單片集成的體聲波雙工器的制造方法
專利名稱:單片集成的體聲波雙工器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種單片集成的體聲波雙工器，由發射帶通濾波器、接收帶通濾波器和移相器構成，其中，發射帶通濾波器由彼此互連的至少兩個FBAR構成，接收帶通濾波器由彼此互連的至少兩個FBAR構成，移相器由一個電感器和兩個電容器構成，FBAR由底電極、壓電層和頂電極構成，電容器由底電極、介電層和頂電極構成，接收帶通濾波器、發射帶通濾波器和移相器均在同一襯底上制造而成。由于本實用新型的制造方法可以將發射帶通濾波器、接收帶通濾波器及移相器集成到一個芯片上，因此能提供滿足移動通信設備小型化需求的雙工器。
【專利說明】
單片集成的體聲波雙工器
技術領域
[0001 ] 本實用新型涉及由薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)構 成的體聲波(Bulk Acoustic Wave，BAW)雙工器及其制造方法，更具體地涉及通過微電子機 械系統(MEMS)技術，單片集成的體聲波雙工器。
【背景技術】
[0002] 在許多不同的通信應用中，例如手機或者任何其他收發信機，公共信號路徑既耦 合到接收機的輸入端，又耦合到發射機的輸出端上。在這樣的收發信機中，天線可以耦合到 接收機的輸入端上和發射機的輸出端上。因而，雙工器通常把公共信號路徑耦合到接收機 的輸入端上和發射機的輸出端上。
[0003] 雙工器提供必要的耦合，但是阻止由發射機生成的已調制發射信號從天線耦合反 饋到接收機的輸入端上，是接收機過載。從而，雙工器通常包括三個端口。在天線處有輸入 和輸出這兩種信號的共存。為了避免這些信號的沖突，通常將不同的頻帶分配給Tx和Rx路 徑。雙工器的主要用途在于指引輸入信號至Rx端口和保護發射信號從Tx端口至天線。最終， 雙工器通常含有兩個高選擇性射頻濾波器，用于各自的Tx和Rx頻帶。
[0004]由于當前手機都朝著多模多頻的方向發展，手機射頻前端模塊需要嵌入更多高性 能的雙工器和濾波器。然而消費者又期望手機有輕型化及超薄化的發展趨勢，這就對手機 中的雙工器性能及體積提出了更為嚴苛的要求。通常在移動通信設備中使用聲表面波 (Surface Acoustic Wave，SAW)雙工器，如在發明人Hidekazu Nakanishi等人的公開號為 US7498898 B2的美國專利文獻中，雙工器中的發射帶通濾波器和接收帶通濾波器均由聲表 面波諧振器構成。然而，SAW帶通濾波器需要使用陶瓷外殼進行封裝，這必然會加大雙工器 的尺寸，從而很難在單個芯片上安裝所有組件。此外，在采用SAW濾波器的雙工器中，芯片尺 寸的增大及封裝用的陶瓷價格昂貴導致SAW雙工器的制造成本上升。更為致命的是，隨著 4G/LTE時代的到來，手機工作頻率都在2GHz左右甚至更高，此時SAW雙工器中的濾波器選 擇性變差，難以滿足4G手機的通信要求。
[0005] 與SAW雙工器相比，BAW雙工器可進行低成本的商業生產，并且BAW雙工器的尺寸還 能進一步減小。此外，BAW雙工器中的濾波器工作在高于2GHz的頻帶時，依然具有良好的選 擇性。在發明人Bernhard Gebauer等人的公開號為US20130043961 A1的美國專利文獻中提 出了一種包括BAW濾波器的雙工器，即BAW雙工器。然而，根據該文獻中的BAW雙工器，由于通 過單個器件的形成來制造 BAW發射帶通濾波器、BAW接收帶通濾波器和移相器中的電感器及 電容器，并將這些結構封裝在基板上，以此制造雙工器模塊，因此在縮小雙工器模塊尺寸方 面存在很大的障礙。此外，由于還需要分離地制造雙工器中的各部件(發射帶通濾波器、接 收帶通濾波器、電感器和電容器)并將它們安裝在同一基板上，這需要更多的時間和更高的 成本來制造雙工器。在發明人Yun-Kwon Park等人的公開號為US8720023 B2的美國專利文 獻中雖然提出了一種單片集成的體聲波雙工器制造方法，但該雙工器中的移相器是制造在 雙工器芯片的封裝蓋帽上，通過封裝蓋帽上的金屬通孔實現與接收帶通濾波器與發送帶通 濾波器的互連，這樣的方法增加了雙工器的制造難度。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型為了解決上述技術缺陷，提供了一種具有單片集成的體聲波雙工器， 該體聲波雙工器的發射帶通濾波器和接收帶通濾波器由多種電極厚度的FBAR構成，移相器 中的電容器采用與FBAR工藝兼容的結構，移相器中的電感器通過電鍍工藝在襯底的溝槽中 形成，FBAR、電感器和電容器之間的電連接通過FBAR電極引線實現，電極引線在形成FBAR電 極時也被同時形成，通過這樣的方法可以在同一襯底上容易地制造移相器、發射帶通濾波 器和接收帶通濾波器，從而縮小體聲波雙工器的體積并實現其低的制造成本。
[0007] 為實現上述目的，本實用新型采取以下技術方案：
[0008] 單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:包括發射帶通濾波器、接收帶通濾波器和 移相器，其中，發射帶通濾波器包括至少兩個互連的FBAR，接收帶通濾波器包括至少兩個互 連的FBAR，移相器包括一個電感器和分別連接于電感器兩端的第一電容器、第二電容器;所 述FBAR均至少包括底電極和頂電極，所述電容器包括底電極、介電層和頂電極;所述接收帶 通濾波器、發射帶通濾波器和移相器均在同一襯底上制造而成。
[0009] 所述發射帶通濾波器可以包括至少兩個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR，或者 可以包括至少一個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR。
[0010] 進一步的，所述發射帶通濾波器中的串聯的FBAR從下而上依次形成有第一底電極 層、壓電層、第一頂電極層和第三頂電極層;所述發射帶通濾波器中的并聯的FBAR從下而上 依次形成有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層、第二頂電極層和第三頂電極層。
[0011] 或者，進一步的，所述發射帶通濾波器中的串聯的FBAR均從下而上依次形成有第 一底電極層、第二底電極層和第一頂電極層，所述發射帶通濾波器中的并聯的FBAR均從下 而上依次形成有第一底電極、第二底電極層、第一頂電極層和第二頂電極層。
[0012] 所述接收帶通濾波器可以包括至少兩個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR，或者 可以包括至少一個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR。
[0013] 進一步的，所述接收帶通濾波器中的串聯的FBAR均從下而上依次形成有第一底電 極層、壓電層和第一頂電極層;所述接收帶通濾波器中的并聯的FBAR均從下而上依次形成 有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層和第二頂電極層。
[0014] 或者，進一步的，所述接收帶通濾波器中的串聯的FBAR的串聯的FBAR均從下而上 依次形成有第一底電極層和第一頂電極層，所述接收帶通濾波器中的并聯的FBAR從下而上 依次形成有第一底電極層、第一頂電極層和第二頂電極層。
