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(shí)用新型公開了一種單片集成的體聲波雙工器，由發(fā)射帶通濾波器、接收帶通濾波器和移相器構(gòu)成，其中，發(fā)射帶通濾波器由彼此互連的至少兩個(gè)FBAR構(gòu)成，接收帶通濾波器由彼此互連的至少兩個(gè)FBAR構(gòu)成，移相器由一個(gè)電感器和兩個(gè)電容器構(gòu)成，F(xiàn)BAR由底電極、壓電層和頂電極構(gòu)成，電容器由底電極、介電層和頂電極構(gòu)成，接收帶通濾波器、發(fā)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(shí)用新型的制造方法可以將發(fā)射帶通濾波器、接收帶通濾波器及移相器集成到一個(gè)芯片上，因此能提供滿足移動(dòng)通信設(shè)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(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及由薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，F(xiàn)BAR)構(gòu) 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(jī) 械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，單片集成的體聲波雙工器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多不同的通信應(yīng)用中，例如手機(jī)或者任何其他收發(fā)信機(jī)，公共信號(hào)路徑既耦 合到接收機(jī)的輸入端，又耦合到發(fā)射機(jī)的輸出端上。在這樣的收發(fā)信機(jī)中，天線可以耦合到 接收機(jī)的輸入端上和發(fā)射機(jī)的輸出端上。因而，雙工器通常把公共信號(hào)路徑耦合到接收機(jī) 的輸入端上和發(fā)射機(jī)的輸出端上。
[0003] 雙工器提供必要的耦合，但是阻止由發(fā)射機(jī)生成的已調(diào)制發(fā)射信號(hào)從天線耦合反 饋到接收機(jī)的輸入端上，是接收機(jī)過載。從而，雙工器通常包括三個(gè)端口。在天線處有輸入 和輸出這兩種信號(hào)的共存。為了避免這些信號(hào)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(hào)至Rx端口和保護(hù)發(fā)射信號(hào)從Tx端口至天線。最終， 雙工器通常含有兩個(gè)高選擇性射頻濾波器，用于各自的Tx和Rx頻帶。
[0004]由于當(dāng)前手機(jī)都朝著多模多頻的方向發(fā)展，手機(jī)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(fèi)者又期望手機(jī)有輕型化及超薄化的發(fā)展趨勢(shì)，這就對(duì)手機(jī) 中的雙工器性能及體積提出了更為嚴(yán)苛的要求。通常在移動(dòng)通信設(shè)備中使用聲表面波 (Surface Acoustic Wave，SAW)雙工器，如在發(fā)明人Hidekazu Nakanishi等人的公開號(hào)為 US7498898 B2的美國專利文獻(xiàn)中，雙工器中的發(fā)射帶通濾波器和接收帶通濾波器均由聲表 面波諧振器構(gòu)成。然而，SAW帶通濾波器需要使用陶瓷外殼進(jìn)行封裝，這必然會(huì)加大雙工器 的尺寸，從而很難在單個(gè)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(jià)格昂貴導(dǎo)致SAW雙工器的制造成本上升。更為致命的是，隨著 4G/LTE時(shí)代的到來，手機(jī)工作頻率都在2GHz左右甚至更高，此時(shí)SAW雙工器中的濾波器選 擇性變差，難以滿足4G手機(jī)的通信要求。
[0005] 與SAW雙工器相比，BAW雙工器可進(jìn)行低成本的商業(yè)生產(chǎn)，并且BAW雙工器的尺寸還 能進(jìn)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(shí)，依然具有良好的選 擇性。在發(fā)明人Bernhard Gebauer等人的公開號(hào)為US20130043961 A1的美國專利文獻(xiàn)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(jù)該文獻(xiàn)中的BAW雙工器，由于通 過單個(gè)器件的形成來制造 BAW發(fā)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(jié)構(gòu)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(fā)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(shí)間和更高的 成本來制造雙工器。在發(fā)明人Yun-Kwon Park等人的公開號(hào)為US8720023 B2的美國專利文 獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)與接收帶通濾波器與發(fā)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(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型為了解決上述技術(shù)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(fā)射帶通濾波器和接收帶通濾波器由多種電極厚度的FBAR構(gòu)成，移相器 中的電容器采用與FBAR工藝兼容的結(jié)構(gòu)，移相器中的電感器通過電鍍工藝在襯底的溝槽中 形成，F(xiàn)BAR、電感器和電容器之間的電連接通過FBAR電極引線實(shí)現(xiàn)，電極引線在形成FBAR電 極時(shí)也被同時(shí)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(fā)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(shí)現(xiàn)其低的制造成本。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案：
