一种薄膜体声波谐振器的设计与验证

西安电子科技大学学报

JOURNAL　OF　XIDIAN　UNIVERSITY

Au．２０１９g

Vol．４６　No．４

doi １０敭１９６６５ 敭issn１００１Ｇ２４００敭２０１９敭０４敭０２０j

一种薄膜体声波谐振器的设计与验证

(中国科学院大学微电子学院,北京１１．０１４００;

)华进半导体封装先导技术研发中心有限公司,江苏无锡２３．１４０００

摘要:为简化薄膜体声波谐振器薄膜厚度的设计,提出一种薄膜体声波谐振器薄膜厚度的设计方法.仿真结构由诱导层和其上层的电极层压电层电极层的三明治结构组成.在最优有效机电耦合系数下确定ＧＧ初始薄膜体声波谐振器的薄膜厚度;然后确定诱导层厚度及其相应的频偏值;使用频偏值补偿并联谐振频.Multihsics进行仿真验证.当并联谐振频率为３．６０GHz时,１００nm的氮化铝的频偏值为０．２０GHzpy氮化铝的有效机电耦合系数最优为５．进行频率补偿后,氮化铝的串联谐振频率和并联谐振频率分９０７％,,别为３．设计方法得到了验证.诱导层有效地优化了压电层C轴特性,减少了能４８GHz和３．６０GHz量损耗.

关键词:薄膜体声波谐振器;氮化铝;诱导层

()中图分类号:TN７１３;TN０１５　　文献标识码:A　　文章编号:１００１Ｇ２４００２０１９０４Ｇ０１４４Ｇ０６

率,重新计算补偿后的薄膜体声波谐振器中电极层与压电层的最优厚度比值,并使用COMSOL

中国科学院微电子研究所,北京１２．０００２０;

２３

,欧　文２,申洪霞１,

Desinandverificationofafilmbulkacousticresonatorg

１敭SchoolofMicroelectronics Univ敭ofChineseAcademfSciences Beiin０１４００ China yojg１

２敭InstituteofMicroelectronics ChineseAcademfSciences Beiin０００２０ China yojg１

３敭NationalCenterforAdvancedPackaino敭 LTD Wuxi２１４０００ China ggC

２３

SHENHonxia１ OUWen２ gAbstract 　Inordertosimlifthedesinofthefilmthicknessofthefilmbulkacousticresonator adesinpygginducedlaerandtheuerelectrodeＧiezoelectricＧelectrodesandwichstructure敭Theinitialfilmofthefilmyppp

methodforfilmbulkacousticresonatorfilmthicknessisproosed敭Thesimulationstructureconsistsofthep

thethicknessoftheinducedlaerandthecorresondinfreuencffsetvaluearedetermined敭Theparallelypgqyoresonantfreuenciscomensatedwiththefreuencffset andthenthefilmthicknessoftheelectrodeqypqyoresonantfreuencis３敭６０GHz thefreuencffsetvalueofthe１００nmAlNis０敭２０GHz敭TheeffectiveqyqyoelectromechanicalcoulinoefficientoftheAlNis５敭９０７％敭Afterfreuencomensation theseriespgcqycpiezoelectriclaerandreducesenerloss敭pygy

Thedesinmethodisverified敭TheinducedlaereffectiveltimizestheCＧaxischaracteristicsofthegyyopKeords 　thinfilmbulkacousticresonator aluminumnitride inducedlaersyyW

andthepiezoelectricarerecalculated敭Finall thestructureissimulatedbOMSOL敭WhentheparallelyyC

bulkacousticresonatorisdesinedbheotimaleffectiveelectromechanicalcoulinoefficient andthengytppgc

resonantfreuencndparallelresonantfreuencftheAlNare３敭４８GHzand３敭６０GHz resectivel敭qyaqyopy

