朱宇波，母志強(qiáng)，陳玲麗，朱 雷，李衛(wèi)民，俞文杰(1.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，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(xué)和壓電特性是設(shè)計(jì)和制造高頻寬帶BAW濾波器的重要性能參數(shù)。雖然可通過(guò)納米壓痕法和壓電測(cè)試儀快速表征壓電薄膜的彈性模量和壓電常數(shù)，但是獲得的材料特性參數(shù)較單一。而利用BAW諧振器不僅能表征壓電薄膜的聲學(xué)和壓電等材料特性，還能提取諧振器的器件參數(shù)，提取的參數(shù)更全面可靠。目前常用的BAW諧振器類(lèi)型包括薄膜體聲波諧振器(FBAR)、固態(tài)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，F(xiàn)BAR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(duì)器件設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)可靠性強(qiáng)，有助于降低加工工藝對(duì)壓電薄膜的影響。此外，HBAR器件的品質(zhì)因數(shù)(Q)高，諧振信號(hào)較強(qiáng)，有利于頻譜提取和分析。

1 HBAR仿真設(shè)計(jì)

圖1 HBAR器件結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

圖2 HBAR的Mason等效電路模型

表1 Mason模型中輸入的材料聲學(xué)參數(shù)

圖3 不同的HBAR器件阻抗譜仿真結(jié)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(lán)寶石襯底(厚約500 μm)上依次生長(zhǎng)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(guò)離子束刻蝕(IBE)工藝將Mo頂電極層圖形化，該層Mo用作后續(xù)濕法刻蝕Al1-xScxN薄膜的硬掩模，如圖4(b)所示。然后使用質(zhì)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(duì)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(shù)據(jù)來(lái)源于工藝測(cè)試片)。再在通孔側(cè)壁及上臺(tái)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(guò)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(cè)試與分析

3.1 射頻測(cè)試和器件參數(shù)提取

制備的HBAR器件為單端口器件，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試其射頻特性。圖6為測(cè)試的反射系數(shù)S11。該器件在0.5～5 GHz內(nèi)具有多模諧振特性，且在2 GHz附近諧振較強(qiáng)。

圖6 HBAR器件S11參數(shù)測(cè)試結(jié)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(shù)

(2)

式中：fr,a為諧振頻率或反諧振頻率；φZ(yǔ)11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(jù)相關(guān)研究，AlScN薄膜中出現(xiàn)的異常晶粒[10]和結(jié)構(gòu)軟化[11]等問(wèn)題是導(dǎo)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(duì)器件的Q值存在影響,難以定量分析壓電薄膜對(duì)Q值的直接影響。

3.2 AlScN薄膜聲學(xué)及電學(xué)參數(shù)提取

為了準(zhǔn)確提取Al1-xScxN薄膜的聲電特性參數(shù)，本文通過(guò)Mason模型對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的阻抗Z11及相位φZ(yǔ)11進(jìn)行擬合，擬合所需材料參數(shù)如表1所示。為了提高參數(shù)提取的可靠性，每種摻雜選取12個(gè)器件進(jìn)行擬合。

圖8為測(cè)試數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果。擬合曲線的峰位、峰強(qiáng)與測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，并且Z11和φZ(yǔ)11的均方根誤差σdB和σphase表明模型與實(shí)驗(yàn)間的一致性較好。

圖8 Z11和φZ(yǔ)11的擬合結(jié)果

表3 提取的Al1-xScxN薄膜的聲學(xué)及壓電性能參數(shù)

(3)

(4)

圖9 通過(guò)HBAR與文獻(xiàn)提取的Al1-xScxN薄膜的比較

本文還研究了Sc摻雜量對(duì)壓電薄膜聲學(xué)損耗的影響。在擬合過(guò)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(shí)，將整個(gè)系統(tǒng)的損耗簡(jiǎn)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(xué)損耗的總和。

由式(5)可知，α與f2成正比。為了排除頻率對(duì)壓電薄膜損耗特性的影響，實(shí)際擬合參數(shù)為損耗因子中的頻率無(wú)關(guān)項(xiàng)系數(shù)α0。提取結(jié)果如表4所示。對(duì)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(lái)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(dǎo)致器件Q值下降約50%。

表4 提取的襯底損耗因子系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用HBAR器件結(jié)構(gòu)，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(guān)系。結(jié)果表明：

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

2) 隨著Sc摻雜量增加，Al1-xScxN薄膜剛度的下降導(dǎo)致薄膜縱波聲速的下降。Sc摻雜量為25%時(shí)，Al1-xScxN薄膜的縱波聲速?gòu)?0 443 m/s下降至9 055 m/s，從而導(dǎo)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(wèn)題導(dǎo)致薄膜晶體質(zhì)量下降、聲學(xué)損耗增加，從而導(dǎo)致器件的Q值下降約50%。

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