基于掺杂压电薄膜的FBAR制备及研究

兰伟豪，徐 阳，张永川，蒋平英，司美菊，刘 娅，卢丹丹，何西良

(中国电子科技集团公司第二十六研究所,重庆 400060)

0 引 言

随着移动通信技术的快速发展，无线通信系统的工作频率不断提高，系统的集成度也要求越来越高，设备的小型化与高频化已成为必然的发展趋势。薄膜体声波谐振器(FBAR)不仅具有工作频率高、插损低的优点，而且其尺寸小，易于集成，且与CMOS工艺相容[1]，在无线通信的高频率段，特别是GHz频段具有明显的优势，因此FBAR滤波器得到了愈来愈广泛的研究和应用。FBAR滤波器的性能主要由其压电层决定，目前，主流的压电材料有氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)。其中，声波在AlN薄膜中的传输速度更快，器件能以更小的体积达到相同的工作频率，有利于小型化与集成化；并且AlN固有损耗低，有利于提升器件性能；与CMOS工艺兼容，性质稳定易于生产加工[2]。但在三种压电材料中，AlN的机电耦合系数最低，导致其可实现的带宽最窄，限制了AlN薄膜的应用范围[3]，因此，如何提高AlN薄膜的压电响应成为了研究热点。2008年，Akiyama用铝和钪双靶材共溅射得到了氮化铝钪(AlScN)薄膜[4]，相比AlN薄膜，AlScN薄膜压电系数得到显著提高。后续国外大量研究表明，通过掺杂钪(Sc)使AlN薄膜改性可以显著提升其压电效应[5]，这对于FBAR器件的性能提高意义重大。但目前，国内对大晶圆尺寸上AlN薄膜掺杂Sc的研究和宽带FBAR器件的研究尚处于起步阶段。

本文采用中频磁控溅射方法，在6英寸硅片上制备了优质的AlScN压电薄膜，并分别制作了基于AlN和AlScN压电薄膜的FBAR谐振器样品，掺杂Sc的AlN压电薄膜提升了AlN薄膜的机电耦合系数。

1 实 验

1.1 AlScN压电薄膜制备

采用6英寸硅单晶片为衬底材料，使用如下方法对硅基片进行清洗，首先在硫酸和双氧水混合液(V(H2SO4)∶V(H2O2)=4∶1)中漂洗10 min，其次在氨水、双氧水和水混合液(V(NH3·H2O)∶V(H2O2)∶V(H2O)=1∶2∶10)中漂洗10 min，最后冲水甩干后入腔室。采用射频等离子清洗基片，采用磁控溅射方式制作底电极钼(Mo)薄膜，靶材为高纯钼靶，纯度为99.99%，氩气(纯度为99.999 9%)作为溅射气体。采用中频磁控溅射方法制作AlN种子层薄膜，靶材为高纯铝靶，纯度为99.999%，氩气和氮气(纯度为99.999 9%)作为溅射气体。采用中频磁控溅射方法制作AlScN压电薄膜，靶材为高纯铝钪合金靶，Sc原子含量为9.6%，氩气和氮气(纯度为99.999 9%)作为溅射气体。制作了AlScN(压电层)/AlN(种子层)/Mo(电极)/AlN(种子层)/Si基结构的AlScN复合压电薄膜。

1.2 性能测试

使用D8DISCOVER型X线衍射仪(XRD)测量薄膜XRD曲线；采用FLX-2320S型应力测试仪测量薄膜应力；采用F-50型光反射式膜厚测试仪测试薄膜厚度；采用探针台测试FBAR器件电性能。

2 结果与讨论

2.1 AlScN压电薄膜性能分析

在6英寸硅片上制作了595 nm厚度Sc原子含量为9.6%的AlScN压电薄膜，对压电薄膜厚度进行了测试，膜厚分布如图1所示，AlScN膜厚平均值为594.5 nm，膜厚均匀性为0.51%(1sigma)，AlScN薄膜具有良好的膜厚均匀性。

研究了AlN种子层对AlScN压电薄膜(002)择优取向度的影响，在硅基上分别制作了AlScN(压电层)/AlN(种子层)/Mo(电极)/AlN(种子层)/Si基和AlScN(压电层)/Mo(电极)/AlN(种子层)/Si基两种膜层结构，对两种膜层结构样品进行了XRD分析，图2(a)和图2(b)分别是生长有AlN种子层和未生长AlN种子层AlScN薄膜(002)面的XRD摇摆曲线。由图可以看出，沉积AlN种子层的AlScN压电薄膜摇摆曲线半峰宽为1.75°，生长的压电薄膜具有良好的(002)面择优取向。未沉积AlN种子层的AlScN压电薄膜摇摆曲线半峰宽为2.48°。压电薄膜(002)取向与Mo电极薄膜的择优取向密切相关[6]，AlScN薄膜(002)取向还与AlN种子层密切相关。对比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。在沉积AlScN薄膜沉积之前生长一层种子材料AlN，厚度通常在20～80 nm之间，改善了AlScN与Mo电极薄膜的晶格匹配度，通过AlN种子层诱导AlScN薄膜(002)取向的生长，从而进一步提升了AlScN薄膜的择优取向。

理想状况下，薄膜的应力为零，否则应力过大，会造成薄膜受力弯曲，甚至脱落，影响器件的可靠性。对溅射功率、溅射温度、溅射气体压力等工艺参数优化后，保持其它工艺参数不变，AlScN薄膜应力可以通过溅射气体氩气的流量进行调节，AlScN薄膜应力可以低至10.63 MPa，如图3所示。AlScN薄膜应力可以通过溅射气体氩气的流量进行调整，薄膜应力可控,氩气流量与薄膜应力满足一定的线性关系。图4为氩气流量对AlScN薄膜应力的影响图，随着氩气流量的增加，薄膜应力向张应力变化。

2.2 FBAR器件电性能分析

采用AlScN压电薄膜，Mo作为电极层，在硅基上制作了FBAR器件，其结构示意图如图5所示。同时，为了对比，也采用AlN压电薄膜制作了FBAR器件。

对两种FBAR器件分别进行了电性能测试，测试结果分别如图6(a)和图6(b)所示。其中，基于AlScN压电薄膜的FBAR谐振器的谐振频率为3.197 GHz，反谐振频率为3.301 GHz；基于AlN压电薄膜的FBAR谐振器的谐振频率为3.337 GHz，反谐振频率为3.422 GHz。

(1)

由于压电薄膜的机电耦合系数可以反映压电薄膜的压电性，通过FBAR谐振器的谐振频率fs和反谐振频率fp，按公式(1)可计算得到压电薄膜机电耦合系数kt2。对测试结果进行计算，AlScN和AlN压电薄膜的机电耦合系数分别为7.53%和5.98%，相对AlN压电薄膜，AlScN压电薄膜的机电耦合系数得到提升，对研究宽带FBAR滤波器有重要意义。

3 结 论

本文使用铝钪合金靶，采用磁控溅射在6英寸硅片上制备了Sc原子含量为9.6%的AlScN压电薄膜。AlScN压电薄膜的性能分析结果表明，AlScN膜厚均匀性为0.51%(1sigma)，AlScN薄膜摇摆曲线半峰宽为1.75°，AlScN薄膜应力为10.63MPa，薄膜应力可调。制作了基于AlScN和AlN压电薄膜的FBAR谐振器，其机电耦合系数分别为7.53%和5.98%，在AlN中掺杂Sc能够有效提高压电薄膜的机电耦合系数，对国内研究掺杂Sc的AlN压电薄膜和宽带FBAR滤波器具有重要的参考意义。