基于摻雜壓電薄膜的FBAR制備及研究

蘭偉豪，徐 陽(yáng)，張永川，蔣平英，司美菊，劉 婭，盧丹丹，何西良

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)的工作頻率不斷提高，系統(tǒng)的集成度也要求越來(lái)越高，設(shè)備的小型化與高頻化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。薄膜體聲波諧振器(FBAR)不僅具有工作頻率高、插損低的優(yōu)點(diǎn)，而且其尺寸小，易于集成，且與CMOS工藝相容[1]，在無(wú)線通信的高頻率段，特別是GHz頻段具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此FBAR濾波器得到了愈來(lái)愈廣泛的研究和應(yīng)用。FBAR濾波器的性能主要由其壓電層決定，目前，主流的壓電材料有氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)和鋯鈦酸鉛(PZT)。其中，聲波在AlN薄膜中的傳輸速度更快，器件能以更小的體積達(dá)到相同的工作頻率，有利于小型化與集成化；并且AlN固有損耗低，有利于提升器件性能；與CMOS工藝兼容，性質(zhì)穩(wěn)定易于生產(chǎn)加工[2]。但在三種壓電材料中，AlN的機(jī)電耦合系數(shù)最低，導(dǎo)致其可實(shí)現(xiàn)的帶寬最窄，限制了AlN薄膜的應(yīng)用范圍[3]，因此，如何提高AlN薄膜的壓電響應(yīng)成為了研究熱點(diǎn)。2008年，Akiyama用鋁和鈧雙靶材共濺射得到了氮化鋁鈧(AlScN)薄膜[4]，相比AlN薄膜，AlScN薄膜壓電系數(shù)得到顯著提高。后續(xù)國(guó)外大量研究表明，通過(guò)摻雜鈧(Sc)使AlN薄膜改性可以顯著提升其壓電效應(yīng)[5]，這對(duì)于FBAR器件的性能提高意義重大。但目前，國(guó)內(nèi)對(duì)大晶圓尺寸上AlN薄膜摻雜Sc的研究和寬帶FBAR器件的研究尚處于起步階段。

本文采用中頻磁控濺射方法，在6英寸硅片上制備了優(yōu)質(zhì)的AlScN壓電薄膜，并分別制作了基于AlN和AlScN壓電薄膜的FBAR諧振器樣品，摻雜Sc的AlN壓電薄膜提升了AlN薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 AlScN壓電薄膜制備

采用6英寸硅單晶片為襯底材料，使用如下方法對(duì)硅基片進(jìn)行清洗，首先在硫酸和雙氧水混合液(V(H2SO4)∶V(H2O2)=4∶1)中漂洗10 min，其次在氨水、雙氧水和水混合液(V(NH3·H2O)∶V(H2O2)∶V(H2O)=1∶2∶10)中漂洗10 min，最后沖水甩干后入腔室。采用射頻等離子清洗基片，采用磁控濺射方式制作底電極鉬(Mo)薄膜，靶材為高純鉬靶，純度為99.99%，氬氣(純度為99.999 9%)作為濺射氣體。采用中頻磁控濺射方法制作AlN種子層薄膜，靶材為高純鋁靶，純度為99.999%，氬氣和氮?dú)?純度為99.999 9%)作為濺射氣體。采用中頻磁控濺射方法制作AlScN壓電薄膜，靶材為高純鋁鈧合金靶，Sc原子含量為9.6%，氬氣和氮?dú)?純度為99.999 9%)作為濺射氣體。制作了AlScN(壓電層)/AlN(種子層)/Mo(電極)/AlN(種子層)/Si基結(jié)構(gòu)的AlScN復(fù)合壓電薄膜。

1.2 性能測(cè)試

使用D8DISCOVER型X線衍射儀(XRD)測(cè)量薄膜XRD曲線；采用FLX-2320S型應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量薄膜應(yīng)力；采用F-50型光反射式膜厚測(cè)試儀測(cè)試薄膜厚度；采用探針臺(tái)測(cè)試FBAR器件電性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 AlScN壓電薄膜性能分析

在6英寸硅片上制作了595 nm厚度Sc原子含量為9.6%的AlScN壓電薄膜，對(duì)壓電薄膜厚度進(jìn)行了測(cè)試，膜厚分布如圖1所示，AlScN膜厚平均值為594.5 nm，膜厚均勻性為0.51%(1sigma)，AlScN薄膜具有良好的膜厚均勻性。

