一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板，该碳化硅基AlScN模板为多层结构，以单晶碳化硅为衬底，在碳化硅的抛光面上依次生长SiO2层、金属钝化层、AlN种子层、低浓度Sc掺杂的AlScN层以及高浓度Sc掺杂的AlScN层。采用本发明专利技术的制备方法，可以制备高结晶质量、高相速度、低表面粗糙度、高温度稳定性、高Sc浓度的AlScN薄膜。碳化硅衬底提供较高的相速度；SiO2层弥补高Sc浓度AlScN薄膜温度稳定差的弊端；AlN种子层，与AlScN晶格失配小提高结晶质量；低Sc浓度AlScN层，避免Sc元素提前析出，降低晶格失配；高Sc浓度AlScN层提供良好的压电性能。采用该多层结构能够更好地适用于基于体声波、声表面波器件的应用。声表面波器件的应用。声表面波器件的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板及制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料制备
，具体涉及一种铝钪氮模板结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着5G通讯技术的发展，新增5G频段、原频段数目提升以及MIMO和CA技术的深度应用，对滤波器的需求量越来越大，关于射频前端的制备要求也日益增加，因此需要压电性能更高的材料来制备滤波器件SAW/BAW。
[0003]制备高性能射频滤波器的核心在于滤波器衬底压电材料的特性及其结晶质量。相较于传统的ZnO、PZT、LT/LN等压电材料，AlN薄膜材料由于具有高电阻率、高热导率、高稳定性及高声波传输速率等优异物理性能，是5G高性能FBAR/BAW射频滤波器的理想压电材料之一，并已在工业界得到成熟运用。如具有一定的择优取向的AlN薄膜材料的声波速较高（纵波速可达11000m/s，横波速约为6000m/s），这使得AlN薄膜目前被作为GHz高频谐振器件、滤波器件等制备的首选材料。然而，尽管与ZnO、PZT、LT/LN等传统压电材料相比性能优势明显，但AlN薄膜也存在其固有缺点，即沿c
‑
轴方向生长的AlN薄膜的压电系数较小（d33=5~6pm/V），使得基于AlN薄膜的SAW器件性能（特别是在高频频段）的应用遭遇瓶颈。为解决AlN薄膜材料这一瓶颈，并同时保留其他优异特性，一种有效的方法是通过向其掺杂以提升其压电性能。当前通过掺高含量Sc元素有效提高材料压电性能，从而提升滤波器件的机电耦合系数。然而，由于掺高Sc浓度的掺入使得三元氮化物合金的混合熵为正，薄膜处于亚稳态，导致材料本身具有相位分解的倾向。因此，高掺Sc含量、高质量AlScN薄膜的制备条件极为敏感，成为了制约AlScN薄膜材料大批量制造，及其下游大规模工业化应用的重要难题。掺杂高浓度Sc元素(>30at%)后材料相速度会急剧降低，导致滤波器件频率下降，同时在薄膜表面容易产生异常形核，结晶质量急剧下降，表面粗糙度严重恶化，温度稳定性降低，难以制备高频高性能SAW/BAW器件。

技术实现思路

[0004]基于上述Sc掺杂AlN模板目前存在的技术问题，本专利技术拟提供一种多层结构、以碳化硅为基底的AlScN模板结构及其制备方法，以解决AlN高Sc浓度掺杂后，材料相速度急剧降低以及异常形核、表面粗糙度大、温度稳定性低等问题。
[0005]为了达到上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案。
[0006]本专利技术提供了一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板，该碳化硅基AlScN模板为多层结构，以碳化硅为衬底，在碳化硅的抛光面上依次生长有SiO2层、金属钝化层、AlN种子层、低浓度Sc掺杂的AlScN层以及高浓度Sc掺杂的AlScN层。其中，SiO2层膜厚为10
‑
1000nm、金属钝化层膜厚为5
‑
1000nm；AlN种子层膜厚为10
‑
5000nm；低浓度Sc掺杂的AlScN层膜厚为10
‑
5000nm，化学式Al1‑
x
Sc
x
N，其中x≤0.3；高浓度Sc掺杂的AlScN层膜厚为10
‑
5000nm，化学式Al1‑
y
Sc
y
N，其中0.3≤y≤0.6。
[0007]进一步地，所述碳化硅基AlScN模板频率温度系数低于
‑
14.73ppm/K，相速度达到5500m/s以上。
[0008]本专利技术还提供了制备上述碳化硅基AlScN模板的方法，包括步骤如下：1）准备碳化硅衬底；碳化硅衬底采用单面抛光的单晶片，粗糙度小于0.3 nm。采用碳化硅作为衬底材料，能够提供较高的相速度。