[0015] 所述單片集成的體聲波雙工器中，所述第一底電極層厚度均相同，所述壓電層的 厚度均相同，所述頂電極層的厚度均相同，所述第二頂電極層的厚度均相同，第三頂電極層 的厚度均相同。
[0016] 進一步的，所述第一電容器和第二電容器結構相同，均從下而上依次形成有第一 底電極層、介電層、第一頂電極層、第二頂電極層、第三頂電極層和第四頂電極層。
[0017] 所述電容器的頂電極的厚度大于所述體聲波雙工器中任一 FBAR的頂電極厚度。
[0018] 所述電容器的介電層與所述體聲波雙工器中任一 FBAR的壓電層厚度和材料均相 同。
[0019] 所述發射帶通濾波器和接收帶通濾波器中的FBAR之間通過頂電極引線或底電極 引線連通;所述發射帶通濾波器、接收帶通濾波器與移相器之間，是發射帶通濾波器、接收 帶通濾波器中的FBAR通過頂電極引線與移相器中的電容器、電感器連通實現，并且所述頂 電極引線與第一頂電極層通過濺射工藝同時形成，底電極引線與第一底電極層通過濺射工 藝同時形成。
[0020] 形成上述單片集成的體聲波雙工器的制造方法，包括以下幾個步驟：
[0021] a)在襯底上面刻蝕形成溝槽，并在溝槽中電鍍形成電感器；
[0022] b)在襯底上同時形成發射帶通濾波器、接收帶通濾波器、移相器中的電容器及相 應的電極引線；
[0023] c)在襯底背面刻蝕形成第一空腔、第二空腔和第三空腔。
[0024]所述第一空腔的上面對應形成有發射帶通濾波器;所述第二空腔的上面對應形成 有接收帶通濾波器;所述第三空腔的上面對應形成有移相器。
[0025]所述第一空腔和第二空腔的深度相同，第一空腔、第二空腔的深度大于第三空腔 的深度。
[0026]所述電感器使用高電導率材料，所述襯底使用高電阻率材料。
[0027]所述電感器還可以形成在襯底上的光敏聚酰亞胺層中。
[0028]本實用新型的有益效果如下：
[0029] 本實用新型可以在單個襯底上容易地設置移相器、發射帶通濾波器和接收帶通濾 波器，從而縮小體聲波雙工器的體積并實現其低的制造成本;此外，支撐層既能增強這種背 腔刻蝕型體聲波雙工器的機械強度，還能提升其頻率溫度穩定性。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本實用新型單片集成的體聲波雙工器電路原理圖；
[0031 ]圖2為本實用新型中單片集成的體聲波雙工器截面圖；
[0032]圖3(a)_(m)為本實用新型單片集成的體聲波雙工器主要制造工藝步驟；
[0033]圖4為本實用新型中另一種單片集成的體聲波雙工器截面圖。
[0034] 其中，附圖標記為：101第一串聯FBAR，102第二串聯FBAR，103第三串聯FBAR，104第 四串聯FBAR，105第一并聯FBAR，106第二并聯FBAR，107第三并聯FBAR，108第四并聯FBAR， 109第一電容器，110電感器，111第二電容器，112天線端，113發射端，114第五串聯FBAR，115 第六串聯FBAR，116第七串聯FBAR，117第五并聯FBAR，118第六并聯FBAR，119第七并聯FBAR， 120第八并聯FBAR，121接收端，122發射帶通濾波器，123接收帶通濾波器，124移相器，201第 一底電極層，202壓電層，203第一頂電極層，204第三頂電極層，205頂電極引線，206底電極 引線，207第二頂電極層，208 FBAR與電感器之間的引線，209電感器與電容器之間的引線， 210第四頂電極層，211介電層，212支撐層上層，213支撐層下層，214 Si襯底，215第一空腔， 216第二空腔，217第三空腔，218光敏聚酰亞胺層。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖對本實用新型作詳細說明：
[0036] 以FDD-LTE band 7的應用為例，圖1為本實用新型中單片集成的體聲波雙工器電 路原理圖，該體聲波雙工器包括:發射帶通濾波器122、接收帶通濾波器123和移相器124構 成，端口 112為天線端口，端口 113為發射端口，端口 121為接收端口。
[0037]發射帶通濾波器包括四個串聯的FBAR和四個并聯的FBAR，串聯的四個FBAR結構均 相同，并聯的四個FBAR結構均相同。從天線端口 112向發射端口 122看過去，發射帶通濾波器 中FBAR的連接關系為：第一串聯FBAR 101、第一并聯FBAR 105、第二串聯FBAR 102、第二并 聯FBAR 106、第三串聯FBAR 103、第三并聯FBAR 107、第四串聯FBAR 104和第四并聯FBAR 108〇
[0038]發射帶通濾波器由三個串聯FBAR和四個并聯FBAR構成，串聯的三個FBAR結構均相 同，并聯的四個FBAR結構均相同。從天線端口向接收端口看過去，發射帶通濾波器中FBAR的 連接關系為：第五并聯FBAR 117、第五串聯FBAR 114、第六并聯FBAR 118、第六串聯FBAR 115、第七并聯FBAR 119、第七串聯FBAR 116和第八并聯FBAR 120。
[0039] 由于接收帶通濾波器122的輸入阻抗在發射頻段低于50歐姆，將發射帶通濾波器 122與接收帶通濾波器123并聯在天線端口時，發射帶通濾波器會對接收帶通濾波器形成負 載效應，從而使發射帶通濾波器的性能退化。因此，需要引入Jr型移相器124來提升接收帶通 濾波器123在發射頻段(2500 MHz-2570 MHz)的輸入阻抗，移相器的工作頻率為發射頻帶的 中心頻率2535 MHz，相移值為90 °。該移相器124包括一個電感器110和第一電容器109、第二 電容器111，第一電容器109和第二電容器111結構完全相同，第一電容器109的電容值與第 二電容器111的相同。通過公式
[0040] ωΣΙΖα=τ-??θ ,-90°^θ<〇 (1)
[0041 ] i?CZ6 =-taai(^/2) ,-90°^θ<〇 (2)
[0042] 計算得到電感器110的電感值L為3.1 nH，第一電容器109和第二電容器111的電容 值為1.3 pF。其中：ω為移相器124的工作頻率，Θ為了移相器的相移值，傳輸線特征阻抗為 Ζ〇 50 Ω，L和C分別表示電感器110的電感值與第一電容器109的電容值。
[0043] 圖2為本實用新型中單片集成的體聲波雙工器截面示意圖，包括:發射帶通濾波器 122中的串聯FBAR 101和并聯FBAR 105、發射帶通濾波器123中的串聯FBAR 114和并聯FBAR 117及移相器124中的電感器110與第一電容器109。
[0044]所述發射帶通濾波器122中的所有串聯FBAR包括:第一底電極層201、壓電層202、 第一頂電極層203和第三頂電極層204。
[0045]所述發射通濾波器122中的所有并聯FBAR包括:第一底電極層201、壓電層202、第 一頂電極層203、第二頂電極層207和第三頂電極層204。
[0046]所述接收通濾波器123中的所有串聯FBAR包括:第一底電極層201、壓電層202、和 第一頂電極層203。
[0047]所述接收通濾波器123中的所有并聯FBAR包括:第一底電極層201、壓電層202、第 一頂電極層203和第二頂電極層207。
