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武汉大学工业科学研究院孙成亮教授团队提出了一种基于Al0.8Sc0.2N的薄膜体声波谐振器(FBAR)，用于射频滤波器的设计。
本文亮点 1、基于Al0.8Sc0.2N薄膜的FBAR展现了大的机电耦合系数（14.5%）和极好的优值（62）； 2、FBAR谐振频率和反谐振频率处的频率温度系数分别为−19.2 ppm/℃和−21.1 ppm/℃； 3、基于Al0.8Sc0.2N薄膜的FBAR滤波器在5G射频前端显示出强大的应用潜力。
研究背景
近年来，移动通信系统对数据传输速率和移动性的要求越来越高。这些趋势增加了对更高频率和更宽带宽的滤波器的需求。新兴的5G、Wi-Fi和4G LTE通信标准正在迫使频率从传统频段(低于2.6GHz)提高到高达5GHz，以适应更宽的系统带宽。微机电系统(MEMS)滤波器，如表面声波(SAW)和体声波(BAW)滤波器非常适合在这些新的射频(RF)频段下运行。然而，由于滤波器性能的恶化和由非常薄的IDT电极而造成的几个制造问题，目前用于移动通信系统的SAW滤波器技术几乎不能达到3GHz以上的频率。BAW滤波器可以提供低插入损耗，良好的选择性，高功率容量，是高频应用下的首选。 氮化铝(AlN)由于其高的纵向声速v(11354 m/s)，低的频率温度系数(TCF，-25 ppm/℃)，低的声学和介电损耗，被应用于各代电子通信技术中。采用优化的FBAR设计，仔细选择非压电层的材料和厚度，FBAR的Keff2可以提高到7%左右。然而，具有更高机电耦合的新材料可以在器件设计自由度和增加制造余量方面提供更多潜在的选择。Al1-xScxN (AlScN)是其中的一种材料，它可以通过与AlN相同的方式沉积，并表现出压电系数的增加，例如，Al0.57Sc0.43N的压电系数d33比纯AlN大5倍。Moreira等人提出了一种基于Al0.85Sc0.15N的FBAR，其谐振频率为2.15GHz, Keff2为12.07%。Wang等人利用新发现的Al0.7Sc0.3N薄膜的铁电行为，演示了一种可切换的基于Al0.7Sc0.3N的FBAR。 在这项工作中，作者报导了一种基于Al0.8Sc0.2N的FBAR，用于设计声学滤波器。通过利用高质量的Al0.8Sc0.2N薄膜，FBAR呈现出14.5%的大Keff2和62的优异优值 (FOM)。此外，使用Mason模型提取了Al0.8Sc0.2N薄膜的重要本征材料参数。随后，利用高低温探针台研究了基于Al0.8Sc0.2N薄膜FBAR的温度特性。最后，使用Al0.8Sc0.2N薄膜的滤波器具有4.24 GHz的中心频率、215 MHz的-3 dB带宽、1.89 dB的小插入损耗(IL)和32 dB以上的抑制。所提出的基于Al0.8Sc0.2N的FBAR滤波器显示了5G宽带应用的潜力。
图文导读
图1：基于Al0.8Sc0.2N的FBAR。(a) 所设计谐振器的分层结构爆炸图; (b) 谐振器的实际放大截面图; (c) 所制造谐振器的光学显微镜图; (d) 所制造谐振器的截面扫描电镜图像。
设计的压电薄膜体声波谐振器如图1所示，由生长在Si衬底（725 μm厚）上的六层薄膜组成。在顶部和底部电极上分别设计了两个额外的120nm和37nm的Mo层，以降低电极电阻。如图1（a）和1（b）所示，顶部和底部电极层被图案化为四边形，并使用电连接条将电信号传导到焊盘（S）。当在谐振器的两个电极之间施加射频信号时，纵向体声波在压电膜中被激发。图1(d)显示了扫描电子显微镜视图(SEM)及其在图1(c)中的切片线处的横截面堆叠结构。
图2：基于AlScN薄膜FBAR的主要制造工艺流程。
