一种通带展宽的BAW梯型滤波器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种通带展宽的BAW梯型滤波器及其制造方法，该滤波器包括制备于衬底上的彼此互连的m个串联和n个并联FBAR单元、信号输入端子、信号输出端子、结点N1~Nn+1；该滤波器设计方法主要通过：构建FBAR单元的Mason仿真电路模型、调整FBAR单元各膜层的厚度、确定滤波器的级联阶数和拓扑结构、使用参数化设计方法仿真得到BAW梯型滤波器串、并联FBAR的谐振区面积、使用优化方法对带内插损、带内纹波进行优化；在制造过程中，采用DRIE+RIE的两步法工艺方法刻蚀FBAR背部以形成空腔，提高BAW滤波器的成品率；本发明专利技术能提高BAW梯型滤波器滤波性能，缩短滤波设计周期，提高BAW滤波器器件可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种通带展宽的BAW梯型滤波器及其制造方法。技术背景体声波（Bulk Acoustic Wave；BAW）滤波器是由一对串、并联FBAR（film bulk acoustic resonator；薄膜体声波谐振器）单元构成的单阶滤波器级联而成的，针对宽带宽的BAW梯型滤波器各项技术指标进行设计的一般流程如下：1.根据BAW梯型滤波器的中心频率及带宽确定FBAR单元各膜层的厚度。通过调整FBAR单元各膜层厚度能够首先确定BAW梯型滤波器的中心频率指标；在此基础上，通过减小FBAR膜层厚度，能够增加FBAR串并联谐振频率差值，实现BAW梯型滤波器的宽带宽指标；2.根据BAW梯型滤波器的带外抑制指标确定BAW梯型滤波器的级联阶数和拓扑结构；3.根据BAW梯型滤波器的带外抑制，插入损耗和带内纹波的性能确定满足指标的各FBAR单元谐振区面积。上述BAW梯型滤波器的设计过程中存在三个问题：1.减小FBAR膜层厚度实现宽带宽指标时，FBAR膜层中顶、底电极厚度减小，会使FBAR器件的欧姆损耗增大，而从降低FBAR器件的Q值，影响BAW梯型滤波器的滤波性能。因此，一般在保证厚度大于工艺允许的最小值下，主要通过减薄支撑层的厚度实现宽带宽指标，而顶、底电极厚度的调节仅作为频率的微调手段，用于确定BAW梯型滤波器的中心频率不变。但是厚度较薄的支撑层在后期器件制备中，由于Si衬底的片内刻蚀不均匀性，DRIE工艺的过刻蚀可能会损坏甚至刻穿较薄的支撑层，从而极有可能导致FBAR器件的失效；2.根据带外抑制指标和带内插损、带内纹波确定BAW梯型滤波器中各FBAR单元面积时，由于FBAR单元的面积变量有2N或2N+1个，如果通过手动调节各FBAR单元面积，使设计周期过长，同时结果预知不可知；如果设定优化目标，通过软件自动优化功能调节各FBAR单元面积，虽然2N或2N+1个面积变量的优化时间较之手动调整FBAR面积花费的时间大大缩减，但是该优化准则并没有考虑N阶BAW梯型滤波器的形成原理，可能导致优化得到的各FBAR单元面积出现过大或者过小的情况，过小的面积承受的功率容量较低，这会限制整个BAW梯型滤波器的功率容量，从而限制了其应用范围。3.为了便于流程化设计BAW梯型滤波器，在第一步确定BAW梯型滤波器中心频率时，采用的是并联谐振器的并联谐振频率(fpp)、串联谐振器的串联谐振频率(fss)与BAW梯型滤波器中心频率f0精确对准的方法，但是利用该方法发现设计得到的滤波器曲线通带内呈现“中间高、两边低”的现象，这无疑会增加BAW梯型滤波器的带内插损和带内纹波。特别的，在滤波器的制作过程中，现有的专利、文献大都采用Si衬底作为构成BAW滤波器的各FBAR单元的衬底，例如，公开日为2014年9月10日，公开号为CN104038177A的中国专利技术专利申请文献，公开了“用于紫外探测的薄膜体声波谐振及其制备方法”，是制作在Si衬底上的紫外探测薄膜体声波谐振器。