基于CMOS工艺的高性能射频滤波器：体声波滤波器BAW

　　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。

　　在工业应用中决定用何种压电材料时，还有其他几个问题要考虑。淀积设备应该是成熟而且可靠的。BAW很可能将在半导体厂内制作，这时会有一些严重的污染问题。在一个CMOS制造厂内，锌、铅、锆都是极度危险的材料，因为在半导体器件中，它们会严重降低载流子寿命。与ZnO和PZT相比，使用A1N则没有污染问题。应用于A1N的淀积设备已经有多家著名的半导体设备供应商可以提供，而用于ZnO的设备还做不到，用于PZT的就更没有。尽管从理论上看AlN不是制作BAW的理想材料，但目前从性能和制造两方面看，它却是最好的折衷。要做到较大的耦合系数，或者至少在某些应用中有足够的耦合，这可能还需要几年的改进。良好而且可靠的耦合系数是进一步研究BAW器件其他各种效应的先决条件。糟糕的耦合通常伴随很糟的品质因数。如果Q值低于100~200，那么有很多严重的问题将不能被研究清楚。最可能的情况是，一个原型BAW谐振器会出现一些附加的谐振，这些附加的谐振不能用一维理论来解释。这些“寄生模态”会严重破坏通带的平坦。更糟的情况中，这些寄生模态可能太强，以致没办法通过电测量来提取材料参数。有一些寄生模态与器件的侧向效应有关，可以通过适当的设计来改善。还有一些寄生模态与层堆本身有关，这需要对相关频率下在层堆中传播的各种模态进行透彻的研究。

　　就算原型BAW谐振器呈现了期望的性能，还有一些更困难的问题需要解决。BAW的谐振频率是由压电层以及邻近各层的厚度决定的。典型的移动电话中的滤波器要求谐振频率的误差在0.1%附近，这要求压电层和各电极层的厚度误差也在这个范围内。半导体工艺中使用的标准工具一般只能提供5%的精度，不能满足这么高的容差要求。就算通过改进，各次流片间的变动可以符合更高的要求，但如何保证晶片厚度的一致还是一个要解决的大问题。

　　单片集成还是混合集成

　　过去五年，一直在讨论移动电话中的构成模块应该向单片集成的“片上系统”（SOC）发展，还是应该向混合集成单封装系统“（SIP）发展。这个讨论至今没有定论，是否会有一个清晰的趋势也不确定。要做出有价值的判断，需要考虑到很多技术和商业因素。对于BAW，情况也是这样。BAW可以单片集成到BiCMOS工艺上。相对没有BAW而言，在RF-CMOS工艺的顶部采用BAW做射频滤波器使得”单片移动电话“大大地接近了现实。要将BAW集成到IC工艺中有几个方面需要考虑：

　　组合工艺所需的光刻步骤是IC工艺和BAW各自所需的总和，声学层步骤不能用于金属互连步骤，反之亦然。

　　组合工艺的成品率会比各工艺各自的成品率低很多。

　　组合工艺中，单位硅面积的花费会增加。一片相对大的集成电路与一个小的BAW滤波器在组合工艺中整合，其花费将比用分别的工艺制作的相应芯片高昂得多。

　　对典型尺寸为0.5mm2的BAW芯片来说，装配上的花费可能比它在硅面积上的花费还高很多。在有的情况下，由于省下了装配费用，单片集成的方案会更有利。

　　针对IC的封装技术不一定适用于BAW，因为它需要在谐振器的顶部有空腔。有腔封装也会更贵一些。与需要密闭封装的SAW滤波器相比，BAW器件仅需要一个空腔。由于它允许用塑封材料替代陶瓷，因而从封装成本看这是一个很大的优势。

　　采用SOC的方案后，设计灵活性会急剧下降。

　　小型化：SOC方案在尺寸上的优势是难以动摇的，除非SIP中各芯片采用了真正的三维堆叠技术。

　　由于显然的原因，可以从主要供应商处得到的最初期的BAW产品都是单独的BAW滤波器或混合模块。尽管单片集成对于某些特殊的产品可能更有利，但目前还不太可能很快成为主流。

