X波段FBAR用AlN薄膜制備研究

彭華東，徐 陽，張永川，杜 波，司美菊,蔣 欣,趙 明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所, 重慶 400060)

0 引言

與聲表面波濾波器、介質(zhì)濾波器及低溫共燒陶瓷(LTCC)濾波器等相比，薄膜體聲波諧振器(FBAR)濾波器同時(shí)具有小體積和高性能的優(yōu)勢(shì)，其制作工藝還能與CMOS工藝兼容[1]。FBAR是滿足射頻前端高性能、小型化和集成化的最佳途徑之一。目前，F(xiàn)BAR濾波器已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)[2-3]。

FBAR是一種利用聲學(xué)諧振實(shí)現(xiàn)電學(xué)選頻的新型器件，通過底電極和頂電極間壓電薄膜在垂直方向的諧振進(jìn)行選頻，具有插入損耗小，矩形度好，體積小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。FBAR空氣腔結(jié)構(gòu)是目前最成功的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[4]，由于換能器的上、下部均為空氣，當(dāng)聲學(xué)信號(hào)傳輸?shù)巾旊姌O上端和底電極底端時(shí)，聲阻抗的巨大差異會(huì)造成聲波的全反射，聲能量集中在亞微米量級(jí)的聲學(xué)層區(qū)域里。該空氣腔結(jié)構(gòu)的聲泄露很小，可實(shí)現(xiàn)FBAR器件的高品質(zhì)因數(shù)值。AlN壓電薄膜具有高壓電耦合系數(shù)和高聲速等優(yōu)點(diǎn)，成為FBAR濾波器首選的壓電薄膜，是FBAR濾波器的核心材料，其質(zhì)量直接影響FBAR濾波器的頻率、品質(zhì)因數(shù)及插入損耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)。采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積[5]、脈沖激光沉積[6]和磁控濺射[7]等方法可制作AlN壓電薄膜。其中，磁控濺射法因薄膜淀積易控制、薄膜應(yīng)力小及膜厚均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，成為FBAR用AlN薄膜最佳制作方法。

X波段FBAR器件頻率為8～12 GHz，AlN壓電薄膜厚150～200 nm，制備優(yōu)質(zhì)超薄的AlN薄膜較難。目前， X波段FBAR器件用較薄的AlN壓電薄膜還未見報(bào)道。本文采用中頻磁控濺射法在硅基上制備了較薄的優(yōu)質(zhì)AlN壓電薄膜，所得AlN壓電薄膜用于制作X波段FBAR器件的工藝中，并成功研制出X波段FBAR器件。

1 實(shí)驗(yàn)

采用6英寸(1英寸=2.54 cm)(100)硅單晶片為襯底材料，濺射前使用H2SO4和H2O2(V(H2SO4)∶V(H2O2)=4∶1(體積比))漂洗10 min，HF酸(V(HF)∶V(H2O)=1∶100)漂洗1 min，沖水甩干后入腔室濺射。采用射頻等離子清洗基片，采用磁控濺射法制作底電極Mo薄膜，靶材為高純鉬靶(99.99%(原子數(shù)比))，超純氬氣(99.9999%)作為濺射氣體。采用中頻磁控濺射法制作AlN種子層薄膜和AlN壓電薄膜，靶材為高純鋁靶(99.999%)，超純氬氣和氮?dú)?99.9999%)作為濺射氣體。制作了AlN(壓電層)/Mo(底電極)/AlN(種子層)/Si基結(jié)構(gòu)的AlN復(fù)合壓電薄膜。

實(shí)驗(yàn)中，使用D8 DISCOVER型X線衍射儀(XRD)分析Mo和AlN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和擇優(yōu)取向；采用FLX-2320S型應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試薄膜應(yīng)力；采用F-50型光反射式膜厚測(cè)試儀測(cè)試了AlN壓電薄膜膜厚；采用微波探針臺(tái)測(cè)試X波段FBAR器件的電性能指標(biāo)。