[0008] 單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:包括發(fā)射帶通濾波器、接收帶通濾波器和 移相器，其中，發(fā)射帶通濾波器包括至少兩個(gè)互連的FBAR，接收帶通濾波器包括至少兩個(gè)互 連的FBAR，移相器包括一個(gè)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(fā)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(fā)射帶通濾波器可以包括至少兩個(gè)串聯(lián)的FBAR和至少一個(gè)并聯(lián)的FBAR，或者 可以包括至少一個(gè)串聯(lián)的FBAR和至少一個(gè)并聯(lián)的FBAR。
[0010] 進(jìn)一步的，所述發(fā)射帶通濾波器中的串聯(lián)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(fā)射帶通濾波器中的并聯(lián)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(jìn)一步的，所述發(fā)射帶通濾波器中的串聯(lián)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(fā)射帶通濾波器中的并聯(lián)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(gè)串聯(lián)的FBAR和至少一個(gè)并聯(lián)的FBAR，或者 可以包括至少一個(gè)串聯(lián)的FBAR和至少一個(gè)并聯(lián)的FBAR。
[0013] 進(jìn)一步的，所述接收帶通濾波器中的串聯(lián)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(lián)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(jìn)一步的，所述接收帶通濾波器中的串聯(lián)的FBAR的串聯(lián)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(lián)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(jìn)一步的，所述第一電容器和第二電容器結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)射帶通濾波器、接收帶通濾波器與移相器之間，是發(fā)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(shí)現(xiàn)，并且所述頂 電極引線與第一頂電極層通過濺射工藝同時(shí)形成，底電極引線與第一底電極層通過濺射工 藝同時(shí)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(gè)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(shí)形成發(fā)射帶通濾波器、接收帶通濾波器、移相器中的電容器及相 應(yīng)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(duì)應(yīng)形成有發(fā)射帶通濾波器;所述第二空腔的上面對(duì)應(yīng)形成 有接收帶通濾波器;所述第三空腔的上面對(duì)應(yīng)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(dǎo)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(shí)用新型的有益效果如下：
[0029] 本實(shí)用新型可以在單個(gè)襯底上容易地設(shè)置移相器、發(fā)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(shí)現(xiàn)其低的制造成本;此外，支撐層既能增強(qiáng)這種背 腔刻蝕型體聲波雙工器的機(jī)械強(qiáng)度，還能提升其頻率溫度穩(wěn)定性。
【附圖說明】

[0030] 圖1為本實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(biāo)記為：101第一串聯(lián)FBAR，102第二串聯(lián)FBAR，103第三串聯(lián)FBAR，104第 四串聯(lián)FBAR，105第一并聯(lián)FBAR，106第二并聯(lián)FBAR，107第三并聯(lián)FBAR，108第四并聯(lián)FBAR， 109第一電容器，110電感器，111第二電容器，112天線端，113發(fā)射端，114第五串聯(lián)FBAR，115 第六串聯(lián)FBAR，116第七串聯(lián)FBAR，117第五并聯(lián)FBAR，118第六并聯(lián)FBAR，119第七并聯(lián)FBAR， 120第八并聯(lián)FBAR，121接收端，122發(fā)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(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說明：
[0036] 以FDD-LTE band 7的應(yīng)用為例，圖1為本實(shí)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(fā)射帶通濾波器122、接收帶通濾波器123和移相器124構(gòu) 成，端口 112為天線端口，端口 113為發(fā)射端口，端口 121為接收端口。
[0037]發(fā)射帶通濾波器包括四個(gè)串聯(lián)的FBAR和四個(gè)并聯(lián)的FBAR，串聯(lián)的四個(gè)FBAR結(jié)構(gòu)均 相同，并聯(lián)的四個(gè)FBAR結(jié)構(gòu)均相同。從天線端口 112向發(fā)射端口 122看過去，發(fā)射帶通濾波器 中FBAR的連接關(guān)系為：第一串聯(lián)FBAR 101、第一并聯(lián)FBAR 105、第二串聯(lián)FBAR 102、第二并 聯(lián)FBAR 106、第三串聯(lián)FBAR 103、第三并聯(lián)FBAR 107、第四串聯(lián)FBAR 104和第四并聯(lián)FBAR 108〇
[0038]發(fā)射帶通濾波器由三個(gè)串聯(lián)FBAR和四個(gè)并聯(lián)FBAR構(gòu)成，串聯(lián)的三個(gè)FBAR結(jié)構(gòu)均相 同，并聯(lián)的四個(gè)FBAR結(jié)構(gòu)均相同。從天線端口向接收端口看過去，發(fā)射帶通濾波器中FBAR的 連接關(guān)系為：第五并聯(lián)FBAR 117、第五串聯(lián)FBAR 114、第六并聯(lián)FBAR 118、第六串聯(lián)FBAR 115、第七并聯(lián)FBAR 119、第七串聯(lián)FBAR 116和第八并聯(lián)FBAR 120。
