[發明專利]一種利用ALD生長籽晶層的高結晶AlN薄膜制備方法

在審

• 申請號: 202110024527.8
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112853318A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 馬宏平
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C23C16/455
• 分類號: C23C16/455;C23C14/35;C23C14/06;C23C16/34
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 陸惠中;田歡

本發明涉及AlN薄膜領域，尤其涉及一種利用ALD生長籽晶層的高結晶AlN薄膜制備方法。具體的，該一種生長在襯底上的AlN薄膜的制備方法，依次包括：襯底清洗；利用ALD沉積方法生長AlN籽晶層；利用PVD沉積方法在所述AlN籽晶層上生長AlN膜層，得到AlN薄膜。本發明通過將ALD和PVD兩種沉積方式相結合的方法，制備出高結晶的AlN薄膜，具體的，先生長籽晶層，然后在其上利用PVD沉積方式進一步快速沉積比較厚的AlN膜層，進而減少了沉積時間，本發明公開的工藝可以高效制備高結晶的AlN薄膜。

技術領域

本發明涉及AlN薄膜領域，尤其涉及一種利用ALD生長籽晶層的高結晶AlN薄膜制備方法。

技術背景

當前，個人通信系統、衛星傳輸和其他種類的無限數據通訊的快速發展使得通訊設備的中心頻率提升到了GHz級。在GHz頻段，需要有更高性能和集成化的微型濾波器與之適應。傳統的解決方案是采用微波介質陶瓷濾波器和聲表濾波器(SAW)。然而陶瓷濾波器和聲表濾波器具有一些缺陷，例如，陶瓷濾波器雖然性能好但受微細加工技術的限制體積過大；SAW體積雖小，但存在工作頻率不高、插耗較大、功率容量較低等缺點。為了克服上述問題，薄膜體聲波諧振器(FBAR)應運而生，薄膜體聲波諧振器不僅兼有微波介質陶瓷和SAW的優勢，同時又能克服兩者的缺點，其具有工作頻率高(最高可達20GHz)、溫度系數小、損耗低、功率容量大、體積小、成本低、可大批量生產、且與半導體Si工藝兼容等優點。

常用的FBAR壓電薄膜材料主要有ZnO、AlN和CdS。這些材料有一個共同的特點，即它們都具有纖鋅礦晶體結構，這使得它們在沿(002)晶向(即c軸方向)受壓時能夠產生壓電效應。在平行于薄膜表面的方向，它們均具有各向同性。當這些壓電薄膜沿c軸方向在金屬電極表面生長時，便能夠在電場驅動下產生縱向諧振，達到選頻的目的。由此可知，壓電薄膜的c軸擇優取向程度越高，機電耦合系數越大，能量損失也越小。在這三種壓電薄膜材料中，AlN具有聲速高、導熱性好、化學性質穩定和頻率溫度穩定性好等優點，這使得采用AlN作為壓電薄膜的聲波諧振復合結構材料在大功率信號處理和頻率穩定性方面具有優勢。因此，國內外對AlN薄膜的制備和應用進行了大量研究。

A1N是一種寬禁帶(6.2eV)，并具有直接帶隙的重要藍光和紫外發光材料，它的熱導率高，硬度大，熔點高，可用于高溫高功率的微電子器件和深紫外光電子器件。A1N化學性能穩定，擊穿場強大(14KV/mm)，介電損耗小，機電耦合系數高，且熱膨脹系數與Si、GaAs等常用半導體材料相近，因此易與其它半導體工藝兼容。沿c軸取向的A1N具有良好的力電耦合性能，高的聲表面波波速和縱波聲速，因而在壓電薄膜傳感器、聲表面波器件和體波器件的應用方面得到了廣泛的研究。

所以高質量的c軸取向的A1N薄膜的制備成為研究的熱點，目前的沉積方法主要有物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積法(CVD)、脈沖激光沉積法(PLD)和分子束外延(MBE)等方法。但是這些沉積方法都有其缺點，其中有的沉積方法需要極高的沉積溫度，有的沉積方式需要極高的真空度，還有的沉積方式沉積的氮化鋁薄膜結晶性差，且薄膜均勻性不高。而原子層沉積(ALD)是以單原子形式一層一層沉積薄膜，每次反應只沉積一層原子，沉積的薄膜具有大面積的均勻性，同時可以實現高質量的高結晶氮化鋁薄膜生長。但是ALD的缺點是生長薄膜速率很慢，如果要制備用于FBAR的具有一定厚度的AlN薄膜則需要超長的制備時間，成本比較高。

所以亟需發明一種能夠結合ALD與其他鍍膜方式的優點，高效制備出具有高結晶特性的高質量的AlN薄膜的方法。

發明內容

本發明結合ALD與PVD兩種沉積方式的特點，制備高質量AlN薄膜。發揮ALD自限制的薄膜沉積方式，能夠通過對沉積工藝的優化和調整，制備出高結晶的AlN薄膜，作為籽晶層，然后在其上利用PVD沉積方式進一步快速沉積比較厚的AlN薄膜。ALD籽晶層用以提高沉積AlN薄膜的結晶特性，而PVD則沉積速率快，在AlN籽晶上可快速沉積一定厚度的薄膜，進而減少了沉積時間，這種ALD與PVD結合的方式可以高效制備高結晶的AlN薄膜。