研究了AlN種子層對(duì)AlScN壓電薄膜(002)擇優(yōu)取向度的影響，在硅基上分別制作了AlScN(壓電層)/AlN(種子層)/Mo(電極)/AlN(種子層)/Si基和AlScN(壓電層)/Mo(電極)/AlN(種子層)/Si基兩種膜層結(jié)構(gòu)，對(duì)兩種膜層結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行了XRD分析，圖2(a)和圖2(b)分別是生長(zhǎng)有AlN種子層和未生長(zhǎng)AlN種子層AlScN薄膜(002)面的XRD搖擺曲線。由圖可以看出，沉積AlN種子層的AlScN壓電薄膜搖擺曲線半峰寬為1.75°，生長(zhǎng)的壓電薄膜具有良好的(002)面擇優(yōu)取向。未沉積AlN種子層的AlScN壓電薄膜搖擺曲線半峰寬為2.48°。壓電薄膜(002)取向與Mo電極薄膜的擇優(yōu)取向密切相關(guān)[6]，AlScN薄膜(002)取向還與AlN種子層密切相關(guān)。對(duì)比Mo(110)薄膜和AlScN薄膜(002)面晶格排列，Mo(110)薄膜和AlN(002)薄膜的晶格排列更相近。在沉積AlScN薄膜沉積之前生長(zhǎng)一層種子材料AlN，厚度通常在20～80 nm之間，改善了AlScN與Mo電極薄膜的晶格匹配度，通過(guò)AlN種子層誘導(dǎo)AlScN薄膜(002)取向的生長(zhǎng)，從而進(jìn)一步提升了AlScN薄膜的擇優(yōu)取向。

理想狀況下，薄膜的應(yīng)力為零，否則應(yīng)力過(guò)大，會(huì)造成薄膜受力彎曲，甚至脫落，影響器件的可靠性。對(duì)濺射功率、濺射溫度、濺射氣體壓力等工藝參數(shù)優(yōu)化后，保持其它工藝參數(shù)不變，AlScN薄膜應(yīng)力可以通過(guò)濺射氣體氬氣的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，AlScN薄膜應(yīng)力可以低至10.63 MPa，如圖3所示。AlScN薄膜應(yīng)力可以通過(guò)濺射氣體氬氣的流量進(jìn)行調(diào)整，薄膜應(yīng)力可控,氬氣流量與薄膜應(yīng)力滿足一定的線性關(guān)系。圖4為氬氣流量對(duì)AlScN薄膜應(yīng)力的影響圖，隨著氬氣流量的增加，薄膜應(yīng)力向張應(yīng)力變化。

2.2 FBAR器件電性能分析

采用AlScN壓電薄膜，Mo作為電極層，在硅基上制作了FBAR器件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。同時(shí)，為了對(duì)比，也采用AlN壓電薄膜制作了FBAR器件。

對(duì)兩種FBAR器件分別進(jìn)行了電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如圖6(a)和圖6(b)所示。其中，基于AlScN壓電薄膜的FBAR諧振器的諧振頻率為3.197 GHz，反諧振頻率為3.301 GHz；基于AlN壓電薄膜的FBAR諧振器的諧振頻率為3.337 GHz，反諧振頻率為3.422 GHz。

(1)

由于壓電薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)可以反映壓電薄膜的壓電性，通過(guò)FBAR諧振器的諧振頻率fs和反諧振頻率fp，按公式(1)可計(jì)算得到壓電薄膜機(jī)電耦合系數(shù)kt2。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，AlScN和AlN壓電薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)分別為7.53%和5.98%，相對(duì)AlN壓電薄膜，AlScN壓電薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)得到提升，對(duì)研究寬帶FBAR濾波器有重要意義。

3 結(jié) 論

本文使用鋁鈧合金靶，采用磁控濺射在6英寸硅片上制備了Sc原子含量為9.6%的AlScN壓電薄膜。AlScN壓電薄膜的性能分析結(jié)果表明，AlScN膜厚均勻性為0.51%(1sigma)，AlScN薄膜搖擺曲線半峰寬為1.75°，AlScN薄膜應(yīng)力為10.63MPa，薄膜應(yīng)力可調(diào)。制作了基于AlScN和AlN壓電薄膜的FBAR諧振器，其機(jī)電耦合系數(shù)分別為7.53%和5.98%，在AlN中摻雜Sc能夠有效提高壓電薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)研究摻雜Sc的AlN壓電薄膜和寬帶FBAR濾波器具有重要的參考意義。