基于CMOS工艺的高性能射频滤波器:体声波滤波器BAW

2013-12-16 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

过去几年中,随着射频集成电路技术和系统结构的发展,移动电话中射频部分的很多分立器件已被替换。最为明显的就是接收机中分立的低噪声放大器(LNA)和中频(IF)滤波器已经被集成到射频集成电路中。可以预期各射频模块将逐步被集成到标准BiCMOS或CMOS集成电路中,但还是有几类射频元件的集成不太容易做到,其中就包括射频滤波器。所有的移动电话都需要射频滤波器以保护敏感的接收(Rx)信道,使之免受其他用户的发送(Tx)信号及各种射频源产生的噪声干扰。移动电话可能要求当Rx信号比干扰信号强度低120dB时仍能工作。而前置放大器无法提供足够小的互调以满足这种要求。

体声波(BAW)和薄膜腔声谐振器(FBAR)滤波器被分别用来替代移动电话中的传统射频滤波器,因为目前其性能已超过表面波(SAW)滤波器,而且可以通过标准集成电路技术生产,极具价格竞争力。

天线和前置放大器之间高选择性的射频滤波器保证了只有正确的Rx波段内的信号被放大。分配给移动电话系统的频段是从400MHz到2.2GHz;带宽一般在20到75MHz之间。Tx波段低于Rx波段,但之间仅有20MHz的间隙。在20MHz这么窄的过渡带中,Rx滤波器必须从在相应的Tx波段上边沿处有大于15dB的衰减,变化到在Rx波段下边沿处有小于3dB的插入损耗。要实现这么陡的沿,滤波器元件需要有极低的损耗,及很高的品质因数(Q),对于电抗元件,Q≥400是必须的。选择性射频滤波器在移动电话的Tx信道中按规程也是需要的,以避免在规定波段以外发出射频功率。这些Tx滤波器主要考虑的是不让功率放大器把噪声和Tx波段外的信号放大。GSM系统是时分复用的。GSM手机的天线用射频开关在Rx和Tx信道之间来回切换。由于这种切换,在GSM系统中,接收和发送的信号相对易于相互隔离。与GSM不同,CDMA和W-CDMA及第三代(UMTS)标准都工作在全双工模式,即电话同时在接收和发送信号。这样的工作模式使得所谓的天线双工器成为必需的器件。天线双工器包括了用于Rx和Tx波段的高选择性的滤波器,它要保证从功放送出的功率尽可能少的回馈到接收通道,并将从天线接收到的信号以尽可能少的衰减导入前置放大器。这种双工器中采用SAW滤波器是有困难的,因为它要能处理高达2瓦的输出功率,而且随着自身发热造成的温度提升,要能维持正常的工作。而BAW/FBAR滤波器可以很好满足这些应用,因为其品质因数可高达1500,可以处理达几瓦的功率,而且频率特性的温度系数明显低于SAW滤波器。

基本原理

BAW谐振器应用了MEMS工艺,以便将石英晶体的工作机理扩展到更高频率。压电层的典型厚度在几个微米或更低。压电层可以驱动一个驻声波,其波长为压电层和电极总厚度的两倍。该驻声波沿垂直方向传播。因为淀积的压电层的方向对厚度外延模式(TE)支持得最好,所以采用了这一模式。在谐振频率附近,电阻抗将发生强烈的变化。在BAW中,压力场看起来与(单晶的)石英晶体很相似,但有更大一部分驻波位于电极和支撑层中。要将厚度外延模式的石英晶体的工作机制扩展到GHz范围,最直接的方法是将压电层和电极作成膜结构,或做到一个薄的支撑膜层上。

