波器逐漸成為重點研究對象,而XBAR作為新型體波器件也受到越來越多的關注。XBAR在實現高工作頻率的同時,耦合系數也超過30%[1-2],滿足5G通信中高頻寬帶的要求。聲表面波(SAW)諧振器的聲速約4 000 m/s,如果設計頻率超過3 GHz,電極線寬小于330 nm,對光刻技術的要求更嚴格。XBAR選擇在鈮酸鋰上激發厚度振動模式(A1 Lamb波),工作頻率取決于薄膜厚度,電極的周期不是影響頻率的主要因素。薄膜制作工藝的進步(如通過離子注入實現薄膜剝離的Smart Cut工藝[3])使XBAR結構得以實現。Victor Plessky等[4]將壓電薄膜鍵合在襯底上,在電極圖形化后通過背部體硅刻蝕工藝形成懸浮的振動薄膜,但是物理可靠性、溫漂[5]和功率容量[6]等問題均限制了XBAR的進一步應用。在壓電薄膜下方構造多層布喇格反射結構,即固態裝配型諧振器(SMR),可以較好地解決這些問題。本文用XSMR表示基于XBAR諧振器的SMR結構(具有叉指電極IDT,用以區別傳統SMR)。

SMR結構交替沉積低聲阻抗材料和高聲阻抗材料,利用布喇格反射將能量限制在壓電層,以抑制能量泄露到襯底。反射層之間的聲阻抗相差越大,則反射能力越強,傳輸阻帶的頻率范圍越大,諧振器的品質因數(Q)值也越高。與XBAR的懸空薄膜結構相比,SMR不能提供100%的能量反射,因此,Q值會下降。低阻抗層常用SiO2,高聲阻抗層材料有AlN[7]、Ta2O5[8]及Mo[9]、W[10]等。因為XBAR的耦合系數超過30%,這要求布喇格反射層必須提供足夠寬的阻帶。W具有高密度和高彈性系數,其聲阻抗遠高于其他材料。本文重點討論了由SiO2/W組成的布喇格反射疊層對諧振器性能的影響,并加工實物進行驗證。

從聲波傳輸與電容效應兩方面討論SiO2/W的作用。首先建立多層布喇格反射模型,計算聲波傳輸阻帶,優化各層膜厚;然后根據鎢的導電性,分析XSMR中的金屬層與IDT之間的電容效應,基于有限元法研究并聯電容對電場分布的影響,并使用MBVD模型提取相關的電容參數;最后通過加工測試對分布電容的影響進行驗證。

1 SMR結構的布喇格反射

XBAR的壓電薄膜上下表面是空氣[3],提供了自由振動邊界條件,反射系數的相位為0°。在SMR中,壓電薄膜下方沉積了由多層薄膜構成的聲學反射器,結構如圖1所示。圖中,pI為IDT周期(l/2,l為波長),hAl,hLN,hSiO2,hW分別為Al、LN、SiO2、W的厚度。

圖1 XSMR諧振器,壓電層下方使用SiO2/W四層結構

根據傳輸線模型,單層薄膜厚度為l/4即可實現阻抗變換,反射疊層相當于阻抗變換器,它為諧振體(壓電薄膜)提供超低阻抗。兩種材料的聲阻抗之比越大,則該聲波反射結構的反射性能越強。布喇格反射器的層數為N,定義為低阻抗層數與高阻抗層數之和。

聲阻抗指傳播介質的應力與聲速的復數比值,也可以轉換為彈性模量和密度[11]。由于A1模式為剪切模式,依據下式計算聲阻抗:

(1)

式中:G為剪切模量;ρ為質量密度。由式(1)計算得到W的聲阻抗為55.74 MRayl(1 MRayl=106Pa·s/m3)。

為了匹配XBAR的工作模態A1 Lamb波的高耦合系數,使用SiO2/W構造XSMR可以提供很寬的傳輸阻帶。首先調整厚度,評估傳輸阻帶的中心頻率與頻率帶寬。圖2為基于4層結構的聲學反射疊層(SiO2/W/SiO2/W)模型計算W與SiO2的厚度比值r(r=hw/hSiO2)對聲波傳輸系數的影響,其中SiO2厚度固定為314 nm。圖中灰色陰影部分為目標工作頻段。由圖可見,布喇格傳輸阻帶中心頻率在3.7 GHz,隨著r增大,傳輸阻帶可以集中到工作頻段,這有利于抑制帶外雜散,但傳輸系數略有惡化。

圖2 r對聲波傳輸系數的影響

SMR對剪切波和縱波的反射能力不同,圖3為SiO2/W四層反射結構對剪切波和縱波的傳輸系數。由圖可見,在諧振器的工作頻段,主模A1的機械振動能量集中在壓電層,縱波(雜模)部分地泄露到襯底,減小其響應強度。