[0039] 由于接收帶通濾波器122的輸入阻抗在發(fā)射頻段低于50歐姆，將發(fā)射帶通濾波器 122與接收帶通濾波器123并聯(lián)在天線端口時(shí)，發(fā)射帶通濾波器會(huì)對(duì)接收帶通濾波器形成負(fù) 載效應(yīng)，從而使發(fā)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(fā)射頻段(2500 MHz-2570 MHz)的輸入阻抗，移相器的工作頻率為發(fā)射頻帶的 中心頻率2535 MHz，相移值為90 °。該移相器124包括一個(gè)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(jié)構(gòu)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(jì)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(shí)用新型中單片集成的體聲波雙工器截面示意圖，包括:發(fā)射帶通濾波器 122中的串聯(lián)FBAR 101和并聯(lián)FBAR 105、發(fā)射帶通濾波器123中的串聯(lián)FBAR 114和并聯(lián)FBAR 117及移相器124中的電感器110與第一電容器109。
[0044]所述發(fā)射帶通濾波器122中的所有串聯(lián)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(fā)射通濾波器122中的所有并聯(lián)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(lián)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(lián)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(jù)梯形濾波器的工作原理，并聯(lián)的FBAR的諧振頻率要低于串聯(lián)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(fā)射帶通濾波器122與接收帶通濾波器123 的帶寬相同，故發(fā)射帶通濾波器122的中所有并聯(lián)FBAR與接收帶通濾波器123中所用并聯(lián) FBAR均具有第二頂電極。由于發(fā)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(fā)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?？涨煌ㄟ^從背面刻蝕襯底形成，襯底214的材料為Si。襯底214上 設(shè)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(fā)射帶通濾波器122和接收帶通濾波器123的機(jī)械 強(qiáng)度，還能提升其頻率溫度穩(wěn)定性。由于現(xiàn)有的多數(shù)FBAR壓電薄膜，其內(nèi)部原子間的相互作 用力一般都表現(xiàn)出負(fù)的溫度特性，即隨著溫度升高，原子間的相互作用力減弱，導(dǎo)致壓電薄 膜的彈性系數(shù)變小。而FBAR的諧振頻率又與壓電薄膜的彈性系數(shù)成正比關(guān)系，因此，隨著溫 度的升高，F(xiàn)BAR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(duì)FBAR進(jìn)行 溫度補(bǔ)償以提高其溫度穩(wěn)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(shù)為正值（約+85/Γ)，因此，在支撐層中的具有正溫度系數(shù)的Si0 2支撐層下層 213在和負(fù)溫度系數(shù)的A1N壓電層202復(fù)合時(shí)，會(huì)減小彼此的溫度漂移，達(dá)到FBAR溫度補(bǔ)償?shù)?效果，從而提升由其構(gòu)成的濾波器的頻率溫度穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(gè)FBAR的 諧振區(qū)面積決定，F(xiàn)BAR諧振區(qū)是指FBAR頂電極與底電極的正對(duì)區(qū)域。
[0054] 通過設(shè)計(jì)可以得到發(fā)射帶通濾波器122和接收帶通濾波器123中各FBAR結(jié)構(gòu)參數(shù)： 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(fā)射帶通濾波器122中FBAR 101的諧振區(qū)面 積為86X86 ym2，F(xiàn)BAR 105的諧振區(qū)面積為89X89 ym2，F(xiàn)BAR 102的諧振區(qū)面積為87X87 μ m2，F(xiàn)BAR 106的諧振區(qū)面積為 125X125ym2，F(xiàn)BAR 103的諧振區(qū)面積為80X80 ym2，F(xiàn)BAR 107 的諧振區(qū)面積為109X109 ym2，F(xiàn)BAR 104的諧振區(qū)面積為106X106 ym2，F(xiàn)BAR 108的諧振區(qū) 面積為128X128 μπι2;接收帶通濾波器中FBAR 117的諧振區(qū)面積89X89 ym2，F(xiàn)BAR 114的諧 振區(qū)面積為86X86 ym2，F(xiàn)BAR 118的諧振區(qū)面積為125X125 ym2，F(xiàn)BAR 115的諧振區(qū)面積為 80X80 ym2，F(xiàn)BAR 119的諧振區(qū)面積為109X109 ym2，F(xiàn)BAR 116的諧振區(qū)面積為106X106 μ m2, FBAR 120 的諧振區(qū)面積為 128 XI28 μπι2。
[0055] 對(duì)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(gòu)成的移相器插入損耗在5 dB左右，這會(huì)給BAW雙工器中的 發(fā)射信號(hào)路徑帶來嚴(yán)重的損耗。由于采用電鍍工藝制備的金屬層厚度可以達(dá)到~8μπι，而且 銅的電導(dǎo)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(zhǎng)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(jiǎn)單的特點(diǎn)，常見的平面電感有兩種結(jié)構(gòu):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(shè)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(yīng)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(zhǎng)調(diào)整到850 μπι，匝數(shù)為5時(shí)，得 到了滿足要求的電感器110設(shè)計(jì)。
