摻鈧AlN材料特性及HBAR器件性能研究

朱宇波，母志強，陳玲麗，朱 雷，李衛民，俞文杰(1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所 信息功能材料國家重點實驗室，上海 200050; 2.中國科學院大學，北京 100049；.上海集成電路材料研究院，上海 200050)

0 引言

AlScN薄膜的聲學和壓電特性是設計和制造高頻寬帶BAW濾波器的重要性能參數。雖然可通過納米壓痕法和壓電測試儀快速表征壓電薄膜的彈性模量和壓電常數，但是獲得的材料特性參數較單一。而利用BAW諧振器不僅能表征壓電薄膜的聲學和壓電等材料特性，還能提取諧振器的器件參數，提取的參數更全面可靠。目前常用的BAW諧振器類型包括薄膜體聲波諧振器(FBAR)、固態裝配型體聲波諧振器(BAW-SMR)及高次諧波體聲波諧振器(HBAR)[7-9]。其中，FBAR及BAW-SMR器件的諧振頻譜能夠直觀反映壓電薄膜的聲電特性，但對器件設計和制備工藝均要求較高。與FBAR及BAW-SMR器件相比，HBAR器件工藝簡單，結構可靠性強，有助于降低加工工藝對壓電薄膜的影響。此外，HBAR器件的品質因數(Q)高，諧振信號較強，有利于頻譜提取和分析。

1 HBAR仿真設計

圖1 HBAR器件結構及材料參數

圖2 HBAR的Mason等效電路模型

表1 Mason模型中輸入的材料聲學參數

圖3 不同的HBAR器件阻抗譜仿真結果

2 HBAR器件制備

圖4為制備HBAR器件的工藝流程。首先利用磁控濺射在藍寶石襯底(厚約500 μm)上依次生長Mo底電極(厚為200 nm)、Al1-xScxN(x= 0，0.1，0.25)壓電層(厚約850 nm)和Mo頂電極(厚為300 nm)，如圖4(a)所示。通過離子束刻蝕(IBE)工藝將Mo頂電極層圖形化，該層Mo用作后續濕法刻蝕Al1-xScxN薄膜的硬掩模，如圖4(b)所示。然后使用質量濃度為25%的四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液選擇性刻蝕Al1-xScxN薄膜，形成通孔，如圖4(c)所示。TMAH溶液對Al1-xScxN薄膜的各向異性刻蝕較好，且與Mo具有較高的選擇比，如圖5所示(數據來源于工藝測試片)。再在通孔側壁及上臺面邊緣沉積一層氧化硅絕緣層，如圖4(d)所示，以避免上下電極短路。通過Au將底電極引出，如圖4(e)所示。最后再次使用IBE工藝刻蝕Mo頂電極，形成頂電極圖形，如圖4(f)所示。

圖4 HBAR器件制備流程圖

圖5 TMAH刻蝕Al1-xScxN截面SEM圖

3 器件測試與分析

3.1 射頻測試和器件參數提取

制備的HBAR器件為單端口器件，通過矢量網絡分析儀測試其射頻特性。圖6為測試的反射系數S11。該器件在0.5～5 GHz內具有多模諧振特性，且在2 GHz附近諧振較強。

圖6 HBAR器件S11參數測試結果

(1)

式中fr，fa分別為諧振頻率和反諧振頻率。

圖7 HBAR器件的

表2 不同Sc含量的Al1-xScxN HBAR性能參數

(2)

式中：fr,a為諧振頻率或反諧振頻率；φZ11為阻抗Z11的相位值。

隨著Sc摻雜量的提高，HBAR諧振器的Q值逐漸下降，表明器件的損耗逐漸增加。根據相關研究，AlScN薄膜中出現的異常晶粒[10]和結構軟化[11]等問題是導致BAW器件Q值隨Sc摻雜量增加而下降[8]的主要原因。然而，與FBAR和BAW-SMR器件相比，HBAR器件中較厚的襯底也對器件的Q值存在影響,難以定量分析壓電薄膜對Q值的直接影響。

3.2 AlScN薄膜聲學及電學參數提取

為了準確提取Al1-xScxN薄膜的聲電特性參數，本文通過Mason模型對實驗測得的阻抗Z11及相位φZ11進行擬合，擬合所需材料參數如表1所示。為了提高參數提取的可靠性，每種摻雜選取12個器件進行擬合。

圖8為測試數據和擬合結果。擬合曲線的峰位、峰強與測試數據基本一致，并且Z11和φZ11的均方根誤差σdB和σphase表明模型與實驗間的一致性較好。

圖8 Z11和φZ11的擬合結果

表3 提取的Al1-xScxN薄膜的聲學及壓電性能參數

(3)

(4)

圖9 通過HBAR與文獻提取的Al1-xScxN薄膜的比較

本文還研究了Sc摻雜量對壓電薄膜聲學損耗的影響。在擬合過程中，由于分別提取壓電薄膜和襯底的損耗較難，因此，在頻譜擬合時，將整個系統的損耗簡化為襯底的損耗。損耗因子為

α=α0·f2

(5)

式中α為電極、壓電層及襯底材料中聲學損耗的總和。

由式(5)可知，α與f2成正比。為了排除頻率對壓電薄膜損耗特性的影響，實際擬合參數為損耗因子中的頻率無關項系數α0。提取結果如表4所示。對于不同Sc摻雜的壓電薄膜器件，其電極和襯底材料的特性基本相同。因此，α0隨Sc摻雜量增大而增大，主要影響因素來源于壓電薄膜聲損耗的增加。即Sc摻雜量提高為25%，α0增加1.7倍，從而導致器件Q值下降約50%。

表4 提取的襯底損耗因子系數

4 結束語

本文利用HBAR器件結構，研究了Sc摻雜量為0～25%的Al1-xScxN壓電薄膜的材料特性與器件性能間的關系。結果表明：

1) 當Sc摻雜量提高至25%時，Al1-xScxN薄膜的壓電應力系數e33增加69%，剛度下降27%，導致材料的機電耦合系數提升至15.8%，為未摻雜AlN的2.8倍，從而使諧振器的有效機電耦合系數為未摻雜時的3倍。

2) 隨著Sc摻雜量增加，Al1-xScxN薄膜剛度的下降導致薄膜縱波聲速的下降。Sc摻雜量為25%時，Al1-xScxN薄膜的縱波聲速從10 443 m/s下降至9 055 m/s，從而導致器件的諧振頻率降低。

3) 高Sc摻雜量的Al1-xScxN薄膜因異常晶粒等問題導致薄膜晶體質量下降、聲學損耗增加，從而導致器件的Q值下降約50%。

本文不僅驗證了HBAR作為一種方便且快捷的壓電薄膜聲電參數表征方法，且能同時提取諧振器的器件特性參數，有助于高頻寬帶BAW濾波器芯片的高效設計和制造。