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摘要
本工作是首次展示单片多频段射频前端模块（RF-FEM），将MEMS Lamb波滤波器和开关集成在200mm射频硅-on-绝缘体（RFSOI）代工技术上。多个MEMS滤波器具有光刻定义的频率，与射频组件共存于同一晶圆中。这项技术实现了射频前端模块（RF-FEM）组件的垂直集成，从而使得系统级芯片（SoC）架构更加紧凑。最终的射频前端模块将集成多频率滤波器阵列、低噪声放大器（LNA）和开关，且相比系统封装（SiP）模块，足迹缩小可达50%。SoC架构还简化了互连线和阻抗匹配网络的设计。

关键词
MEMS滤波器，射频前端模块，Lamb波滤波器，单片3D集成，5G，系统级芯片（SoC）。

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引言
MEMS滤波器和射频集成电路（RFICs）的垂直集成对于减少射频前端模块（RF-FEM）的足迹至关重要。目前，射频前端模块通过水平混合集成SiP架构集成了30多个MEMS滤波器芯片，尽管它们将在未来几年内为5G手机增加十倍，但由于市场和人体工程学的限制，它们必须保持当前的尺寸。因此，需要更密集、占地面积更小的模块。先前的工作已经证明了在100mm SiGe工艺上实现体声波（BAW）滤波器与射频集成电路的单片集成用于前端应用的可行性【1-2】，以及在GaN工艺上的单片GHz振荡器【3】和晶圆键合与薄膜转移SoC架构【4-5】。本文首次报道了在大规模生产环境下，使用200mm RFSOI晶圆技术集成多个滤波器。这一发展使得多频段MEMS滤波器、小尺寸射频前端模块以及更简单、更便宜的工艺成为可能，因为它消除了晶圆键合/转移成本。

制造方法
单片射频前端模块（RF-FEM）基于GLOBALFOUNDRIES的7SWTSOI工艺，这是一个200mm RFSOI CMOS平台，适用于开关和低噪声放大器（LNAs）。在本工作中，采用多种单极单掷（SPST）串联和并联开关以及MEMS滤波器设计进行连接，构建了概念验证射频前端模块。MEMS器件堆叠在最后一层CMOS后端金属（BEOL）上方。为此，后CMOS加工工艺包括至少为射频解耦的介电绝缘材料、用于MEMS器件表面微机械腔体的牺牲材料、MEMS滤波器层，以及用于MEMS开关接触的互联通孔金属化（见图1）。

图1：单片射频前端模块架构：GF 7SWTSOI 200mm RFSOI开关上的Lamb MEMS滤波器

MEMS制造工艺的热预算保持在450°C以下，以确保与CMOS的兼容性。MEMS工艺从带有射频集成电路（RFIC）器件的RFSOI晶圆开始（图2a），通过沉积并进行化学机械抛光（CMP）平坦化一个足够厚的二氧化硅层，以覆盖最后一层CMOS金属（图2b）。在氧化物上溅射并图案化硅（Si），然后进一步进行化学气相沉积（CVD）和CMP氧化物，形成一个1μm厚的牺牲层，提供平整的表面（图2c）。MEMS滤波器堆叠包括AlN种子层、底部Mo电极、AlN声学层和顶部Mo电极，并在平整的硅牺牲层上形成（图2d）。三个不同的通孔提供与顶部和底部Mo电极以及CMOS最后金属的连接。金属化使用铝铜（AlCu）线路，具有足够的厚度以确保射频性能，并在大步长上覆盖侧壁（图2e）。最后，创建释放通孔并蚀刻牺牲硅层，以在MEMS滤波器下方创建腔体（图2f）。

图2：MEMS滤波器阵列制造流程：
(a) 开始使用RFSOI晶圆；
(b) SiO2沉积和CMP；
(c) Si牺牲层和氧化物沉积、图案化及CMP；
(d) MEMS压电堆叠；
(e) 接触通孔和金属化；
(f) 释放通孔、牺牲层蚀刻和MEMS释放。

射频前端模块设计
图3展示了集成MEMS滤波器的射频前端模块（RF-FEM）。图3(a)展示了一种采用阶梯拓扑的Lamb波MEMS滤波器，该滤波器集成了一个SPST RFSOI开关，开关被放置在滤波器的侧面。图3(b)展示了另一个MEMS器件，放置在RFSOI开关上方（背景中可以看到最后的CMOS金属线）。图3(c)是Lamb波滤波器的IDT电极几何结构的特写，滤波器的CD（特征尺寸）为400纳米。如此小的CD能力使得能够实现5G Sub-6GHz频段的高频滤波器。

图3：单片射频前端模块器件（示例）：
(a) MEMS开关布局；
(b) 并排排列的MEMS和开关（MEMS位于开关上方，沿垂直轴方向）；
(c) IDT电极的特写，最小CD为400nm。

