[發(fā)明專利]一種高頻高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板及制備方法

在審

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• 申請日: 2021-08-24
• 公開（公告）號(hào): CN113871289A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳亮;付丹揚(yáng);王琦琨;龔建超
• 申請（專利權(quán)）人: 奧趨光電技術(shù)（杭州）有限公司
• 主分類號(hào): H01L21/02
• 分類號(hào): H01L21/02;H01L21/203;H01L21/205
• 代理公司: 杭州宇信聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33401
• 代理人: 梁群蘭

本發(fā)明公開了一種高頻高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板，該碳化硅基AlScN模板為多層結(jié)構(gòu)，以單晶碳化硅為襯底，在碳化硅的拋光面上依次生長SiO₂層、金屬鈍化層、AlN種子層、低濃度Sc摻雜的AlScN層以及高濃度Sc摻雜的AlScN層。采用本發(fā)明的制備方法，可以制備高結(jié)晶質(zhì)量、高相速度、低表面粗糙度、高溫度穩(wěn)定性、高Sc濃度的AlScN薄膜。碳化硅襯底提供較高的相速度；SiO₂層彌補(bǔ)高Sc濃度AlScN薄膜溫度穩(wěn)定差的弊端；AlN種子層，與AlScN晶格失配小提高結(jié)晶質(zhì)量；低Sc濃度AlScN層，避免Sc元素提前析出，降低晶格失配；高Sc濃度AlScN層提供良好的壓電性能。采用該多層結(jié)構(gòu)能夠更好地適用于基于體聲波、聲表面波器件的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋁鈧氮模板結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著5G通訊技術(shù)的發(fā)展，新增5G頻段、原頻段數(shù)目提升以及MIMO和CA技術(shù)的深度應(yīng)用，對(duì)濾波器的需求量越來越大，關(guān)于射頻前端的制備要求也日益增加，因此需要壓電性能更高的材料來制備濾波器件SAW/BAW。

制備高性能射頻濾波器的核心在于濾波器襯底壓電材料的特性及其結(jié)晶質(zhì)量。相較于傳統(tǒng)的ZnO、PZT、LT/LN等壓電材料，AlN薄膜材料由于具有高電阻率、高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性及高聲波傳輸速率等優(yōu)異物理性能，是5G高性能FBAR/BAW射頻濾波器的理想壓電材料之一，并已在工業(yè)界得到成熟運(yùn)用。如具有一定的擇優(yōu)取向的AlN薄膜材料的聲波速較高（縱波速可達(dá)11000m/s，橫波速約為6000m/s），這使得AlN薄膜目前被作為GHz高頻諧振器件、濾波器件等制備的首選材料。然而，盡管與ZnO、PZT、LT/LN等傳統(tǒng)壓電材料相比性能優(yōu)勢明顯，但AlN薄膜也存在其固有缺點(diǎn)，即沿c-軸方向生長的AlN薄膜的壓電系數(shù)較小（d33=5~6pm/V），使得基于AlN薄膜的SAW器件性能（特別是在高頻頻段）的應(yīng)用遭遇瓶頸。為解決AlN薄膜材料這一瓶頸，并同時(shí)保留其他優(yōu)異特性，一種有效的方法是通過向其摻雜以提升其壓電性能。當(dāng)前通過摻高含量Sc元素有效提高材料壓電性能，從而提升濾波器件的機(jī)電耦合系數(shù)。然而，由于摻高Sc濃度的摻入使得三元氮化物合金的混合熵為正，薄膜處于亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致材料本身具有相位分解的傾向。因此，高摻Sc含量、高質(zhì)量AlScN薄膜的制備條件極為敏感，成為了制約AlScN薄膜材料大批量制造，及其下游大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的重要難題。摻雜高濃度Sc元素(30at%)后材料相速度會(huì)急劇降低，導(dǎo)致濾波器件頻率下降，同時(shí)在薄膜表面容易產(chǎn)生異常形核，結(jié)晶質(zhì)量急劇下降，表面粗糙度嚴(yán)重惡化，溫度穩(wěn)定性降低，難以制備高頻高性能SAW/BAW器件。

發(fā)明內(nèi)容

基于上述Sc摻雜AlN模板目前存在的技術(shù)問題，本發(fā)明擬提供一種多層結(jié)構(gòu)、以碳化硅為基底的AlScN模板結(jié)構(gòu)及其制備方法，以解決AlN高Sc濃度摻雜后，材料相速度急劇降低以及異常形核、表面粗糙度大、溫度穩(wěn)定性低等問題。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。

本發(fā)明提供了一種高頻高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板，該碳化硅基AlScN模板為多層結(jié)構(gòu)，以碳化硅為襯底，在碳化硅的拋光面上依次生長有SiO₂層、金屬鈍化層、AlN種子層、低濃度Sc摻雜的AlScN層以及高濃度Sc摻雜的AlScN層。其中，SiO₂層膜厚為10-1000nm、金屬鈍化層膜厚為5-1000nm；AlN種子層膜厚為10-5000nm；低濃度Sc摻雜的AlScN層膜厚為10-5000nm，化學(xué)式Al_1-xSc_xN，其中x≤0.3；高濃度Sc摻雜的AlScN層膜厚為10-5000nm，化學(xué)式Al_1-ySc_yN，其中0.3≤y≤0.6。

進(jìn)一步地，所述碳化硅基AlScN模板頻率溫度系數(shù)低于-14.73ppm/K，相速度達(dá)到5500m/s以上。

本發(fā)明還提供了制備上述碳化硅基AlScN模板的方法，包括步驟如下：