详细的制造过程如图2所示。制造过程从蚀刻Si开始，形成隔离墙，用于定义空腔。化学机械抛光 (CMP) 用于为底部Mo电极和压电 AlScN 薄膜的沉积提供平坦表面。特别是使用隔离墙代替游泳池，由于抛光面积较小，可降低 CMP的难度。接下来，沉积25nm厚的AlN种子层和100nm厚的底部电极Mo。此外，在底部电极的顶表面上，底部电极电接触点将形成开口的位置处，形成额外的120 nm厚的Mo层。附加Mo层的存在确保底部电极在蚀刻压电层开口后始终保持足够的厚度。然后，沉积500 nm厚的压电Al0.8Sc0.2N薄膜，并通过电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻进行蚀刻以打开底部电极。沉积100 nm厚的 Mo层并将其图案化为顶部电极。随后，在整个结构上方沉积和蚀刻 37 nm 厚的 Mo层的质量负载层。最后，打开释放窗口，整个器件由VHF各向同性蚀刻器释放。
图3：(a) 制造的FBAR的横截面TEM图像。(b) Al0.8Sc0.2N和Mo界面的高分辨率TEM图像。(c) 区域A处Al0.8Sc0.2N的电子衍射图。(d) Al0.8Sc0.2N薄膜在线性尺度上的XRD图。
横截面透射电子显微镜（TEM）图像如图3（a）和3（b）所示。Al0.8Sc0.2N薄膜表现出良好的(002) C轴择优晶体取向，这对于实现FBAR的高Q值是优选的。图3(c)显示了图3（a）中区域A处Al0.8Sc0.2N薄膜的电子衍射图。离中心光斑最近的两个衍射光斑之间的距离为8.3451/nm，对应的晶格面（002）间距为0.240 nm，略小于AlN（0.249 nm）。此外，Al0.8Sc0.2N薄膜的X射线衍射 (XRD) 2θ/ω扫描仅包括Al0.8Sc0.2N (002)这一衍射最大峰，证实了Al0.8Sc0.2N薄膜具有单一的面外晶体取向。
图4：(a) 基于Al0.8Sc0.2N的FBAR的测量及MBVD拟合图。(b) 不同AlScN FBAR研究的性能比较
使用Cascade Microtech GSG探针台（Cascade，美国）与网络分析仪（N5222B，Agilent Technology）在空气中测试基于Al0.8Sc0.2N的FBAR的频率响应。谐振器的测量阻抗响应如图4(a)所示。通过以下公式计算得到14.5%的Keff2、150的Qs和318的Qp
其中fs和fp分别是串联和并联谐振频率。FBAR的高Keff2值与随着Sc含量的增加而增强的压电性能直接相关。测量结果用优化的巴特沃斯-范戴克 (MBVD) 模型建模，电路如图4(a) 的插图所示。该模型由静态电容器C0、电极电阻Rs、介电损耗R0和包括动态电阻Rm、动态电感Lm和动态电容Cm的运动支路组成。MBVD电路中的三个动态元素可以定义为
其中ωs是角谐振频率(ωs=2πfs)。MBVD模型与测量数据拟合度很好，使用方程(6)，计算得到Qm为424.7。值得注意的是，由于电极较薄，电极电阻Rs为1.92 Ω，大于其他两个损耗。Qs受欧姆损耗Rs的影响很大，而在fp时，损耗可以忽略不计，导致Qs几乎是Qp值的一半。图4（b）展示了本工作中制造的FBAR与之前研究的FBAR性能的比较。本工作中谐振器具有4.3 GHz 的高频和62的出色 FOM的优势，这是制造5G宽带滤波器必不可少的。
图7：(a) 制造的FBAR滤波器的SEM图像。(b) FBAR滤波器的电路原理图设计。(c) 制造的FBAR滤波器的测量传输响应。(d)制造的FBAR滤波器的测量回波损耗。
图7（a）和（b）显示了制造滤波器的SEM图像和电路原理图。它由8个元件组成，包括4个串联谐振器和4个并联谐振器。为了实现通带传输特性，在并联谐振器中添加了37 nm Mo质量负载层，使其谐振频率低于串联谐振器。此外，在每两个相邻谐振器之间的互连线上构建了额外的Mo层，以提高滤波器的性能。测得的滤波器响应曲线如图7(c)和(d)所示。该滤波器显示出4.24 GHz 的中心频率、215 MHz的-3 dB带宽、1.881 dB的小插损和 >32 dB的抑制。在中心频率处测得的回波损耗低于-12 dB，表明无需任何辅助电路即可很好地实现50 Ω匹配。
作者简介 第一作者： 邹杨，武汉大学工业科学研究院。主要研究方向为薄膜体声波谐振器、滤波器的设计与制造。 通讯作者： 孙成亮，武汉大学工业科学研究院。主要研究领域为射频谐振器和滤波器，声表面波/体声波/微机电传感器和超声换能器等。 https://doiorg/10.1038/s41378-022-00457-0 | 