[0048]根據梯形濾波器的工作原理，并聯的FBAR的諧振頻率要低于串聯FBAR的諧振頻 率，第二頂電極層207就是起到這樣的作用；由于發射帶通濾波器122與接收帶通濾波器123 的帶寬相同，故發射帶通濾波器122的中所有并聯FBAR與接收帶通濾波器123中所用并聯 FBAR均具有第二頂電極。由于發射帶通濾波器122的中心頻率與接收帶通濾波器的中心頻 率低50MHz，所以接收帶通濾波器123的所有FBAR中都有第三頂電極層204。
[0049] 第一電容器109和第二電容器111均包括第一底電極層201、介電層211、第一頂電 極層203、第二頂電極層207、第三頂電極層204和第四頂電極層210。
[0050] 所述FBAR中的第二頂電極層207通過濺射工藝形成在第一頂電極層203之上，第三 頂電極層204通過濺射工藝形成在第二頂電極層203之上，所述電容器的第四頂電極層210 形成在第三頂電極層204之上。
[00511所述第一底電極201采用Pt材料，壓電層202采用A1N材料，第一頂電極層203、第二 頂電極層207和第三頂電極層204均采用A1材料。
[0052]發射帶通濾波器122位于第一空腔215之上的支撐層上層212上表面，接收帶通濾 波器123位于第二空腔216之上的支撐層上層212上表面，移相器124位于第三空腔217之上 的支撐層上層212上表面。空腔通過從背面刻蝕襯底形成，襯底214的材料為Si。襯底214上 設置有支撐層上層212和支撐層下層213,支撐層上層212的材料為Si 3N4,支撐層下層213的 材料為Si02。支撐層下層213不僅能增加發射帶通濾波器122和接收帶通濾波器123的機械 強度，還能提升其頻率溫度穩定性。由于現有的多數FBAR壓電薄膜，其內部原子間的相互作 用力一般都表現出負的溫度特性，即隨著溫度升高，原子間的相互作用力減弱，導致壓電薄 膜的彈性系數變小。而FBAR的諧振頻率又與壓電薄膜的彈性系數成正比關系，因此，隨著溫 度的升高，FBAR的諧振頻率減小。為降低這種溫度-頻率漂移特性的影響，必須對FBAR進行 溫度補償以提高其溫度穩定性。由于支撐層下層213Si0 2的楊氏模量隨溫度的升高而增大， 即其溫度系數為正值（約+85/Γ)，因此，在支撐層中的具有正溫度系數的Si0 2支撐層下層 213在和負溫度系數的A1N壓電層202復合時，會減小彼此的溫度漂移，達到FBAR溫度補償的 效果，從而提升由其構成的濾波器的頻率溫度穩定性。
[0053] 體聲波帶通濾波器的中心頻率由FBAR的諧振頻率確定，而FBAR的諧振頻率又由其 結構中的各層厚度決定。體聲波帶通濾波器的帶外抑制、帶入損耗等性能又由各個FBAR的 諧振區面積決定，FBAR諧振區是指FBAR頂電極與底電極的正對區域。
[0054] 通過設計可以得到發射帶通濾波器122和接收帶通濾波器123中各FBAR結構參數： 支撐層上層212厚度為0.2 μπι，支撐層下層213厚度為0.3ym;FBAR第一底電極201厚度為 0.08μπι;壓電層202厚度為Ιμπι;第一頂電極203厚度為0.290μπι，第二頂電極層207厚度為 0.039 μπι，第三頂電極層204厚度為0.079 μπι;發射帶通濾波器122中FBAR 101的諧振區面 積為86X86 ym2，FBAR 105的諧振區面積為89X89 ym2，FBAR 102的諧振區面積為87X87 μ m2，FBAR 106的諧振區面積為 125X125ym2，FBAR 103的諧振區面積為80X80 ym2，FBAR 107 的諧振區面積為109X109 ym2，FBAR 104的諧振區面積為106X106 ym2，FBAR 108的諧振區 面積為128X128 μπι2;接收帶通濾波器中FBAR 117的諧振區面積89X89 ym2，FBAR 114的諧 振區面積為86X86 ym2，FBAR 118的諧振區面積為125X125 ym2，FBAR 115的諧振區面積為 80X80 ym2，FBAR 119的諧振區面積為109X109 ym2，FBAR 116的諧振區面積為106X106 μ m2, FBAR 120 的諧振區面積為 128 XI28 μπι2。
[0055] 對于移相器124中的電感器110而言，雖然從與FBAR工藝兼容的角度來看，采用磁 控濺射A1的方法來形成電感是比較方便的。但是這樣形成的A1金屬層厚度最大只能在1 μπι 左右，電感的Q值一般在10以下，構成的移相器插入損耗在5 dB左右，這會給BAW雙工器中的 發射信號路徑帶來嚴重的損耗。由于采用電鍍工藝制備的金屬層厚度可以達到~8μπι，而且 銅的電導率較高，電鍍銅的工藝較為成熟。因此，采用電鍍銅的工藝來制備硅基電感。
[0056] 影響電感Q值的因素主要是電感的歐姆損耗，減小電感金屬線的長度，增大電感金 屬線的寬度及厚度都可以減小電感的歐姆損耗，從而提升電感的Q值。平面電感具有制備工 藝簡單的特點，常見的平面電感有兩種結構:柵型和回型。由于回型電感的一端需要通過過 孔引出，增加了工藝的難度，因此移相器124中的電感器110采用平面柵型電感。
[0057] 為了減小電感器110的歐姆損耗，電感器110金屬層厚度為電鍍工藝所能加工的最 大值8 μπι，金屬線寬度設置為50 μπι。電鍍銅工藝所能形成的最小金屬線間距為10 μπι，從增 加互感的角度來考慮，金屬線間距應該選著最小值，但是為了不讓金屬線寬與間距的比值 過大而增加工藝難度，這里選擇金屬線間距為20 μπι。將線長調整到850 μπι，匝數為5時，得 到了滿足要求的電感器110設計。
[0058]由于FBAR在串并聯諧振頻率之間呈感性，而在串并聯諧振頻率之外呈容性，并且 FBAR在離諧振頻率較遠處的電學性能和平行板電容器相同。因此，可以通過加厚FBAR頂電 極的方式，使FBAR的諧振頻率遠離其作為電容器時的工作頻率。從工藝約束條件來看，將 FBAR第四頂電極的厚度設置為1.2 μπι時，可以將其設為"BAW"電容器111。并且，較厚的金 屬電極層可以減小電容的歐姆損耗，提升其Q值。通過公式計算得到電容器的面積為124 μπι X 124μπι。在ADS momentum軟件中建立"BAW"的電磁模型，微調BAW電容的面積為125 μπιΧ 125 μπι時，得到了滿足要求的硅基電容器111設計，這里第一電容器109的頂電極從下到上 依次為:第一頂電極203、第二頂電極層207、第三頂電極層204和第四頂電極211。