收稿日期:２０１８Ｇ１２Ｇ２５　　　　网络出版时间:２０１９Ｇ０４Ｇ１６)基金项目:国家重点研发计划(２０１６YFA０４０１３０１

,:作者简介:申洪霞(女,中国科学院大学硕士研究生,１９９５—)EＧmailshenhonxia＠ime．ac．cn．g://///网络出版地址:httkns．cnki．netkcmsdetail６１．１０７６．TN．２０１９０４１５．１８１３．００６．htmlp

第４期　　　　　　　　　　　　　　申洪霞等:一种薄膜体声波谐振器的设计与验证

１４５

谐振器逐步向小型化、集成化方向　　传统的滤波器一般由两个或多个谐振器构成.为了减小滤波器尺寸,

１]

.近年来,,发展[薄膜体声波谐振器(由于其工作频率高,体积小,品FilmBulkAcousticResonatorFBAR)]２

,,和超微量检测等领域的解决方案[是未来５InteratedCircuitMMIC)G通信领域最具发展前景的器件g

质因数高,与CMO而被认为是未来单片微波集成电路(S工艺兼容等优点,MonolithicMicrowave之一.

[Ｇ５]

,,,器压电层的材料主要是氮化铝(和氧化锌(电极层则会选择AluminumNitrideAlN)ZincOxideZnO)４６Ｇ７]

)).由于金属A具有高声阻特性的金属材料,比如钼(和金(等[而被MoAulN和Mo的晶格匹配度最好,

３]

.目前应用于薄膜体声波谐振薄膜体声波谐振器的主要结构是顶电极压电层底电极的三明治结构[ＧＧ

认为是应用于具有高C轴特性的薄膜体声波谐振器中的最佳组合.为了进一步提高AlN的C轴晶向特性,]文献[在淀积底电极金属之前,预淀积一层A引导上层A８lN作为诱导层,lN压电薄膜的C轴晶向生长.

)目前研究薄膜体声波谐振器的模型主要有MB模型和梅森模VD(ModifiedButterＧWorthＧVandkey

]９

.薄膜体声波谐振器的薄膜厚度对其性能的影响至关重要,型[而这两种模型无法准确模拟薄膜体声波谐

振器的薄膜厚度与设计需求之间的关系,需要在输入参数与输出阻抗特性之间多次进行迭代与修正.除了

７,１０]

,三明治结构之外,薄膜体声波谐振器的制备与实现也需要其他的结构层做辅助[比如上述的诱导层,这

将导致薄膜体声波谐振器薄膜厚度的设计更加复杂与繁琐.

基于此,文中将以有效机电耦合系数最优为设计目标,确定设计的并联谐振频率,并计算初始三明治结构的薄膜厚度;在初始结构上增加一定厚度的诱导层,并确定其引起的谐振频率偏移量;用此频偏值对并联谐振频率进行补偿;按补偿后的并联谐振频率重新计算电极层与压电层的厚度.最后,采用COMSOL多物理场仿真软件进行仿真验证与分析,从而简化薄膜体声波谐振器的设计过程,仅一次补偿就可以满足设计要求.

１　设计原理

１．１　初始薄膜体声波谐振器的薄膜厚度

的厚度为零,薄膜体声波谐振器会在上下电极之间产生驻波振荡,其声波传播如图１中的曲线所示,一个实

理想薄膜体声波谐振器结构是顶电极压电层底电极的三明治结构,如图１所示.理想情况下,电极层ＧＧ

线椭圆代表体声波的半波长.薄膜体声波谐振器的谐振特性依赖于结构的薄膜厚度,理想薄膜体声波谐振

７,９]

,器的总厚度恰好是体声波的半波长或半波长的奇数倍[与压电层厚度２d１和电极层厚度t的关系可表示

为

１öνæaç÷,　　n＝０,１,２􀆺　,fp＝n＋２ø２èdt１＋２

其中,νa是压电层材料中体声波的传播声速.