该技术方案中，主要缺陷是采用深反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching； DRIE）对Si衬底进行刻穿以形成通孔型FBAR器件时，由于刻穿Si衬底需要很长时间，其刻蚀速率的非一致性以及可变性将会对FBAR器件结构造成很大危害。仅仅使用DRIE刻穿500um厚的Si衬底，反应物很难到达硅槽的底部继续进行刻蚀，有时甚至导致刻蚀反应的停止。如果刻蚀不完全不能形成一个完整的空腔，就会造成FBAR器件性能的严重下降；如果进一步增加刻蚀时间，刻蚀会对FBAR支撑层造成一定程度的损伤，对于具有较薄支撑层的FBAR器件而言，甚至会刻穿支撑层，造成FBAR器件的彻底损坏，使得制作的BAW梯型滤波器失效。
技术实现思路
为解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种通带展宽的BAW梯型滤波器及其制造方法，设计的BAW梯型滤波器性能优越，同时设计周期短；提出了一种DRIE+RIE的两步法工艺，旨在确保制备的BAW梯型滤波器具有更高可靠性；器件性能更好的优点，本专利技术为宽带BAW滤波器的设计和制造提供了捷径。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：包括制备衬底上的信号输入端子Vin、信号输出端子Vout、结点N1~Nn+1和彼此互连的n个串联的FBAR单元、m个并联的FBAR单元，其中m和n为正整数；所述FBAR包括制备在衬底上的自下而上依次沉积的支撑层、底电极、压电层、顶电极。设计上述通带展宽的BAW梯型滤波器的方法步骤如下：S1，构建FBAR单元的Mason仿真电路模型；S2，根据BAW梯型滤波器的中心频率调整FBAR单元支撑层、底电极、压电层、顶电极的厚度；S3，根据宽带宽指标，在工艺厚度约束条件下，调节支撑层厚度，再次微调串、并联FBAR的顶电极厚度，使BAW梯型滤波器的中心频率不变。S4，根据带外抑制指标，确定BAW梯型滤波器的级联阶数和拓扑结构；S5，根据BAW梯型滤波器的带外抑制、带内插损、带内纹波，使用参数化设计方法仿真得到BAW梯型滤波器串、并联FBAR的谐振区面积；S6，使用带内插损、带内纹波的优化方法对设计的BAW梯型滤波器带内插损、带内纹波进行优化。对于S5中的参数化化设计方法，进一步限定为：设定传输系数S参数为优化目标；设定并联FBAR与串联FBAR面积之比am、以及串联FBAR面积An为优化变量，使用梯度优化算法进行优化。对于S6中的带内插损、带内纹波的优化方法，进一步限定为：只减小串联FBAR顶电极厚度，或只增加并联FBAR顶电极厚度，或既减小串联FBAR、又增大并联FBAR顶电极厚度，使并联FBAR的并联谐振频率（fpp）小于串联FBAR的串联谐振频率（fss），即fpp< fss。所述的设计方法适用于设计通孔型，或空腔型，或布拉格反射型FBAR结构的BAW梯形滤波器。对于通带展宽的BAW梯型滤波器的制作方法，具体结构和连接关系进一步限定为：所述n个FBAR单元串联连接，所述信号输入端子Vin与第一个串联FBAR单元之间的结点为结点N1，第n个串联FBAR单元与所述信号输出端在子Vout之间的结点为结点Nn+1，结点N1与结点Nn+1连接，所述第二个串联FBAR单元到第n-1个串联FBAR单元之间，每相邻两个串联FBAR单元之间结点分别连接一个所述并联FBAR单元的一端，每个并联FBAR单元的另一端接地。对于上述一种通带展宽的BAW梯型滤波器的制造方法中，所述FBAR的衬底可以是SOI（绝缘体上的硅）衬底，也可以是Si（硅）衬底。其中，采用SOI衬底比普通Si衬底作为FBAR衬底更具有优势，具体表现为：a.SOI埋氧层的刻蚀自停止特性使得刻蚀速度较慢，便于监控刻蚀时间，使刻蚀停止在希望不受破坏的支撑层上，确保了器件的可靠性；b.