[0059] 圖3為本實用新型單片集成的體聲波雙工器主要制造工藝步驟，包括3(a)為初始 Si襯底216;在3(b)中在1050°C氧化爐中進行干濕干氧化，制備厚度為約300 nm的Si02支撐 層215下層結構214; 3(c)采用低壓化學氣相淀積(LPCVD)工藝在Si02支撐層215下層結構 214上淀積厚度約200 nm的Si3N4支撐層215上層結構213;3(d)采用RIE工藝刻蝕支撐層上層 212和下層213,采用ICP深刻蝕刻蝕襯底正面形成溝槽，溝槽深度為8 ym;3(e)Si襯底214正 面涂膠，正面光刻1#，并顯影，采用磁控濺射，在硅片正面濺射Ti/Cu層，厚度約為40nm/ 150nm，采用超聲輔助進行濕法去膠，在Si襯底214的溝槽中形成電鍍種子層，在Si溝槽中電 鍍銅，保證陰極電流密度為5-30 mA/cm2,形成電感器llOdCfOSi襯底216正面涂膠，正面光 亥Ij2#，并顯影，采用磁控派射，在娃片正面派射Ti/Pt層，厚度約為40nm/80nm，采用超聲輔助 進行濕法去膠，形成第一底電極201及底電極引線206 Jg)在硅襯底正面反應濺射種子層及 A1N薄膜，總厚度約為1000 nm，正面光刻3#，濕法腐蝕A1N薄膜及種子層薄膜，形成A1N壓電 層202及第一電容器109的介電層211;3(h)Si襯底214正面磁控濺射厚度約為290 nm的A1， 正面光刻4#，濕法腐蝕A1，形成第一頂電極203及頂電極引線205;3(i)Si襯底216正面磁控 濺射厚度約為39 nm的A1，正面光刻5#，濕法腐蝕A1，形成第二頂電極層207;3(j)Si襯底216 正面磁控濺射厚度約為39 nm的A1，正面光刻6#，濕法腐蝕A1，形成第三頂電極層204;3(k) Si襯底214正面磁控濺射厚度約為39 nm的A1，正面光刻7#，濕法腐蝕A1，形成第四頂電極 210;3(1)從3丨襯底214背面采用1?此工藝刻蝕3丨3財和3丨02，采用10?深刻蝕從3丨襯底214背 面第一空腔與第二空腔的位置進行刻蝕，形成深度為hi-hs的兩個空腔;3(m)從Si襯底214背 面第一空腔215、第二空腔216和第三空腔217的位置繼續刻蝕，形成深度為In的第一空腔 215、第二空腔216和深度為出的第三空腔217。
[0060] 圖4中所述電感器110形成在光敏聚酰亞胺層218中，首先通過旋涂工藝可以在襯 底上形成8 μπι厚的光敏聚酰亞胺層218,然后光刻并顯影形成溝槽，在溝槽中電鍍Cu形成電 感器。光敏聚酰亞胺具有低的介電常數，可以減小電感器110的耦合電容，從而減小其襯底 損耗。另外，作為了電感器110的嵌入層，光敏聚酰亞胺層218還起到了光刻膠的作用，這可 以減少制造該單片集成的體聲波雙工器工藝步驟。
【主權項】
1. 單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:包括發射帶通濾波器、接收帶通濾波器和移 相器，其中，發射帶通濾波器包括至少兩個互連的FBAR，接收帶通濾波器包括至少兩個互連 的FBAR，移相器包括一個電感器和分別連接于電感器兩端的第一電容器、第二電容器;所述 FBAR均至少包括底電極和頂電極，所述電容器包括底電極、介電層和頂電極;所述接收帶通 濾波器、發射帶通濾波器和移相器均在同一襯底上制造而成。2. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述發射帶通濾波器 可以包括至少兩個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR，或者可以包括至少一個串聯的FBAR 和至少一個并聯的FBAR。3. 根據權利要求2所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述發射帶通濾波器 中的串聯的FBAR從下而上有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層和第三頂電極層;所述發 射帶通濾波器中的并聯的FBAR從下而上依次有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層、第二 頂電極層和第三頂電極層。4. 根據權利要求2所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述發射帶通濾波器 中的串聯的FBAR均從下而上依次有第一底電極層、第二底電極層和第一頂電極層，所述發 射帶通濾波器中的并聯的FBAR均從下而上依次有第一底電極、第二底電極層、第一頂電極 層和第二頂電極層。5. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述接收帶通濾波器 包括至少兩個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR，或者包括至少一個串聯的FBAR和至少一 個并聯的FBAR。6. 根據權利要求5所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述接收帶通濾波器 中的串聯的FBAR均從下而上依次有第一底電極層、壓電層和第一頂電極層;所述接收帶通 濾波器中的并聯的FBAR均從下而上依次有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層和第二頂 電極層。7. 根據權利要求5所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述接收帶通濾波器 中的串聯的FBAR的串聯的FBAR均從下而上依次形成有第一底電極層和第一頂電極層，所述 接收帶通濾波器中的并聯的FBAR從下而上依次形成有第一底電極層、第一頂電極層和第二 頂電極層。8. 根據權利要求3或6所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述第一底電極 層厚度均相同，所述壓電層的厚度均相同，所述頂電極層的厚度均相同，所述第二頂電極層 的厚度均相同，第三頂電極層的厚度均相同。9. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述第一電容器和第 二電容器結構相同，均從下而上依次形成有第一底電極層、介電層、第一頂電極層、第二頂 電極層、第三頂電極層和第四頂電極層。10. 根據權利要求9所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述第一電容器和 第二電容器的頂電極的厚度均大于所述體聲波雙工器中任一 FBAR的頂電極厚度。11. 根據權利要求9或10所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述電容器的 介電層與所述體聲波雙工器中任一 FBAR的壓電層厚度和材料均相同。12. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述發射帶通濾波 器和接收帶通濾波器中的FBAR之間通過頂電極引線或底電極引線連通;所述發射帶通濾波 器、接收帶通濾波器與移相器之間，是發射帶通濾波器、接收帶通濾波器中的FBAR通過頂電 極引線與移相器中的電容器、電感器連通實現，并且所述頂電極引線與第一頂電極層通過 濺射工藝同時形成，底電極引線與第一底電極層通過濺射工藝同時形成。13. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述襯底背面有第 一空腔、第二空腔和第三空腔，所述第一空腔的上面對應發射帶通濾波器;所述第二空腔的 上面對應接收帶通濾波器;所述第三空腔的上面對應移相器;所述第一空腔和第二空腔的 深度相同，第一空腔、第二空腔的深度大于第三空腔的深度。14. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述襯底上有光敏 聚酰亞胺層，在襯底和光敏聚酰亞胺層上有溝槽，電感器嵌于溝槽中。
【文檔編號】H03H9/05GK205725679SQ201620322240
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】高楊, 蔡洵, 趙坤麗, 黃振華, 尹汐漾, 趙俊武, 韓賓
