[发明专利]一种高频高性能SAW器件用碳化硅基AlScN模板及制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种铝钪氮模板结构及其制备方法。

背景技术

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。

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。

发明内容

基于上述Sc掺杂AlN模板目前存在的技术问题，本发明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。

为了达到上述发明目的，本发明提供以下技术方案。

本发明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Al_1-xSc_xN，其中x≤0.3；高浓度Sc掺杂的AlScN层膜厚为10-5000nm，化学式Al_1-ySc_yN，其中0.3≤y≤0.6。

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。

本发明还提供了制备上述碳化硅基AlScN模板的方法，包括步骤如下：