SiO2/W反射叠层的分布电容对体波谐振器的影响

吴兆辉, 唐盘良,,李桦林,米 佳,鲍景富

(1.电子科技大学 集成电路科学与工程学院,四川 成都 611731;2.中国电子科技集团公司 第二十六研究所,重庆 400060)

0 引言

为了获得更高的压电耦合系数,基于铌酸锂(LN)的声学滤波器逐渐成为重点研究对象,而XBAR作为新型体波器件也受到越来越多的关注。XBAR在实现高工作频率的同时,耦合系数也超过30%[1-2],满足5G通信中高频宽带的要求。声表面波(SAW)谐振器的声速约4 000 m/s,如果设计频率超过3 GHz,电极线宽小于330 nm,对光刻技术的要求更严格。XBAR选择在铌酸锂上激发厚度振动模式(A1 Lamb波),工作频率取决于薄膜厚度,电极的周期不是影响频率的主要因素。薄膜制作工艺的进步(如通过离子注入实现薄膜剥离的Smart Cut工艺[3])使XBAR结构得以实现。Victor Plessky等[4]将压电薄膜键合在衬底上,在电极图形化后通过背部体硅刻蚀工艺形成悬浮的振动薄膜,但是物理可靠性、温漂[5]和功率容量[6]等问题均限制了XBAR的进一步应用。在压电薄膜下方构造多层布喇格反射结构,即固态装配型谐振器(SMR),可以较好地解决这些问题。本文用XSMR表示基于XBAR谐振器的SMR结构(具有叉指电极IDT,用以区别传统SMR)。

SMR结构交替沉积低声阻抗材料和高声阻抗材料,利用布喇格反射将能量限制在压电层,以抑制能量泄露到衬底。反射层之间的声阻抗相差越大,则反射能力越强,传输阻带的频率范围越大,谐振器的品质因数(Q)值也越高。与XBAR的悬空薄膜结构相比,SMR不能提供100%的能量反射,因此,Q值会下降。低阻抗层常用SiO2,高声阻抗层材料有AlN[7]、Ta2O5[8]及Mo[9]、W[10]等。因为XBAR的耦合系数超过30%,这要求布喇格反射层必须提供足够宽的阻带。W具有高密度和高弹性系数,其声阻抗远高于其他材料。本文重点讨论了由SiO2/W组成的布喇格反射叠层对谐振器性能的影响,并加工实物进行验证。

从声波传输与电容效应两方面讨论SiO2/W的作用。首先建立多层布喇格反射模型,计算声波传输阻带,优化各层膜厚;然后根据钨的导电性,分析XSMR中的金属层与IDT之间的电容效应,基于有限元法研究并联电容对电场分布的影响,并使用MBVD模型提取相关的电容参数;最后通过加工测试对分布电容的影响进行验证。

1 SMR结构的布喇格反射

XBAR的压电薄膜上下表面是空气[3],提供了自由振动边界条件,反射系数的相位为0°。在SMR中,压电薄膜下方沉积了由多层薄膜构成的声学反射器,结构如图1所示。图中,pI为IDT周期(l/2,l为波长),hAl,hLN,hSiO2,hW分别为Al、LN、SiO2、W的厚度。

图1 XSMR谐振器,压电层下方使用SiO2/W四层结构

根据传输线模型,单层薄膜厚度为l/4即可实现阻抗变换,反射叠层相当于阻抗变换器,它为谐振体(压电薄膜)提供超低阻抗。两种材料的声阻抗之比越大,则该声波反射结构的反射性能越强。布喇格反射器的层数为N,定义为低阻抗层数与高阻抗层数之和。

声阻抗指传播介质的应力与声速的复数比值,也可以转换为弹性模量和密度[11]。由于A1模式为剪切模式,依据下式计算声阻抗:

(1)

式中:G为剪切模量;ρ为质量密度。由式(1)计算得到W的声阻抗为55.74 MRayl(1 MRayl=106Pa·s/m3)。

为了匹配XBAR的工作模态A1 Lamb波的高耦合系数,使用SiO2/W构造XSMR可以提供很宽的传输阻带。首先调整厚度,评估传输阻带的中心频率与频率带宽。图2为基于4层结构的声学反射叠层(SiO2/W/SiO2/W)模型计算W与SiO2的厚度比值r(r=hw/hSiO2)对声波传输系数的影响,其中SiO2厚度固定为314 nm。图中灰色阴影部分为目标工作频段。由图可见,布喇格传输阻带中心频率在3.7 GHz,随着r增大,传输阻带可以集中到工作频段,这有利于抑制带外杂散,但传输系数略有恶化。