【申請人】中國工程物理研究院電子工程研究所
【專利摘要】本實用新型公開了一種單片集成的體聲波雙工器，由發射帶通濾波器、接收帶通濾波器和移相器構成，其中，發射帶通濾波器由彼此互連的至少兩個FBAR構成，接收帶通濾波器由彼此互連的至少兩個FBAR構成，移相器由一個電感器和兩個電容器構成，FBAR由底電極、壓電層和頂電極構成，電容器由底電極、介電層和頂電極構成，接收帶通濾波器、發射帶通濾波器和移相器均在同一襯底上制造而成。由于本實用新型的制造方法可以將發射帶通濾波器、接收帶通濾波器及移相器集成到一個芯片上，因此能提供滿足移動通信設備小型化需求的雙工器。
【專利說明】
單片集成的體聲波雙工器
技術領域
[0001 ] 本實用新型涉及由薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)構 成的體聲波(Bulk Acoustic Wave，BAW)雙工器及其制造方法，更具體地涉及通過微電子機 械系統(MEMS)技術，單片集成的體聲波雙工器。
【背景技術】
[0002] 在許多不同的通信應用中，例如手機或者任何其他收發信機，公共信號路徑既耦 合到接收機的輸入端，又耦合到發射機的輸出端上。在這樣的收發信機中，天線可以耦合到 接收機的輸入端上和發射機的輸出端上。因而，雙工器通常把公共信號路徑耦合到接收機 的輸入端上和發射機的輸出端上。
[0003] 雙工器提供必要的耦合，但是阻止由發射機生成的已調制發射信號從天線耦合反 饋到接收機的輸入端上，是接收機過載。從而，雙工器通常包括三個端口。在天線處有輸入 和輸出這兩種信號的共存。為了避免這些信號的沖突，通常將不同的頻帶分配給Tx和Rx路 徑。雙工器的主要用途在于指引輸入信號至Rx端口和保護發射信號從Tx端口至天線。最終， 雙工器通常含有兩個高選擇性射頻濾波器，用于各自的Tx和Rx頻帶。
[0004]由于當前手機都朝著多模多頻的方向發展，手機射頻前端模塊需要嵌入更多高性 能的雙工器和濾波器。然而消費者又期望手機有輕型化及超薄化的發展趨勢，這就對手機 中的雙工器性能及體積提出了更為嚴苛的要求。通常在移動通信設備中使用聲表面波 (Surface Acoustic Wave，SAW)雙工器，如在發明人Hidekazu Nakanishi等人的公開號為 US7498898 B2的美國專利文獻中，雙工器中的發射帶通濾波器和接收帶通濾波器均由聲表 面波諧振器構成。然而，SAW帶通濾波器需要使用陶瓷外殼進行封裝，這必然會加大雙工器 的尺寸，從而很難在單個芯片上安裝所有組件。此外，在采用SAW濾波器的雙工器中，芯片尺 寸的增大及封裝用的陶瓷價格昂貴導致SAW雙工器的制造成本上升。更為致命的是，隨著 4G/LTE時代的到來，手機工作頻率都在2GHz左右甚至更高，此時SAW雙工器中的濾波器選 擇性變差，難以滿足4G手機的通信要求。
[0005] 與SAW雙工器相比，BAW雙工器可進行低成本的商業生產，并且BAW雙工器的尺寸還 能進一步減小。此外，BAW雙工器中的濾波器工作在高于2GHz的頻帶時，依然具有良好的選 擇性。在發明人Bernhard Gebauer等人的公開號為US20130043961 A1的美國專利文獻中提 出了一種包括BAW濾波器的雙工器，即BAW雙工器。然而，根據該文獻中的BAW雙工器，由于通 過單個器件的形成來制造 BAW發射帶通濾波器、BAW接收帶通濾波器和移相器中的電感器及 電容器，并將這些結構封裝在基板上，以此制造雙工器模塊，因此在縮小雙工器模塊尺寸方 面存在很大的障礙。此外，由于還需要分離地制造雙工器中的各部件(發射帶通濾波器、接 收帶通濾波器、電感器和電容器)并將它們安裝在同一基板上，這需要更多的時間和更高的 成本來制造雙工器。在發明人Yun-Kwon Park等人的公開號為US8720023 B2的美國專利文 獻中雖然提出了一種單片集成的體聲波雙工器制造方法，但該雙工器中的移相器是制造在 雙工器芯片的封裝蓋帽上，通過封裝蓋帽上的金屬通孔實現與接收帶通濾波器與發送帶通 濾波器的互連，這樣的方法增加了雙工器的制造難度。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型為了解決上述技術缺陷，提供了一種具有單片集成的體聲波雙工器， 該體聲波雙工器的發射帶通濾波器和接收帶通濾波器由多種電極厚度的FBAR構成，移相器 中的電容器采用與FBAR工藝兼容的結構，移相器中的電感器通過電鍍工藝在襯底的溝槽中 形成，FBAR、電感器和電容器之間的電連接通過FBAR電極引線實現，電極引線在形成FBAR電 極時也被同時形成，通過這樣的方法可以在同一襯底上容易地制造移相器、發射帶通濾波 器和接收帶通濾波器，從而縮小體聲波雙工器的體積并實現其低的制造成本。
[0007] 為實現上述目的，本實用新型采取以下技術方案：
[0008] 單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:包括發射帶通濾波器、接收帶通濾波器和 移相器，其中，發射帶通濾波器包括至少兩個互連的FBAR，接收帶通濾波器包括至少兩個互 連的FBAR，移相器包括一個電感器和分別連接于電感器兩端的第一電容器、第二電容器;所 述FBAR均至少包括底電極和頂電極，所述電容器包括底電極、介電層和頂電極;所述接收帶 通濾波器、發射帶通濾波器和移相器均在同一襯底上制造而成。
[0009] 所述發射帶通濾波器可以包括至少兩個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR，或者 可以包括至少一個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR。
[0010] 進一步的，所述發射帶通濾波器中的串聯的FBAR從下而上依次形成有第一底電極 層、壓電層、第一頂電極層和第三頂電極層;所述發射帶通濾波器中的并聯的FBAR從下而上 依次形成有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層、第二頂電極層和第三頂電極層。
[0011] 或者，進一步的，所述發射帶通濾波器中的串聯的FBAR均從下而上依次形成有第 一底電極層、第二底電極層和第一頂電極層，所述發射帶通濾波器中的并聯的FBAR均從下 而上依次形成有第一底電極、第二底電極層、第一頂電極層和第二頂電極層。
[0012] 所述接收帶通濾波器可以包括至少兩個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR，或者 可以包括至少一個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR。
[0013] 進一步的，所述接收帶通濾波器中的串聯的FBAR均從下而上依次形成有第一底電 極層、壓電層和第一頂電極層;所述接收帶通濾波器中的并聯的FBAR均從下而上依次形成 有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層和第二頂電極層。
[0014] 或者，進一步的，所述接收帶通濾波器中的串聯的FBAR的串聯的FBAR均從下而上 依次形成有第一底電極層和第一頂電極層，所述接收帶通濾波器中的并聯的FBAR從下而上 依次形成有第一底電極層、第一頂電極層和第二頂電極層。