这种用膜结构的方法产生的BAW器件需要淀积的层数是最少的。这种方法的缺点是由于顶部有易碎的膜,从而造成晶片的处理很困难,此外还有其它一些鲁棒性的问题。

为实现将声波从衬底隔离开,还可以用声波镜来实现。用若干声阻抗高和低的层交替堆叠,且这些层的厚度都等于主谐振波长的1/4,这样就构建了一个有效的声波镜。这种制镜机理在光学中很普遍。在每个高阻抗层和低阻抗层之间的界面上,大部分的声波被反射,又由于这些层的厚度是/4,因而反射波会按合适的相位叠加。这种类型的BAW被称为固态装配谐振器(SMR)。就鲁棒性而言,SMR比膜结构的BAW要好很多。在划片和装配所需的各种标准工序中,没有机械损坏的风险。压电层和电极层上受到的层压力也不会造成问题。对需要有很大功率承受能力的BAW而言,存在一条直接穿过镜子的垂直传热通路是很有利的,这样可以明显降低对周围环境的热阻抗。SMR类的FBAR在用于IC集成时有很明显的优点,因为它可以被嵌入到交替的金属-氧化物堆中,而这种金属-氧化物堆一般先进的IC工艺都可以提供。事实上,在IC工艺上集成SMR,总的工序和掩膜层数都得到节省。

BAW的制作

表面波器件只能做在象钽酸锂或铌酸锂这样特殊的单晶基底上。而BAW器件可以做在可选的任意基底上,比如硅就可以做为很好的基底,因而可以直接利用主流IC制造厂现有的工艺、设备和基底结构。制作BAW所需的大多数工序可以直接在标准IC生产设备上完成,而不需要任何改变。光刻也不是问题,0.8微米的特征尺寸就足够了。一个BAW器件所需的光刻步骤在5个到10个之间。BAW中的缺陷密度也是次要问题,相当大的颗粒也不会导致谐振器失效。

最关键的工序是足够高品质的压电层淀积。尽管压电层是多晶的,但要求所有晶粒的C轴方向完全一致。方向不一致的晶粒会严重降低压电耦合因子和品质因子。BAW器件所用材料最流行的有氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)。从BAW器件的性能出发,所用的材料有几个参数必须考虑:

压电耦合系数kt2。它决定了电域与机械域间能量交换的程度。耦合系数太低的压电层将不能用来制作满足移动电话应用的带宽要求的滤波器。从这个指标来看,PZT最优(kt2=8-15%),其次是ZnO(kt2=7.5%)和AlN(kt2=6.5%)。
介电常数r。谐振器的阻抗水平由谐振器的尺寸、压电层厚度、介电常数共同决定。有较高的介电常数r,则可减少谐振器的尺寸。在这个指标上AlN和ZnO很接近,r都大约是10。PZT在这个指标上优势明显,它的r可高达400。从声学性能考虑,介电常数为100时就可以理想地工作在1GHz的频率上。
声速vL(纵向)。低声速材料可以使用较薄的压电层,从而实现更小的器件。从这个指标看,ZnO和PZT优于AlN。
固有材料损耗。ZnO和AlN都是在BAW滤波器中经过验证的材料。目前PZT在呈现足够低的固有衰减方面还不成功。
温度系数。由于压电层决定了谐振频率,因而它的温度系数对器件的温漂有巨大的影响。于ZnO相比,AlN的温度系数是相当低的。

制备压电薄膜的最实用的淀积方式是磁控溅镀法。这种方法对AlN和ZnO很有效,这两种材料都可以被纯金属靶材溅镀。AlN可以通过等离子体轰击超纯铝靶材而被溅镀,这些等离子体是由低压注入的氩、氮混合气产生的。

BAW谐振器的性能还会受材料的其他几种参数的间接影响。如果压电材料有较高的热传导率,这将有助于提高滤波器处理大功率信号的能力。AlN是一种良好的热导体。考虑到湿润环境下器件的可靠性,材料的化学稳定性也是一个问题。ZnO的化学性质不稳定,而AlN则非常稳定,甚至在最烈性的酸中也难以被腐蚀。还有一个需要优化的参数就是压电层的击穿电压。这与介质材料的能带隙有关,此外还与淀积材料的缺陷密度有关。

微波射频行业人士 | 相聚在这里
【10大细分领域的微信技术交流群】
订阅微信公众号
订阅微信公众号
加群管理员为好友
加群管理员为好友
主题阅读: 射频滤波器  CMOS工艺