由于SOI中埋氧层的良好绝缘性，使泄露到衬底的射频输入信号减少；c.由于SOI中埋氧层的良好绝缘性，用在FBAR衬底中，能够降低各个FBAR单元的衬底损耗，对由FBAR构成的BAW梯型滤波器的插入损耗性能影响较小。当所述FBAR的衬底为Si衬底时，构成BAW梯型滤波器的单个FBAR制备工艺流程如下：步骤1：制备Si衬底；步骤2：在Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：包括制备衬底上的信号输入端Vin、信号输出端Vout、结点N1~Nn+1和彼此互连的m个串联的FBAR单元、n个并联的FBAR单元，其中m和n为正整数，所述FBAR包括制备在衬底上的自下而上依次沉积的支撑层、底电极、压电层、顶电极；所述信号输入端子Vin与第一个串联FBAR单元之间的结点为结点N1，第n个串联FBAR单元与所述信号输出端子Vout之间的结点为结点Nn+1，结点N1与结点Nn+1连接，所述第二个串联FBAR单元到第n‑1个串联FBAR单元之间，每相邻两个串联FBAR单元之间的结点分别连接一个所述并联FBAR单元的一端，每个并联FBAR单元的另一端接地。

【技术特征摘要】
1.一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：包括制备衬底上的信号输入端Vin、信号输出端Vout、结点N1~Nn+1和彼此互连的m个串联的FBAR单元、n个并联的FBAR单元，其中m和n为正整数，所述FBAR包括制备在衬底上的自下而上依次沉积的支撑层、底电极、压电层、顶电极；所述信号输入端子Vin与第一个串联FBAR单元之间的结点为结点N1，第n个串联FBAR单元与所述信号输出端子Vout之间的结点为结点Nn+1，结点N1与结点Nn+1连接，所述第二个串联FBAR单元到第n-1个串联FBAR单元之间，每相邻两个串联FBAR单元之间的结点分别连接一个所述并联FBAR单元的一端，每个并联FBAR单元的另一端接地。2.根据权利要求1所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：所述BAW梯型滤波器的设计步骤为：S1，构建FBAR单元的Mason仿真电路模型；S2，根据BAW梯型滤波器的中心频率调整FBAR单元支撑层、底电极、压电层、顶电极的厚度；S3，根据宽带宽指标，在工艺厚度约束条件下，调节支撑层厚度，再次微调串、并联FBAR的顶电极厚度，使BAW梯型滤波器的中心频率不变；S4，根据带外抑制指标，确定BAW梯型滤波器的级联阶数和拓扑结构；S5，根据BAW梯型滤波器的带外抑制、带内插损、带内纹波，使用参数化设计方法仿真得到BAW梯型滤波器串、并联FBAR的谐振区面积；S6，使用带内插损、带内纹波的优化方法对设计的BAW梯型滤波器带内插损、带内纹波进行优化。3.根据权利要求2所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：所述S5中参数化设计方法具体为：调整BAW梯型滤波器的串、并联FBAR面积时，设定并联FBAR与串联FBAR面积之比、以及串联FBAR面积为优化变量，设定传输系数S参数为优化目标，使用梯度优化算法进行优化。4.根据权利要求2所述的一种通带展宽的BAW梯型滤波器，其特征在于：所述S6中带内插损、带内纹波的优化方法具体为：只减小串联FBAR顶电极的厚度，或只增加并联FBAR顶电极的厚度，或既减小串联FBAR、又增大并联...

【专利技术属性】
技术研发人员：高杨，赵坤丽，蔡洵，雷强，贾乐，王宇航，韩宾，刘婷婷，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51