[0015] 所述單片集成的體聲波雙工器中，所述第一底電極層厚度均相同，所述壓電層的 厚度均相同，所述頂電極層的厚度均相同，所述第二頂電極層的厚度均相同，第三頂電極層 的厚度均相同。
[0016] 進一步的，所述第一電容器和第二電容器結構相同，均從下而上依次形成有第一 底電極層、介電層、第一頂電極層、第二頂電極層、第三頂電極層和第四頂電極層。
[0017] 所述電容器的頂電極的厚度大于所述體聲波雙工器中任一 FBAR的頂電極厚度。
[0018] 所述電容器的介電層與所述體聲波雙工器中任一 FBAR的壓電層厚度和材料均相 同。
[0019] 所述發射帶通濾波器和接收帶通濾波器中的FBAR之間通過頂電極引線或底電極 引線連通;所述發射帶通濾波器、接收帶通濾波器與移相器之間，是發射帶通濾波器、接收 帶通濾波器中的FBAR通過頂電極引線與移相器中的電容器、電感器連通實現，并且所述頂 電極引線與第一頂電極層通過濺射工藝同時形成，底電極引線與第一底電極層通過濺射工 藝同時形成。
[0020] 形成上述單片集成的體聲波雙工器的制造方法，包括以下幾個步驟：
[0021] a)在襯底上面刻蝕形成溝槽，并在溝槽中電鍍形成電感器；
[0022] b)在襯底上同時形成發射帶通濾波器、接收帶通濾波器、移相器中的電容器及相 應的電極引線；
[0023] c)在襯底背面刻蝕形成第一空腔、第二空腔和第三空腔。
[0024]所述第一空腔的上面對應形成有發射帶通濾波器;所述第二空腔的上面對應形成 有接收帶通濾波器;所述第三空腔的上面對應形成有移相器。
[0025]所述第一空腔和第二空腔的深度相同，第一空腔、第二空腔的深度大于第三空腔 的深度。
[0026]所述電感器使用高電導率材料，所述襯底使用高電阻率材料。
[0027]所述電感器還可以形成在襯底上的光敏聚酰亞胺層中。
[0028]本實用新型的有益效果如下：
[0029] 本實用新型可以在單個襯底上容易地設置移相器、發射帶通濾波器和接收帶通濾 波器，從而縮小體聲波雙工器的體積并實現其低的制造成本;此外，支撐層既能增強這種背 腔刻蝕型體聲波雙工器的機械強度，還能提升其頻率溫度穩定性。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本實用新型單片集成的體聲波雙工器電路原理圖；
[0031 ]圖2為本實用新型中單片集成的體聲波雙工器截面圖；
[0032]圖3(a)_(m)為本實用新型單片集成的體聲波雙工器主要制造工藝步驟；
[0033]圖4為本實用新型中另一種單片集成的體聲波雙工器截面圖。
[0034] 其中，附圖標記為：101第一串聯FBAR，102第二串聯FBAR，103第三串聯FBAR，104第 四串聯FBAR，105第一并聯FBAR，106第二并聯FBAR，107第三并聯FBAR，108第四并聯FBAR， 109第一電容器，110電感器，111第二電容器，112天線端，113發射端，114第五串聯FBAR，115 第六串聯FBAR，116第七串聯FBAR，117第五并聯FBAR，118第六并聯FBAR，119第七并聯FBAR， 120第八并聯FBAR，121接收端，122發射帶通濾波器，123接收帶通濾波器，124移相器，201第 一底電極層，202壓電層，203第一頂電極層，204第三頂電極層，205頂電極引線，206底電極 引線，207第二頂電極層，208 FBAR與電感器之間的引線，209電感器與電容器之間的引線， 210第四頂電極層，211介電層，212支撐層上層，213支撐層下層，214 Si襯底，215第一空腔， 216第二空腔，217第三空腔，218光敏聚酰亞胺層。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖對本實用新型作詳細說明：
[0036] 以FDD-LTE band 7的應用為例，圖1為本實用新型中單片集成的體聲波雙工器電 路原理圖，該體聲波雙工器包括:發射帶通濾波器122、接收帶通濾波器123和移相器124構 成，端口 112為天線端口，端口 113為發射端口，端口 121為接收端口。
[0037]發射帶通濾波器包括四個串聯的FBAR和四個并聯的FBAR，串聯的四個FBAR結構均 相同，并聯的四個FBAR結構均相同。從天線端口 112向發射端口 122看過去，發射帶通濾波器 中FBAR的連接關系為：第一串聯FBAR 101、第一并聯FBAR 105、第二串聯FBAR 102、第二并 聯FBAR 106、第三串聯FBAR 103、第三并聯FBAR 107、第四串聯FBAR 104和第四并聯FBAR 108〇
[0038]發射帶通濾波器由三個串聯FBAR和四個并聯FBAR構成，串聯的三個FBAR結構均相 同，并聯的四個FBAR結構均相同。從天線端口向接收端口看過去，發射帶通濾波器中FBAR的 連接關系為：第五并聯FBAR 117、第五串聯FBAR 114、第六并聯FBAR 118、第六串聯FBAR 115、第七并聯FBAR 119、第七串聯FBAR 116和第八并聯FBAR 120。
[0039] 由于接收帶通濾波器122的輸入阻抗在發射頻段低于50歐姆，將發射帶通濾波器 122與接收帶通濾波器123并聯在天線端口時，發射帶通濾波器會對接收帶通濾波器形成負 載效應，從而使發射帶通濾波器的性能退化。因此，需要引入Jr型移相器124來提升接收帶通 濾波器123在發射頻段(2500 MHz-2570 MHz)的輸入阻抗，移相器的工作頻率為發射頻帶的 中心頻率2535 MHz，相移值為90 °。該移相器124包括一個電感器110和第一電容器109、第二 電容器111，第一電容器109和第二電容器111結構完全相同，第一電容器109的電容值與第 二電容器111的相同。通過公式
[0040] ωΣΙΖα=τ-??θ ,-90°^θ<〇 (1)
[0041 ] i?CZ6 =-taai(^/2) ,-90°^θ<〇 (2)
[0042] 計算得到電感器110的電感值L為3.1 nH，第一電容器109和第二電容器111的電容 值為1.3 pF。其中：ω為移相器124的工作頻率，Θ為了移相器的相移值，傳輸線特征阻抗為 Ζ〇 50 Ω，L和C分別表示電感器110的電感值與第一電容器109的電容值。
[0043] 圖2為本實用新型中單片集成的體聲波雙工器截面示意圖，包括:發射帶通濾波器 122中的串聯FBAR 101和并聯FBAR 105、發射帶通濾波器123中的串聯FBAR 114和并聯FBAR 117及移相器124中的電感器110與第一電容器109。
[0044]所述發射帶通濾波器122中的所有串聯FBAR包括:第一底電極層201、壓電層202、 第一頂電極層203和第三頂電極層204。
[0045]所述發射通濾波器122中的所有并聯FBAR包括:第一底電極層201、壓電層202、第 一頂電極層203、第二頂電極層207和第三頂電極層204。
[0046]所述接收通濾波器123中的所有串聯FBAR包括:第一底電極層201、壓電層202、和 第一頂電極層203。
[0047]所述接收通濾波器123中的所有并聯FBAR包括:第一底電極層201、壓電層202、第 一頂電極層203和第二頂電極層207。