()１

图１　理想薄膜体声波谐振器三明治结构中的声波传播示意图

实际应用中,压电层与电极层的媒质材料不同,其传播声速也不同,要使薄膜体声波谐振器三明治结构

图２　薄膜体声波谐振器结构中td１关系曲线

的厚度满足纵向声波的半波长,电极层厚度t与压电层厚度２d１的关系可表示为

Zetan(kd１)tan(kt)＝１　,epZp()２

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　西安电子科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　第４６卷１４６

其中,kZe与ke与Zp分别是电极层与压电层的声波传播常数,p分别是电极层与压电层的声学特征阻抗,

７]

).选取压电层为A,式(仅用于薄膜体声波谐振器三明治结构中[电极层为M其t２lN,oＧd１关系曲线如

图２所示.

２９,１１]薄膜体声波谐振器的有效机电耦合系数为k可表示为[eff,

２

２

,keffnSE其中,为压电材料的夹持介电常数,为压电材料的弹性劲度常数,e为压电材料的压力应电常数,εct是电

πt′２

(２n＋１)􀅰cos

２t′＋de８１

,􀆺　,　n＝０,１,２,＝SE２

t′öεcπ２æ÷(２n＋１)ç１－t′＋dè１ø

[]

()３

)极层的实际厚度,也仅限于三明治结构中应用.t′是电极层材料等效于压电层材料的等效厚度.式(３与实际厚度比值的关系可表示为

相同频率下不同材料的声波波长也不相等.经过等效变换之后,电极的等效厚度与压电层厚度的比值

t′＝

t′＋d１

/其中,t′＝tλλλλe,e是电极层材料的体声波波长.pp是压电层材料的体声波波长,)如图３所示.０

t１－λt＋de１

１＋

λtpt＋d１

１

　,()４

/选取电极材料与压电材料的声速比λ有效机电耦合系数的基频曲线(λ．５、１．０和２．０时,n＝ep分别为０

)图３　不同声速比的有效机电耦合系数归一化曲线(n＝０

/(耦合系数最大值,在图３中选取相应的t结合图２所示的t确定其对应的各薄膜厚t＋dＧd１关系曲线,１),),/(和式(设置t其对应的４t＋d．０００１,AlN的有效机电耦合系数最大值为５．９０７％,１)的取值精度为０如图４所示.在此取值范围内选取其边界值,得到如表１所示的各层薄膜厚度.

参数/电极层厚度tnm/(tt＋d１)

０．１５６０１０２１９４

Mo

,,在已公布的５使用MAT和式(计算有效机电G通信频段中选取３．５０~３．６０GHzLAB输入式(３)４)

图４　理想压电层与电极层厚度的最优范围

[２]

、)度.以压电材料为A选取电极材料M将A代入式(lN为例,o和Au作对比,lN和MoAu的特征声速１３

/(),结合图２所示的t可以获取一个薄膜厚度的取值范围,tt＋d０．１５６０,０．１６３８Ｇd１关系曲线,１)取值为(

表１　频段为３．５０~３．６０GHz的薄膜体声波谐振器各薄膜厚度

０．１６３８１００２９８

０．０８４６１０４０４８

Au

０．０８９１１０２２４９

压电层厚度２nmd１/

１．２　诱导层的厚度与频率补偿

在表１中随机选取０．增加０~５１６３８这一组数据作为初始薄膜体声波谐振器,００nm厚度的诱导层结构,其阻抗特性曲线分别如图５所示,阻抗特性会出现比较强烈AlN诱导层的厚度达到２００nm及以上时,的二次谐振,且随着诱导层厚度的增加,二次谐振逐渐增强,并联谐振频率的频率也逐渐降低.

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.谐振频率的差值作为频率偏移量,如图６所示.以１其频率偏移量为０．００nm的AlN诱导层为例,２０GHz用此频偏值对并联谐振频率进行补偿,重新计算薄膜体声波谐振器的电极层与压电层的厚度,其厚度计算结果如表２所示.