2 結(jié)果及討論

2.1 AlN薄膜性能分析

在硅片上制作了厚176 nm的AlN壓電薄膜，測(cè)試了AlN薄膜的厚度，共測(cè)試了97點(diǎn)，膜厚分布如圖1所示。由圖可看出，AlN膜厚平均值為176.1 nm，膜厚均勻性為0.32%(1σ，即1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差)，AlN薄膜具有良好的膜厚均勻性。

圖1 AlN薄膜厚度分布圖

在硅片上制作了Mo底電極和厚176 nm的AlN壓電層，膜層結(jié)構(gòu)為AlN(壓電層)/Mo(底電極)/AlN(種子層)/Si基。對(duì)樣品進(jìn)行了XRD分析，圖2、3分別為Mo薄膜(110)面和AlN薄膜(002)面的XRD搖擺曲線。由圖可看出，Mo薄膜搖擺曲線的半峰寬為1.65°，AlN薄膜搖擺曲線半峰寬為2.21°。通過AlN種子層誘導(dǎo)Mo(110)取向的生長(zhǎng)，Mo薄膜具有良好的擇優(yōu)取向。Mo(110)取向的體中心立方結(jié)構(gòu)有助于生長(zhǎng)AlN(002)取向的壓電薄膜，AlN薄膜也呈現(xiàn)出良好的c軸擇優(yōu)取向，其c軸擇優(yōu)取向度能滿足X波段FBAR器件的要求。

圖2 Mo薄膜(110)面XRD搖擺曲線

圖3 AlN薄膜(002)面XRD搖擺曲線

AlN薄膜的應(yīng)力是AlN薄膜的另一個(gè)重要性能參數(shù)，如果薄膜應(yīng)力過大，會(huì)導(dǎo)致基片發(fā)生變形、空氣腔結(jié)構(gòu)破裂甚至塌陷。因此，在保證AlN壓電薄膜高壓電性能的同時(shí)，需要減小薄膜的應(yīng)力，提高器件性能和可靠性。圖4為Mo(底電極)/AlN(種子層)/Si基上制作的 AlN壓電薄膜應(yīng)力測(cè)試圖。由圖5可看出，AlN薄膜應(yīng)力僅為-5.02 MPa，生長(zhǎng)的AlN薄膜應(yīng)力很小。AlN薄膜應(yīng)力可通過濺射氣體氬氣的流量進(jìn)行調(diào)整。圖5為氬氣流量對(duì)AlN薄膜應(yīng)力的影響圖。由圖5可見，隨著氬氣流量的增加，AlN薄膜應(yīng)力從壓應(yīng)力向張應(yīng)力變化，AlN薄膜應(yīng)力和氬氣流量幾乎呈線性關(guān)系，AlN薄膜應(yīng)力可控。根據(jù)實(shí)際工藝需要可對(duì)AlN薄膜應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 AlN薄膜應(yīng)力測(cè)試圖

圖5 氬氣流量對(duì)AlN薄膜應(yīng)力的影響

2.2 X波段FBAR器件的制作

采用厚150～200 nm的AlN壓電薄膜，在硅基上制作了X波段FBAR器件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 FBAR結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為X波段FBAR器件電性能測(cè)試曲線。器件諧振頻率為9.09 GHz，插入損耗為-0.38 dB。FBAR器件頻率已達(dá)X波段，插入損耗小，具有良好的電性能，滿足應(yīng)用需求。

圖7 FBAR器件頻率響應(yīng)曲線

3 結(jié)束語

本文采用中頻磁控濺射法對(duì)X波段FBAR用AlN薄膜制備技術(shù)進(jìn)行了研究，獲得了X波段FBAR用較薄的優(yōu)質(zhì)AlN壓電薄膜。AlN壓電薄膜的性能分析結(jié)果表明，AlN膜厚均勻性為0.32%(1σ)，AlN薄膜搖擺曲線半峰寬為2.21°，AlN薄膜應(yīng)力為-5.02 MPa，薄膜應(yīng)力可調(diào)。制作的AlN壓電薄膜應(yīng)用于X波段FBAR器件，成功研制出X波段FBAR器件。