[0048]根據梯形濾波器的工作原理，并聯的FBAR的諧振頻率要低于串聯FBAR的諧振頻 率，第二頂電極層207就是起到這樣的作用；由于發射帶通濾波器122與接收帶通濾波器123 的帶寬相同，故發射帶通濾波器122的中所有并聯FBAR與接收帶通濾波器123中所用并聯 FBAR均具有第二頂電極。由于發射帶通濾波器122的中心頻率與接收帶通濾波器的中心頻 率低50MHz，所以接收帶通濾波器123的所有FBAR中都有第三頂電極層204。
[0049] 第一電容器109和第二電容器111均包括第一底電極層201、介電層211、第一頂電 極層203、第二頂電極層207、第三頂電極層204和第四頂電極層210。
[0050] 所述FBAR中的第二頂電極層207通過濺射工藝形成在第一頂電極層203之上，第三 頂電極層204通過濺射工藝形成在第二頂電極層203之上，所述電容器的第四頂電極層210 形成在第三頂電極層204之上。
[00511所述第一底電極201采用Pt材料，壓電層202采用A1N材料，第一頂電極層203、第二 頂電極層207和第三頂電極層204均采用A1材料。
[0052]發射帶通濾波器122位于第一空腔215之上的支撐層上層212上表面，接收帶通濾 波器123位于第二空腔216之上的支撐層上層212上表面，移相器124位于第三空腔217之上 的支撐層上層212上表面。空腔通過從背面刻蝕襯底形成，襯底214的材料為Si。襯底214上 設置有支撐層上層212和支撐層下層213,支撐層上層212的材料為Si 3N4,支撐層下層213的 材料為Si02。支撐層下層213不僅能增加發射帶通濾波器122和接收帶通濾波器123的機械 強度，還能提升其頻率溫度穩定性。由于現有的多數FBAR壓電薄膜，其內部原子間的相互作 用力一般都表現出負的溫度特性，即隨著溫度升高，原子間的相互作用力減弱，導致壓電薄 膜的彈性系數變小。而FBAR的諧振頻率又與壓電薄膜的彈性系數成正比關系，因此，隨著溫 度的升高，FBAR的諧振頻率減小。為降低這種溫度-頻率漂移特性的影響，必須對FBAR進行 溫度補償以提高其溫度穩定性。由于支撐層下層213Si0 2的楊氏模量隨溫度的升高而增大， 即其溫度系數為正值（約+85/Γ)，因此，在支撐層中的具有正溫度系數的Si0 2支撐層下層 213在和負溫度系數的A1N壓電層202復合時，會減小彼此的溫度漂移，達到FBAR溫度補償的 效果，從而提升由其構成的濾波器的頻率溫度穩定性。
[0053] 體聲波帶通濾波器的中心頻率由FBAR的諧振頻率確定，而FBAR的諧振頻率又由其 結構中的各層厚度決定。體聲波帶通濾波器的帶外抑制、帶入損耗等性能又由各個FBAR的 諧振區面積決定，FBAR諧振區是指FBAR頂電極與底電極的正對區域。
[0054] 通過設計可以得到發射帶通濾波器122和接收帶通濾波器123中各FBAR結構參數： 支撐層上層212厚度為0.2 μπι，支撐層下層213厚度為0.3ym;FBAR第一底電極201厚度為 0.08μπι;壓電層202厚度為Ιμπι;第一頂電極203厚度為0.290μπι，第二頂電極層207厚度為 0.039 μπι，第三頂電極層204厚度為0.079 μπι;發射帶通濾波器122中FBAR 101的諧振區面 積為86X86 ym2，FBAR 105的諧振區面積為89X89 ym2，FBAR 102的諧振區面積為87X87 μ m2，FBAR 106的諧振區面積為 125X125ym2，FBAR 103的諧振區面積為80X80 ym2，FBAR 107 的諧振區面積為109X109 ym2，FBAR 104的諧振區面積為106X106 ym2，FBAR 108的諧振區 面積為128X128 μπι2;接收帶通濾波器中FBAR 117的諧振區面積89X89 ym2，FBAR 114的諧 振區面積為86X86 ym2，FBAR 118的諧振區面積為125X125 ym2，FBAR 115的諧振區面積為 80X80 ym2，FBAR 119的諧振區面積為109X109 ym2，FBAR 116的諧振區面積為106X106 μ m2, FBAR 120 的諧振區面積為 128 XI28 μπι2。
[0055] 對于移相器124中的電感器110而言，雖然從與FBAR工藝兼容的角度來看，采用磁 控濺射A1的方法來形成電感是比較方便的。但是這樣形成的A1金屬層厚度最大只能在1 μπι 左右，電感的Q值一般在10以下，構成的移相器插入損耗在5 dB左右，這會給BAW雙工器中的 發射信號路徑帶來嚴重的損耗。由于采用電鍍工藝制備的金屬層厚度可以達到~8μπι，而且 銅的電導率較高，電鍍銅的工藝較為成熟。因此，采用電鍍銅的工藝來制備硅基電感。
[0056] 影響電感Q值的因素主要是電感的歐姆損耗，減小電感金屬線的長度，增大電感金 屬線的寬度及厚度都可以減小電感的歐姆損耗，從而提升電感的Q值。平面電感具有制備工 藝簡單的特點，常見的平面電感有兩種結構:柵型和回型。由于回型電感的一端需要通過過 孔引出，增加了工藝的難度，因此移相器124中的電感器110采用平面柵型電感。
[0057] 為了減小電感器110的歐姆損耗，電感器110金屬層厚度為電鍍工藝所能加工的最 大值8 μπι，金屬線寬度設置為50 μπι。電鍍銅工藝所能形成的最小金屬線間距為10 μπι，從增 加互感的角度來考慮，金屬線間距應該選著最小值，但是為了不讓金屬線寬與間距的比值 過大而增加工藝難度，這里選擇金屬線間距為20 μπι。將線長調整到850 μπι，匝數為5時，得 到了滿足要求的電感器110設計。
[0058]由于FBAR在串并聯諧振頻率之間呈感性，而在串并聯諧振頻率之外呈容性，并且 FBAR在離諧振頻率較遠處的電學性能和平行板電容器相同。因此，可以通過加厚FBAR頂電 極的方式，使FBAR的諧振頻率遠離其作為電容器時的工作頻率。從工藝約束條件來看，將 FBAR第四頂電極的厚度設置為1.2 μπι時，可以將其設為"BAW"電容器111。并且，較厚的金 屬電極層可以減小電容的歐姆損耗，提升其Q值。通過公式計算得到電容器的面積為124 μπι X 124μπι。在ADS momentum軟件中建立"BAW"的電磁模型，微調BAW電容的面積為125 μπιΧ 125 μπι時，得到了滿足要求的硅基電容器111設計，這里第一電容器109的頂電極從下到上 依次為:第一頂電極203、第二頂電極層207、第三頂電極層204和第四頂電極211。