圖3 SiO2/W四層反射結構對剪切波和縱波的傳輸系數

2 諧振器耦合系數

在XSMR中使用金屬材料W,但金屬的導電性會產生并聯分布電容Cp。電荷通過靜電感應積聚在IDT和W之間,形成縱向電場分量Ez,使橫向電場Ex分量減小。激勵電場不完全轉化為Ex,將降低等效耦合系數K2,又因Cp的影響,既使采用了W作為高聲阻抗材料層,但K2仍下降。為了進行橫向對比,統一采用FBAR的等效耦合系數計算方法[11]:

(2)

式中:fr為諧振頻率;fa為反諧振頻率。

頻域的響應結果如圖4所示。由圖可見,當在仿真中不考慮金屬層的導電性,此時K2=28.5%。當在模型中考慮金屬層的導電性(設置開路條件,即float邊界條件,Cp被引入)后,K2下降至18.9%。為了進一步分析諧振器性能惡化的原因,首先計算Cp值。

圖4 在仿真中金屬層導電性對諧振器耦合系數的影響

圖5為靜態電容隨電極金屬化率(電極占空比)的變化曲線。由圖可知,Cp對反諧振頻率影響較大,對諧振頻率影響較小。利用MBVD模型可得反諧振頻率ωa(ωa=2πfa)與Cp的關系為

(3)

式中:Cm為動態電容;Lm為動態電感;C0為靜態電容。

圖5 靜態電容隨電極金屬化率(電極占空比)的變化曲線

在電路結構中Cp與C0并聯,再與動態支路并聯,金屬層引起的分布電容越大,反諧振頻率越小。根據有限元模型仿真結果,用MBVD模型擬合出靜態電容C0,可以得到兩種條件下的靜態電容值:

1)C01:考慮金屬導電性(W/Cp),需要設置開路邊界條件,令電場方向垂直于金屬表面。

2)C02:不考慮金屬導電性(W/OCp)。兩個電容值相減即可得到分布電容的估計值:

Cp=C01-C02

(4)

另一個使諧振器性能下降的因素是金屬層對電場分布的影響。理想一維模型中,A1模式通過橫向電場進行激勵,實際上不可避免地引入了縱向分量。圖6為金屬層對電場分布的影響。由于電容效應,壓電層中的橫向電場分量Ex減弱,縱向分量Ez加強。圖6(a)在仿真中排除了W的導電性。圖6(b)考慮了W的導電性,設置開路邊界條件后,電場方向垂直于金屬化表面。

圖6 金屬層對電場分布的影響

3 加工與測試

基于Smart Cut技術加工XSMR測試樣品,鈮酸鋰膜厚500 nm,二氧化硅膜厚314 nm,鎢膜厚534 nm。采用4層反射層結構。諧振器的加工結果以及MBVD擬合如圖7所示。由圖可見,當諧振頻率fr=3 720 MHz時,Q的最大值為168,K2=12%。綜上分析可知,分布電容導致耦合系數較低。諧振器的阻抗比較低(約45 dB),其原因:

1) SMR層數較少。

2) 諧振器采用厚度為100 nm的鋁電極,由于電極層較薄,造成引線電阻(歐姆損耗)偏大,經過MBVD模型擬合后得到IDT的歐姆電阻Re=1 Ω(見表1)。表中,Rm為動態電阻,R0為靜態電阻。XBAR的電極間距較大,增加了傳播損耗。

圖7 諧振器的測試結果

表1 MBVD模型的元件值

SMR的各層膜厚不均勻會導致諧振器頻率發生偏移。電極圖形化前對晶圓上下左右以及中間處的膜厚進行采樣測試,各層膜厚偏差低于0.9%。

圖8為諧振器的仿測結果對比圖。1#～4#樣品分別在晶圓中心和四周等4個不同位置處隨機取樣,它們的設計尺寸參數相同。由于膜厚的不均勻,使諧振器的頻率發生小幅度偏移。由圖可見,有限元法(FEM)仿真能夠較好地匹配主模和雜散情況。

圖8 晶圓上不同位置處的諧振器隨機抽樣測試結果與FEM仿真對比

4 結束語

本文討論了金屬鎢的聲阻抗性能以及應用于寬帶XSMR的性能表現。雖然鎢的聲阻抗很高,且具有很寬的布喇格傳輸阻帶,但其導電性對傳輸帶寬有影響。引入并聯電容Cp及改變電場分布均會降低諧振器的耦合系數。采用4層疊層結構的XSMR諧振器Q值較低,為了提高性能指標,需增加層數及優化電極。此外,采用非金屬材料可避免分布電容對諧振器的影響。