表２　电极材料为Mo时频率偏移量补偿后的薄膜厚度

参数

输入的串联谐振频率/GHz压电层厚度２nmd１/诱导层厚度dnm２//电极层厚度tnm

三明治结构３．６０１００２９８

补偿前３．６０１００２１００９８

补偿后３．８０９５０１００９３

进一步在２以有诱导层的薄膜体声波谐振器与初始三明治结构的并联００nm以内细化诱导层厚度d２,

图５　AlN诱导层厚度对FBAR谐振频率的影响

图６　AlN诱导层厚度与谐振频率偏移量关系图

２　结果验证

２．１　仿真模型建立

使用多物理场建模软件C如图７OMSOL建立无诱导层和有诱导层的薄膜体声波谐振器有限元结构,,.模型中设置结构两侧固定,精度为０．中间及上下表面设置为自由界面.采用映射网格划１０GHz０１GHz分方法,将模型进行网格划分:压电层纵向划分为３份,电极层和诱导层纵向划分各为２份,整个压电层横向划分为１两侧的线性弹性材料横向划分为５份.００份,

所示,图中压电层和底电极层的横向长度为１顶电极层的横向长度为１纵向长度按薄膜体声３０μm,１０μm,波谐振器薄膜厚度设置.设置各向异性损耗因子为０．介质损耗因子为０．扫频范围为０．００１、０１,１~

/(而取值最大时,并联谐振频率高出设计tt＋dMo和Au的并联谐振频率都满足设计需求,１)取值最小时,

２．２　仿真验证

使用C仿真结果如表３所示.在OMSOL仿真软件对表１中的薄膜体声波谐振器结构进行仿真,

图７　薄膜体声波谐振器的COMSOL模型的网格化模型

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,需求０．误差仅０．０２GHz７％.仿真结果很好地验证了薄膜厚度的设计方法的有效性.

表３　并联谐振频率为３．６０GHz的三明治结构的对比结果

参数/电极层厚度tnm

０．１５６０１０２１３．４８３．６０９４

Mo

０．１６３８１００２３．５０３．６２９８

０．０８４６１０４０３．４７３．６０４８

Au

０．０８９１１０２２３．４９３．６２４９

可以得到补偿前的薄膜体声波谐振　　将表２中的３个结构进行仿真,

.将器串联谐振频率和并联谐振频率分别为３．３０GHz和３．４２GHz

得到补偿后的薄膜体声波谐振器串０􀆰２０GHz补偿到并联谐振频率后,,联谐振频率和并联谐振频率分别为３．其对比结４８GHz和３．６０GHz果如图８所示.补偿后的薄膜体声波谐振器参数很好地满足了初始设计需求.

()()量密度时间均值分布的仿真结果如图９所示.从图９和图９中可ab))变分别为０．从图９(和图９(中可见,两种结构７３３nm与１．０４nm;cd

进一步仿真A其形变分布与能lN的三明治结构与补偿后的结构,

并联谐振频率fGHzp/

串联谐振频率fGHzs/

压电层厚度２nmd１/

见,无诱导层结构与有诱导层结构在其串联谐振频率处承受的最大应图８　有无诱导层的薄膜体声波谐振器

结构的谐振频率与频率质量因子

的能量密度时间均值分布,无诱导层结构在其串联谐振频率处的能量密度时间均值最大值比有诱导层结构提高了１增加诱导层结构可以有效改善压电层的C轴晶向特性,减少能量损耗.４０％.综上所述,

图９　三明治结构与补偿后的诱导层结构的薄膜体声波谐振器形变与电势分布图

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３　结束语

文中提出了一种薄膜体声波谐振器薄膜厚度设计方法,并研究了诱导层的谐振频率偏移的影响,诱导层的频偏值补偿了谐振频率的设计值.文中设计方法得到了有效机电耦合系数最大时的电极层与压电层比值,以及一定诱导层厚度的频率偏移量,并对设计并联谐振频率进行补偿,重新计算薄膜厚度.薄膜体声波谐振器的仿真结果也很好地验证了该薄膜设计方法,可以有效快速地补偿设计频率,减少薄膜体声波谐振器的设计周期.增加的诱导层结构也很好地改善了压电层C轴特性,减少了能量损耗.参考文献:

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(编辑:齐淑娟)　　

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