图4展示了用于构建1.5GHz滤波器的一个示例MEMS谐振器声学Lamb波模式阻抗的有限元建模。
观察到的共振模式包括对称（S）模式和非对称（A）模式，覆盖了宽达3GHz的频率范围。
仿真数据（红色/浅色）与实验表征数据（黑色/深色）吻合良好，并用于1.5GHz Lamb波滤波器的合成。

图4：对称和非对称Lamb波模式：
实验数据（黑色）与有限元仿真数据（红色）对比

图5绘制了用于MEMS滤波器设计的提取声学模式速度。
相比传统的SAW模式，薄膜Lamb波模式所支持的更高相速度使得能够满足5G频段滤波器的高频需求。
该图提供了设计滤波器中心频率的关键信息，特别是在高频时，速度可能会趋近于雷leigh模式速度。

图5：MEMS Lamb滤波器压电AlN层的声学相模式速度（从S21提取）。

射频表征
这里展示的射频表征证明了射频前端模块组件单片集成的多频能力。
在单片集成发展的过程中，一个相关的问题是，是否在已经存在于晶圆上的RFSOI电路上构建MEMS滤波器，会改变开关的工艺和电气参数。图6中的图表对比了在RFSOI晶圆上进行MEMS滤波器加工前后，研究中考虑的三个主要参数：（a）Ron×Coff乘积，（b）隔离度，和（c）插入损耗。开关所有参数的最小变化表明，滤波器层的单片堆叠对性能没有负面影响。

图6：单片集成对RFSOI开关性能的最小影响：
(a) Ron×Coff乘积，
(b) 隔离度，
(c) 插入损耗。

图7展示了850MHz和1.5GHz切换滤波器射频前端模块的宽带S21响应，分别为滤波器的ON/OFF状态及相应的电路原理图。两个滤波器与其他器件共同存在于同一晶圆/芯片上，包括BAW滤波器。

图7：850MHz和1.5GHz滤波器在开关的ON和OFF状态下的S21响应。右侧：微图显示两个滤波器共存于同一芯片上（插图中的相应电路原理图）。射频前端模块中使用的并联开关在不同状态之间提供> 25dB的隔离度。（射频信号在ON状态下被并联旁路）

5G射频前端模块（RF-FEM）集成讨论

射频前端模块的单片集成面临着许多挑战，从材料开发、器件集成到应用开发：

首先，压电材料必须能够支持5G关键频段的大多数应用场景。本研究中的演示器件使用了氮化铝（AlN）作为声学层。然而，尽管AlN已是4G/LTE和WiFi共存滤波器的主流材料，其压电特性不足以支持许多5G频段所需的更大带宽，尤其是在考虑Lamb滤波器作为候选技术时。另一方面，传统的BAW滤波器工艺每片晶圆只允许设计一个滤波器，以便确保其经济性。将多个滤波器集成到同一晶圆芯片中，需要光刻定义的滤波器阵列结构，即Lamb滤波器。然而，使用AlN的Lamb滤波器在大多数5G频段上也不可行，因为横向模式的压电耦合系数要小得多，通常是BAW滤波器设计中纵向模式的四分之一。因此，我们提出了掺钪氮化铝（ScAlN）作为5G关键频段的核心材料。GLOBALFOUNDRIES的模拟预测，掺钪氮化铝（ScAlN）可提高Lamb滤波器的耦合系数和分数带宽，20%钪浓度（按原子重量计算）可使带宽达到4.5%。这些性能将涵盖5G大多数应用场景，在同一模块芯片中集成多个频段。

其次，单片RF-FEM的设计需要建立一种模式解耦和阻抗匹配的设计方法。在传统的系统级封装（SiP）模块中，这一问题在模块集成级别上得到解决，外部匹配网络和解耦器被集成作为源安装器件（SMD）或嵌入射频层压板轨道中。如今的需求是模块中集成5个以上的滤波器，到2019年，已经有集成多达16个滤波器的更大模块。原则上，我们的单片集成方法提供的SoC架构将简化匹配和解耦网络的设计，但也将使努力集中于硅层。声学模式耦合和10个以上滤波器输入输出端口的阻抗匹配，以及硅嵌入的无源元件，是需要解决的主要挑战。

最后但同样重要的是，这里提出的单片架构为几乎所有应用和MEMS、CMOS技术提供了无缝集成。技术匹配更多与应用领域和使用场景相关。图8展示了一些合适的应用场景，其中不同的MEMS结构能够与CMOS和射频CMOS技术找到合适的集成方式，包括标准和高电阻率硅基板的显著应用案例。

图8：多种MEMS和CMOS技术的单片集成场景。

结论
这项工作是首次展示单片多频段射频前端模块（RF-FEM）。单片方法的可行性依赖于多频率单芯片的能力。进一步的声学滤波器材料工程将使5G频段应用所需的更大带宽成为可能。这里提出的单片架构为几乎所有应用提供了无缝集成。该技术的进一步发展将探索集成和应用优化，以及ScAlN集成用于5G sub-6GHz射频前端模块（RF-FEM）。