[0059] 圖3為本實用新型單片集成的體聲波雙工器主要制造工藝步驟，包括3(a)為初始 Si襯底216;在3(b)中在1050°C氧化爐中進行干濕干氧化，制備厚度為約300 nm的Si02支撐 層215下層結構214; 3(c)采用低壓化學氣相淀積(LPCVD)工藝在Si02支撐層215下層結構 214上淀積厚度約200 nm的Si3N4支撐層215上層結構213;3(d)采用RIE工藝刻蝕支撐層上層 212和下層213,采用ICP深刻蝕刻蝕襯底正面形成溝槽，溝槽深度為8 ym;3(e)Si襯底214正 面涂膠，正面光刻1#，并顯影，采用磁控濺射，在硅片正面濺射Ti/Cu層，厚度約為40nm/ 150nm，采用超聲輔助進行濕法去膠，在Si襯底214的溝槽中形成電鍍種子層，在Si溝槽中電 鍍銅，保證陰極電流密度為5-30 mA/cm2,形成電感器llOdCfOSi襯底216正面涂膠，正面光 亥Ij2#，并顯影，采用磁控派射，在娃片正面派射Ti/Pt層，厚度約為40nm/80nm，采用超聲輔助 進行濕法去膠，形成第一底電極201及底電極引線206 Jg)在硅襯底正面反應濺射種子層及 A1N薄膜，總厚度約為1000 nm，正面光刻3#，濕法腐蝕A1N薄膜及種子層薄膜，形成A1N壓電 層202及第一電容器109的介電層211;3(h)Si襯底214正面磁控濺射厚度約為290 nm的A1， 正面光刻4#，濕法腐蝕A1，形成第一頂電極203及頂電極引線205;3(i)Si襯底216正面磁控 濺射厚度約為39 nm的A1，正面光刻5#，濕法腐蝕A1，形成第二頂電極層207;3(j)Si襯底216 正面磁控濺射厚度約為39 nm的A1，正面光刻6#，濕法腐蝕A1，形成第三頂電極層204;3(k) Si襯底214正面磁控濺射厚度約為39 nm的A1，正面光刻7#，濕法腐蝕A1，形成第四頂電極 210;3(1)從3丨襯底214背面采用1?此工藝刻蝕3丨3財和3丨02，采用10?深刻蝕從3丨襯底214背 面第一空腔與第二空腔的位置進行刻蝕，形成深度為hi-hs的兩個空腔;3(m)從Si襯底214背 面第一空腔215、第二空腔216和第三空腔217的位置繼續刻蝕，形成深度為In的第一空腔 215、第二空腔216和深度為出的第三空腔217。
[0060] 圖4中所述電感器110形成在光敏聚酰亞胺層218中，首先通過旋涂工藝可以在襯 底上形成8 μπι厚的光敏聚酰亞胺層218,然后光刻并顯影形成溝槽，在溝槽中電鍍Cu形成電 感器。光敏聚酰亞胺具有低的介電常數，可以減小電感器110的耦合電容，從而減小其襯底 損耗。另外，作為了電感器110的嵌入層，光敏聚酰亞胺層218還起到了光刻膠的作用，這可 以減少制造該單片集成的體聲波雙工器工藝步驟。
【主權項】
1. 單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:包括發射帶通濾波器、接收帶通濾波器和移 相器，其中，發射帶通濾波器包括至少兩個互連的FBAR，接收帶通濾波器包括至少兩個互連 的FBAR，移相器包括一個電感器和分別連接于電感器兩端的第一電容器、第二電容器;所述 FBAR均至少包括底電極和頂電極，所述電容器包括底電極、介電層和頂電極;所述接收帶通 濾波器、發射帶通濾波器和移相器均在同一襯底上制造而成。2. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述發射帶通濾波器 可以包括至少兩個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR，或者可以包括至少一個串聯的FBAR 和至少一個并聯的FBAR。3. 根據權利要求2所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述發射帶通濾波器 中的串聯的FBAR從下而上有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層和第三頂電極層;所述發 射帶通濾波器中的并聯的FBAR從下而上依次有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層、第二 頂電極層和第三頂電極層。4. 根據權利要求2所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述發射帶通濾波器 中的串聯的FBAR均從下而上依次有第一底電極層、第二底電極層和第一頂電極層，所述發 射帶通濾波器中的并聯的FBAR均從下而上依次有第一底電極、第二底電極層、第一頂電極 層和第二頂電極層。5. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述接收帶通濾波器 包括至少兩個串聯的FBAR和至少一個并聯的FBAR，或者包括至少一個串聯的FBAR和至少一 個并聯的FBAR。6. 根據權利要求5所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述接收帶通濾波器 中的串聯的FBAR均從下而上依次有第一底電極層、壓電層和第一頂電極層;所述接收帶通 濾波器中的并聯的FBAR均從下而上依次有第一底電極層、壓電層、第一頂電極層和第二頂 電極層。7. 根據權利要求5所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述接收帶通濾波器 中的串聯的FBAR的串聯的FBAR均從下而上依次形成有第一底電極層和第一頂電極層，所述 接收帶通濾波器中的并聯的FBAR從下而上依次形成有第一底電極層、第一頂電極層和第二 頂電極層。8. 根據權利要求3或6所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述第一底電極 層厚度均相同，所述壓電層的厚度均相同，所述頂電極層的厚度均相同，所述第二頂電極層 的厚度均相同，第三頂電極層的厚度均相同。9. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述第一電容器和第 二電容器結構相同，均從下而上依次形成有第一底電極層、介電層、第一頂電極層、第二頂 電極層、第三頂電極層和第四頂電極層。10. 根據權利要求9所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述第一電容器和 第二電容器的頂電極的厚度均大于所述體聲波雙工器中任一 FBAR的頂電極厚度。11. 根據權利要求9或10所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述電容器的 介電層與所述體聲波雙工器中任一 FBAR的壓電層厚度和材料均相同。12. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述發射帶通濾波 器和接收帶通濾波器中的FBAR之間通過頂電極引線或底電極引線連通;所述發射帶通濾波 器、接收帶通濾波器與移相器之間，是發射帶通濾波器、接收帶通濾波器中的FBAR通過頂電 極引線與移相器中的電容器、電感器連通實現，并且所述頂電極引線與第一頂電極層通過 濺射工藝同時形成，底電極引線與第一底電極層通過濺射工藝同時形成。13. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述襯底背面有第 一空腔、第二空腔和第三空腔，所述第一空腔的上面對應發射帶通濾波器;所述第二空腔的 上面對應接收帶通濾波器;所述第三空腔的上面對應移相器;所述第一空腔和第二空腔的 深度相同，第一空腔、第二空腔的深度大于第三空腔的深度。14. 根據權利要求1所述的單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:所述襯底上有光敏 聚酰亞胺層，在襯底和光敏聚酰亞胺層上有溝槽，電感器嵌于溝槽中。
【文檔編號】H03H9/05GK205725679SQ201620322240
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】高楊, 蔡洵, 趙坤麗, 黃振華, 尹汐漾, 趙俊武, 韓賓
【申請人】中國工程物理研究院電子工程研究所
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