　　BAW滤波器的建模和设计

　　不同应用中射频滤波器的指标可能差异相当大。因而设计流程的简便和快捷是一个重要的优点。一些设计要求极低的插入损耗和良好的阻抗匹配，而另一些设计对阻带衰减的要求才是首位的。对BAW器件的建模可以基于不同的层次。基本物理层模型需要进行三维的互相耦合的电、声模拟，这实际上不可能用公式表示并解析地解出结果。有限元方法（FEM）原则上可以用来解决这个问题，但非常困难，至今还几乎没有相关的实践。

　　在物理层上，BAW可得以有效的模型化。物理层模型采用一维的声学和（压电）电学方程来描述层堆中的压力场和谐振器电端口上的电阻抗。这种模拟对于层堆的优化和材料参数的提取都极其重要。谐振器的这种一维模型被称为Mason模型。在开发BAW谐振器时，这种模型是最重要的，但对于BAW滤波器的设计和系统级仿真而言，这种模型显得过于复杂。工作正常的BAW谐振器可以用所谓的紧凑（或更高级）模型来模拟，这种紧凑模型使用一个被称为”Butterworth-van-Dyke“模型的简单等效电路。

　　在不考虑导线上的寄生效应时，BAW的等效电路与为人熟知的”Butterworth-van-Dyke“模型是一致的，这个模型最初是为石英晶体发明的。

　　BVD模型的阻抗特性实际上与从Mason模型得到的结果是一致的。BVD模型的基本参数有：

　　C谐振器”静态“电容［F］

　　fs串联谐振频率［Hz］

　　bwr谐振器相对带宽

　　Q声学谐振品质因子

　　这些基本参数可以通过实际测量或对Mason模型的仿真方便地获得。通过阻抗测量，可以相对容易地提取出fs、fp和C。再用下面几个公式可以估算出基本参数：

　　bwr=frac{f_{p}-f_{s}}{f_{s}}

　　C=frac{-1}{f·2·Im（Z）_{fQ=frac{f}{2}frac{z}{f}

　　从基本参数出发，等效电路中各元件的值都可以算出。这里需要指出的是所有这些值都是紧密相关的，不可能通过单独调整某个元件值来改善滤波器。

　　Ca=C·2·bwr

　　C_{0}=frac{C·2}{2+bwr}

　　L_{a}=frac{1}{（2·f_{s}）^{2}C_{a}}

　　R_{a}=frac{2f_{s}·L_{a}}{Q}

　　基本参数以外的主要寄生效应可以通过在等效电路中增加后面这些附加元件来描述：

　　Rs谐振器的串联电阻［］

　　Cox底部电极-衬底电容［F］

　　Csub衬底-地电容［F］

　　Rsub衬底损耗电阻［］

　　BVD模型是设计滤波器的一种非常实用的方法，而且在谐振器工作正常的前提下，其结果与其它几种模型相比同样地接近实际。任何电路仿真器都可用来处理BVD模型。

　　BAW滤波器的当前水平

　　BAW/FBAR滤波器在各种性能上全面优于SAW滤波器。当设法做出有效耦合系数keff2为6.5%，Q值高于500的谐振器时，这种性能上无损失的全面超越就得以实现。在此基础上，滤波器的插入损耗得到改进，滤波器沿也更陡。

　　英飞凌公司目前实现的性能如下。通过优化声学镜，频率的温度系数（TCF）可以进一步降低到-19ppm/K，这与SAW滤波器相比性能提高了一倍。用于PCS（US-CDMA波段）的谐振器的性能指数（Q·keff2）已达94（1400·0.067）。

　　一般来说，在1.8GHz的应用中，芯片尺寸比SAW滤波器芯片至少小一倍。ESD的鲁棒性也更好。可处理的信号功率即使在2GHz以上也可达到3瓦，这使得BAW滤波器成为双工器中陶瓷滤波器的理想替代品。