图2 r对声波传输系数的影响

SMR对剪切波和纵波的反射能力不同,图3为SiO2/W四层反射结构对剪切波和纵波的传输系数。由图可见,在谐振器的工作频段,主模A1的机械振动能量集中在压电层,纵波(杂模)部分地泄露到衬底,减小其响应强度。

图3 SiO2/W四层反射结构对剪切波和纵波的传输系数

2 谐振器耦合系数

在XSMR中使用金属材料W,但金属的导电性会产生并联分布电容Cp。电荷通过静电感应积聚在IDT和W之间,形成纵向电场分量Ez,使横向电场Ex分量减小。激励电场不完全转化为Ex,将降低等效耦合系数K2,又因Cp的影响,既使采用了W作为高声阻抗材料层,但K2仍下降。为了进行横向对比,统一采用FBAR的等效耦合系数计算方法[11]:

(2)

式中:fr为谐振频率;fa为反谐振频率。

频域的响应结果如图4所示。由图可见,当在仿真中不考虑金属层的导电性,此时K2=28.5%。当在模型中考虑金属层的导电性(设置开路条件,即float边界条件,Cp被引入)后,K2下降至18.9%。为了进一步分析谐振器性能恶化的原因,首先计算Cp值。

图4 在仿真中金属层导电性对谐振器耦合系数的影响

图5为静态电容随电极金属化率(电极占空比)的变化曲线。由图可知,Cp对反谐振频率影响较大,对谐振频率影响较小。利用MBVD模型可得反谐振频率ωa(ωa=2πfa)与Cp的关系为

(3)

式中:Cm为动态电容;Lm为动态电感;C0为静态电容。

图5 静态电容随电极金属化率(电极占空比)的变化曲线

在电路结构中Cp与C0并联,再与动态支路并联,金属层引起的分布电容越大,反谐振频率越小。根据有限元模型仿真结果,用MBVD模型拟合出静态电容C0,可以得到两种条件下的静态电容值:

1)C01:考虑金属导电性(W/Cp),需要设置开路边界条件,令电场方向垂直于金属表面。

2)C02:不考虑金属导电性(W/OCp)。两个电容值相减即可得到分布电容的估计值:

Cp=C01-C02

(4)

另一个使谐振器性能下降的因素是金属层对电场分布的影响。理想一维模型中,A1模式通过横向电场进行激励,实际上不可避免地引入了纵向分量。图6为金属层对电场分布的影响。由于电容效应,压电层中的横向电场分量Ex减弱,纵向分量Ez加强。图6(a)在仿真中排除了W的导电性。图6(b)考虑了W的导电性,设置开路边界条件后,电场方向垂直于金属化表面。

图6 金属层对电场分布的影响

3 加工与测试

基于Smart Cut技术加工XSMR测试样品,铌酸锂膜厚500 nm,二氧化硅膜厚314 nm,钨膜厚534 nm。采用4层反射层结构。谐振器的加工结果以及MBVD拟合如图7所示。由图可见,当谐振频率fr=3 720 MHz时,Q的最大值为168,K2=12%。综上分析可知,分布电容导致耦合系数较低。谐振器的阻抗比较低(约45 dB),其原因:

1) SMR层数较少。

2) 谐振器采用厚度为100 nm的铝电极,由于电极层较薄,造成引线电阻(欧姆损耗)偏大,经过MBVD模型拟合后得到IDT的欧姆电阻Re=1 Ω(见表1)。表中,Rm为动态电阻,R0为静态电阻。XBAR的电极间距较大,增加了传播损耗。

图7 谐振器的测试结果

表1 MBVD模型的元件值

SMR的各层膜厚不均匀会导致谐振器频率发生偏移。电极图形化前对晶圆上下左右以及中间处的膜厚进行采样测试,各层膜厚偏差低于0.9%。

图8为谐振器的仿测结果对比图。1#～4#样品分别在晶圆中心和四周等4个不同位置处随机取样,它们的设计尺寸参数相同。由于膜厚的不均匀,使谐振器的频率发生小幅度偏移。由图可见,有限元法(FEM)仿真能够较好地匹配主模和杂散情况。

图8 晶圆上不同位置处的谐振器随机抽样测试结果与FEM仿真对比

4 结束语

本文讨论了金属钨的声阻抗性能以及应用于宽带XSMR的性能表现。虽然钨的声阻抗很高,且具有很宽的布喇格传输阻带,但其导电性对传输带宽有影响。引入并联电容Cp及改变电场分布均会降低谐振器的耦合系数。采用4层叠层结构的XSMR谐振器Q值较低,为了提高性能指标,需增加层数及优化电极。此外,采用非金属材料可避免分布电容对谐振器的影响。