[0058]由于FBAR在串并聯(lián)諧振頻率之間呈感性，而在串并聯(lián)諧振頻率之外呈容性，并且 FBAR在離諧振頻率較遠(yuǎn)處的電學(xué)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(yuǎn)離其作為電容器時(shí)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(shè)置為1.2 μπι時(shí)，可以將其設(shè)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(jì)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(diào)BAW電容的面積為125 μπιΧ 125 μπι時(shí)，得到了滿足要求的硅基電容器111設(shè)計(jì)，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(shí)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(jìn)行干濕干氧化，制備厚度為約300 nm的Si02支撐 層215下層結(jié)構(gòu)214; 3(c)采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)工藝在Si02支撐層215下層結(jié)構(gòu) 214上淀積厚度約200 nm的Si3N4支撐層215上層結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(cái)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(jìn)行刻蝕，形成深度為hi-hs的兩個(gè)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(xù)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(shù)，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(quán)項(xiàng)】
1. 單片集成的體聲波雙工器，其特征在于:包括發(fā)射帶通濾波器、接收帶通濾波器和移 相器，其中，發(fā)射帶通濾波器包括至少兩個(gè)互連的FBAR，接收帶通濾波器包括至少兩個(gè)互連 的FBAR，移相器包括一個(gè)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(fā)射帶通濾波器和移相器均在同一襯底上制造而成。2. 根據(jù)權(quán)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(fā)射帶通濾波器 可以包括至少兩個(gè)串聯(lián)的FBAR和至少一個(gè)并聯(lián)的FBAR，或者可以包括至少一個(gè)串聯(lián)的FBAR 和至少一個(gè)并聯(lián)的FBAR。3. 根據(jù)權(quán)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(fā)射帶通濾波器 中的串聯(lián)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(fā) 射帶通濾波器中的并聯(lián)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(jù)權(quán)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(fā)射帶通濾波器 中的串聯(lián)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(fā) 射帶通濾波器中的并聯(lián)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(jù)權(quán)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(gè)串聯(lián)的FBAR和至少一個(gè)并聯(lián)的FBAR，或者包括至少一個(gè)串聯(lián)的FBAR和至少一 個(gè)并聯(lián)的FBAR。6. 根據(jù)權(quán)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(lián)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(lián)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(jù)權(quán)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(lián)的FBAR的串聯(lián)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(lián)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(fā)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(fā)射帶通濾波 器、接收帶通濾波器與移相器之間，是發(fā)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(shí)現(xiàn)，并且所述頂電極引線與第一頂電極層通過 濺射工藝同時(shí)形成，底電極引線與第一底電極層通過濺射工藝同時(shí)形成。13. 根據(jù)權(quán)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(duì)應(yīng)發(fā)射帶通濾波器;所述第二空腔的 上面對(duì)應(yīng)接收帶通濾波器;所述第三空腔的上面對(duì)應(yīng)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(jù)權(quán)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(hào)】H03H9/05GK205725679SQ201620322240
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】高楊, 蔡洵, 趙坤麗, 黃振華, 尹汐漾, 趙俊武, 韓賓
【申請(qǐng)人】中國工程物理研究院電子工程研究所