[发明专利]沉积方法、含添加物的氮化铝膜及包括该膜的压电器件

说明书

本发明提供了一种通过脉冲DC反应溅射沉积含添加物的氮化铝膜的方法，该氮化铝膜含有选自Sc、Y、Ti、Cr、Mg和Hf中的至少一种添加元素，该方法包括以下步骤：利用施加至膜基底的电偏压功率，通过脉冲DC反应溅射在所述膜基底上沉积所述含添加物的氮化铝膜的第一层；以及未对所述膜基底施加电偏压功率或利用施加至所述膜基底的比在溅射沉积所述第一层期间所施加的电偏压功率低的电偏压功率，通过脉冲DC反应溅射在所述第一层上沉积所述含添加物的氮化铝膜的第二层，所述第二层与所述第一层具有相同的组成。

技术领域

本发明涉及通过脉冲DC反应溅射沉积含添加物的氮化铝膜的方法。本发明还涉及该膜自身及包括这些膜的压电器件。

背景技术

AIN薄膜的生产是令人感兴趣的，这尤其归因于它们的压电特性。一个重要的潜在应用是用于体声波(BAW)谐振器中。BAW器件由夹在两个电极之间的谐振压电层(通常为氮化铝)组成。由于它们可用来制造高抑制、低损耗、温度漂移非常低的低成本小型精密滤波器，所以其是移动通信工业的技术推动者。主要由于溅射的氮化铝具有常见的四面体结合的二元半导体中最高的压电常数，故其广泛用于BAW滤波器的制造中。然而，存在的不足为：氮化铝膜本身的机电耦合系数相当低，导致含氮化铝的滤波器可实现的带宽受到限制。

为了改进氮化铝薄膜的压电特性，已设想并入金属添加物(如Sc、Y、Ti、Cr、Mg和Hf)。例如，可以钪并入到合金中来替代铝。Sc-N键为0.35A，比Al-N键长1.9A要长，由此键长的差异使得膜中产生了应力。可变化的键长带来的结果是合金材料变得更软。然而，较大的晶胞会显著改善机电耦合系数。这可由图1看出，图1显示了Al_93.9Sc_6.1N与纯氮化铝膜相比的机电耦合系数(以应力的百分比表示)。当膜应力为零时，Al_93.9Sc_6.1N膜的机电耦合系数约为8％，相比之下，纯氮化铝膜的机电耦合系数为6.2％。这表明机电耦合系数相对提高了约30％。应当知晓的是，当用Al_100-xSc_xN的形式来表示组合物时，值_100-x和_x用百分比来表示，并且，_x作为百分比与计量化学术语中的_0.0x等同。

从图1中还可看出：较高的机电耦合系数通过拉伸性更强的膜来实现。然而高应力的膜易于裂开和脱落，而不适合BAW的大规模制造。这会对后续制造过程中的可靠性带来问题。据观察，对于厚度超过约300mm的AlScN膜的另一个问题是：随着钪含量的增加其构建质量随之劣化。这表现为从膜表面突出的无序晶粒的形成而导致的粗糙表面。三元氮化物Al_100-xSc_xN中，存在几种竞争的稳定相。然而，纤锌矿Al_100–xSc_xN形式处于非平衡状态。因此，(例如在晶界上)应力或钪浓度的微小变化可以可替代的晶体取向相对容易地成核。例如，在图2中我们示出了一个典型的1.5微米氮化铝薄膜的SEM图像(a)以及使用相同PVD沉积参数沉积的1.5微米Al₉₄Sc₆N膜的SEM图像。尽管，图2(a)中示出的氮化铝膜是光滑、无缺陷且相对无特点的，但是图2(b)示出的三元钪合金形成的膜具有嵌入在膜中的高密度棱锥形微晶。这些缺陷降低膜的耦合系数和品质因子。此外，这些缺陷会给后续下游处理(例如膜光刻/蚀刻及膜顶层上沉积后续层)带来问题。尽管存在显著的缺陷水平，AlScN膜展示出良好的c轴取向并且低于1.5°测量的XRD(0002)FWHM(半高宽)可与纯氮化铝膜的结果相媲美。这证实了若是能够找到一种能够降低缺陷水平的方法，则该溅射的AlScN薄膜可为用于制造高性能BAW滤波器的优秀候选。为了实现高容量、商业化BAW的生产，需要每100平方微米小于20的缺陷水平。最终商业化的更进一步的条件是该方法能以经济上可实现的方式来进行。

发明内容

在至少一些实施方式中，本发明解决了上述问题中的一个或多个。