隨著5G移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，作為射頻通信系統(tǒng)前端的關(guān)鍵部件，聲表面波（SAW）和體聲波（BAW）濾波器成為國內(nèi)外研究熱點。氮化鋁（AlN）薄膜因具備壓電性、高熱導(dǎo)率、高聲速、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及與CMOS工藝的兼容性，成為制備高頻聲學(xué)濾波器核心功能層的理想材料。然而，純AlN存在壓電常數(shù)低的缺點，限制了器件機電耦合系數(shù)的提升，難以滿足5G對濾波器帶寬和插入損耗的更高要求。研究表明，向AlN中摻入鈧（Sc）元素可顯著提升其壓電性能和器件機電耦合系數(shù)，但高濃度Sc摻雜會大幅增加薄膜制備難度，導(dǎo)致當(dāng)前研究多集中于低Sc濃度領(lǐng)域。因此，高濃度Sc摻雜的高質(zhì)量AlN壓電薄膜制備，具有重要的科研與應(yīng)用價值。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對上述難題，南京電子器件研究所、固態(tài)微波器件與電路全國重點實驗室的研究團隊，采用鋁-鈧雙靶反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，成功制備出30%濃度鈧Sc摻雜的高質(zhì)量AlScN壓電薄膜。相關(guān)研究成果以“高濃度鈧摻雜氮化鋁壓電薄膜制備研究”為題發(fā)表在《固體電子學(xué)研究與進展》期刊上。
這項研究提出的高濃度AlScN薄膜制備流程如下：以150 mm硅片為基底，先在磁控濺射機臺中經(jīng)280℃烘烤增強薄膜附著力；隨后分步沉積“30 nm AlN種子層（400℃）→200 nm Mo底電極（反應(yīng)功率5000 W、壓力0.4 Pa）→50 nm AlN種子層（400℃、壓力0.8 Pa）”三層結(jié)構(gòu)；為避免頂層AlN種子層在空氣中水解，三層薄膜沉積后立即轉(zhuǎn)入AlScN濺射腔完成最終沉積。退火處理則在高溫化學(xué)氣相沉積設(shè)備中進行，以5℃/min速率升溫至300 ~ 900℃，保溫1小時并通入氬氣（Ar）氣保護。
圖1 AlScN薄膜截面SEM圖
高濃度AlScN薄膜制備過程中，研究人員解決了薄膜應(yīng)力調(diào)控、膜厚均勻性、晶體質(zhì)量優(yōu)化及表面異常晶粒控制四大關(guān)鍵問題。通過分析濺射功率和Ar氣流量對AlScN壓電薄膜應(yīng)力的影響，實現(xiàn)了薄膜應(yīng)力在-250 ~ 200 MPa范圍內(nèi)可調(diào)，且面內(nèi)應(yīng)力變化值小于100 MPa，應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)偏差值小于30 MPa，面內(nèi)應(yīng)力均勻性良好；通過離子束刻蝕技術(shù)對壓電薄膜進行修整，使薄膜厚度均勻性實現(xiàn)了0.09%，標(biāo)準(zhǔn)差降至0.40 nm，滿足了器件的使用需求；此外，研究了退火處理對AlScN壓電薄膜晶體質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)溫度的升高，薄膜（002）晶面搖擺曲線半峰寬逐漸減小，900℃退火時半峰寬低至1.37°，c軸取向性顯著提升；通過降低Ar氣流量、增加濺射功率以及選擇Si/AlN/Mo/AlN復(fù)合襯底，有效減少了高Sc濃度易引發(fā)的“金字塔型”異常晶粒。
圖2 AlScN薄膜面內(nèi)應(yīng)力分布
圖3 AlScN薄膜厚度分布圖
圖4 不同溫度下退火前后的AlScN薄膜晶體質(zhì)量
圖5 不同工藝條件下的AlScN薄膜SEM圖
這項研究基于鋁-鈧雙靶反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，在Si/AlN/Mo/AlN襯底上成功制備出30% Sc濃度的高質(zhì)量AlScN壓電薄膜，其性能指標(biāo)均滿足高頻聲學(xué)濾波器的需求。該研究為高濃度AlScN薄膜在5G高頻濾波器中的應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
論文信息：
DOI: 10.12450/j.gtdzx.202504011