[0009]2）碳化硅衬底表面进行预处理：采用离子轰击法，去除表面氧化物和污染物；3）在预处理后的碳化硅衬底表面制备SiO2层；SiO2层温度稳定性好，能够增强碳化硅基AlScN模板的温度稳定形，降低温度频度系数。
[0010]4）在SiO2层上制备金属缓冲层；金属缓冲层可有效钝化SiO2薄膜，有效防止在后面生长AlN种子层时与SiO2形成非晶的SiNx。金属缓冲层可以是金属Al层或者金属钨层。
[0011]5）在金属缓冲层上制备AlN种子层；AlN种子层可以弥补AlScN相速度缺失，同时与AlScN晶格失配更小，提高AlScN层的结晶质量、减少异常形核，降低表面粗糙度，提高压电等性能。
[0012]6）在AlN种子层上制备低Sc浓度的Al1‑
x
Sc
x
N层，其中x≤0.3；在AlN种子层上先生长一层低Sc浓度的AlScN层，相比直接在种子层上形成高Sc浓度AlScN层,可以避免Sc元素提前析出，降低最后一个垒层与其之间的价带势垒差，即降低两者之间的晶格失配，避免引入大应变和极化场，减小了电子阻挡层价带形成的势垒尖峰，减少了空穴注入的阻碍。
[0013]7）在所述低Sc浓度的Al1‑
x
Sc
x
N层上制备高Sc浓度的Al1‑
y
Sc
y
N层，0.3≤y≤0.6。提高碳化硅基AlScN模板压电性能。
[0014]进一步地，上述步骤5）生长AlN种子层，采用MOCVD法或者磁控溅射法。
[0015]进一步地，上述步骤6）、7）制备低Sc浓度的Al1‑
x
Sc
x
N层或者高Sc浓度的Al1‑
y
Sc
y
N层，采用磁控溅射法。
[0016]优选的，步骤6）中，采用磁控溅射法，制备工艺如下：氮气流量为5
‑
400 sccm，氩气流量为5
‑
400 sccm，腔室内总气压为0.1
‑
10pa，溅射功率为0.1
‑
15 KW，温度30
‑
1000℃；优选的，步骤7）中，采用磁控溅射法，制备工艺如下：氮气流量为5
‑
400 sccm，氩气流量为5
‑
200 sccm，腔室内总气压为0.1
‑
5pa，溅射功率为0.1
‑
15 KW，温度30
‑
600℃。
[0017]本专利技术的有益效果如下：采用本专利技术的制备方法，可以制备高结晶质量、高相速度、低表面粗糙度、高温度稳定性、高Sc浓度的AlScN薄膜。相比传统Si衬底，采用碳化硅衬底可以减小晶格失配带来的不利影响，同时能够提供较高的相速度。采用SiO2层，能够弥补高Sc浓度AlScN薄膜温度稳定差的弊端。在SiO2薄膜上生长Al层能够有效钝化SiO2薄膜，防止形成非晶的SiN
x
，同时为下一步生长AlN提供一层缓冲层。在Al层上生长AlN种子层，与AlScN晶格失配更小，能够提高结晶质量，并且能够有效抑制异常形核的产生，同时能够弥补AlS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板，其特征在于：所述碳化硅基AlScN模板为多层结构，以单晶碳化硅为衬底，在碳化硅的抛光面上依次生长有SiO2层、金属钝化层、AlN种子层、低浓度Sc掺杂的AlScN层以及高浓度Sc掺杂的AlScN层；其中：所述低浓度Sc掺杂的AlScN层化学式为Al1‑
x
Sc
x
N，其中x≤0.3；所述高浓度Sc掺杂的AlScN层化学式为Al1‑
y
Sc
y
N，其中0.3≤y≤0.6。2.根据权利要求1所述一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板，其特征在于：所述SiO2层膜厚为10
‑
1000nm、所述金属钝化层膜厚为5
‑
1000nm；所述AlN种子层膜厚为10
‑
5000nm；所述低浓度Sc掺杂的AlScN层膜厚为10
‑
5000nm；所述高浓度Sc掺杂的AlScN层膜厚为10
‑
5000nm。3.根据权利要求1所述一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板，其特征在于：所述碳化硅基AlScN模板频率温度系数低于
‑
14.73ppm/K，相速度达到5500m/s以上。4.制备如权利要求1
‑
3任一项所述一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板的方法，其特征在于，包括步骤如下：1）准备碳化硅衬底；碳化硅衬底采用单面抛光的单晶片；2）碳化硅衬底表面进行预处理；3）在预处理后的碳化硅衬底表面制备SiO2层；4）在SiO2层上制备金属层；5）在金属层上制备AlN种子层；6）在AlN种子层上制备低Sc浓度的Al1‑
x
Sc
x
N层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴亮，付丹扬，王琦琨，龚建超，
申请(专利权)人：奥趋光电技术杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：