CN114855280A - 一种在硅上制备高质量无裂纹氮化铝薄膜的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在硅上制备高质量无裂纹氮化铝薄膜的方法及其应用。本发明通过MOCVD在Si衬底上高温外延生长AlN，接着维持高温，在其上外延GaN帽层，利用AlN较GaN更小的晶格常数向薄膜体系施加压应力，以补偿降温过程中的热张应力，随后再将GaN帽层去除，从而获得具有一定厚度且不开裂的高质量AlN薄膜。该方法简捷有效，将所制备的AlN基材料应用于薄膜体声波谐振器，有助于提升器件性能。
Description
技术领域
本发明属于薄膜体声波谐振器技术领域，特别涉及一种在硅上制备高质量无裂纹氮化铝薄膜的方法及其应用。
背景技术
滤波器作为射频前端的组成模块之一，其主要功能在于选择性地过滤特定频段的收发信号，降低干扰信号的影响，因此其直接决定了通信设备的工作频段和带宽，在射频前端中扮演了举足轻重的角色。随着信息化社会以及通讯应用的发展，对传输速率以及频率更高的追求对滤波器性能提出了更高的要求。具体来说，伴随5G通信极高的数据传输能力而来的是对滤波器高带宽的需求。另外，当下对各种通信制式的支持使得现代智能手机中需要的滤波器数量成倍上升。表面声波(SAW)滤波器以及大体积介质滤波器已无法满足手机终端、微基站等对高频、微型的要求，而薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器具有体积小、损耗低、可集成、高品质因数、高带外抑制、高工作频率和高功率承受能力等优点，因此成为既满足5G高频需求又能满足射频前端模块化集成的5G射频滤波器。
氮化铝(AlN)因其优异的材料特性如高的压电系数、稳定的化学性质、低的温度系数等，是当前FBAR首选的压电材料。而由于FBAR采用的是空腔型结构，因此基底材料的选择对其性能影响不大，能起到载体的作用即可，故硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、蓝宝石(Al2O3)、铌酸锂(LiNbO3)及一些有机膜料等均可以作为基底材料，但是考虑到成本、实用性以及与IC的集成性等因素，常选用Si来作为基底材料。另外，FBAR作为体声波滤波器(BAW)，其声波沿厚度方向纵向传播，故要求AlN材料有很好的(002)取向。因此综上所述，在Si衬底上制备高质量的(002)择优取向的AlN薄膜是获得高性能FBAR器件的关键技术之一。
目前Si上AlN基滤波器用材料多采用射频磁控溅射的方法制备，但所获取的薄膜通过X射线摇摆曲线的测试得到其半高宽普遍较大，反映了其较差的晶体质量。采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)则可在Si衬底上制备出具有较高质量的AlN外延薄膜，但也存在较为棘手的问题，即高温外延生长后的降温过程中由于衬底与外延层间热膨胀系数的差异导致薄膜中存在有大的张应力从而导致薄膜大于一定厚度(如200nm)后易开裂。而FBAR用AlN基材料对于其自身厚度以及表面状况往往也存在着相应要求(如厚度需要在500nm至1.5μm之间，表面无裂纹)，因此亟待提出一种能在维持低成本的基础上制备具有一定厚度，且高质量不开裂的AlN薄膜的方法，这对于提高FBAR器件性能，推动其进入大体量的5G终端市场有着重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种在硅上制备具有一定厚度且不开裂的高质量AlN薄膜的方法，通过MOCVD在Si衬底上高温外延生长AlN后，维持高温，接着在其上外延一层薄层氮化镓(GaN)，利用AlN较GaN更小的晶格常数向薄膜体系施加压应力，以补偿降温过程中的热张应力，随后降温，再采取适当方法将GaN帽层去除，从而获得具有一定厚度且不开裂的高质量AlN薄膜。
具体的，本发明提供的技术方案是：
一种在硅上制备具有一定厚度的高质量无裂纹AlN薄膜的方法，通过MOCVD在Si衬底上外延生长AlN后，再外延一层GaN帽层，之后再将其去除，具体包括如下步骤：
1)将Si衬底放入MOCVD生长腔室中，在升温以及原位烘烤后，高温外延生长所需厚度的AlN层；
2)维持高温，接着在AlN层上外延生长一定厚度的GaN帽层；
3)降温后采取适当方法，包括但不限于刻蚀、研磨、抛光减薄等，将GaN帽层去除，得到硅上AlN薄膜。
上述步骤1)中，烘烤温度优选为900℃～1100℃，在50～300mbar压力的H2氛围下对Si衬底进行原位烘烤，烘烤时间为5～20分钟。
上述步骤1)中，在一定温度、反应室压力、生长速度和V/III条件下，外延生长一定厚度的AlN层。优选的，外延生长温度为800℃～1200℃，更优选为850-1100℃；反应室压力为50～200mbar，更优选为50-100mbar；生长速度为0.1～0.5μm/h，更优选为0.2～0.4μm/h；V/III为100～10000，更优选为2000～8000；外延生长厚度为500～1500nm的AlN层。
上述步骤2)中，在一定温度、反应室压力、生长速度和V/III条件下，外延生长一定厚度的GaN层。优选的，生长温度为900℃～1100℃，更优选为950-1050℃；反应室压力为50～300mbar，生长速度为0.5～3μm/h，V/III为500～5000，外延生长厚度为50～300nm(更优选为100～250nm)的GaN帽层。
本发明提供的制备具有一定厚度的高质量无裂纹AlN薄膜的方法，通过GaN帽层的生长向薄膜体系提供压应力以补偿降温过程中产生的热张应力，从而起到防止具有一定厚度的AlN薄膜在降温过程中开裂的作用。该方法简捷有效，对于提升FBAR用AlN基材料的质量以及提升器件性能将发挥重要作用。
附图说明
图1是本发明在Si衬底上生长的具有一定厚度且不开裂的高质量AlN薄膜结构的示意图，其中，1—Si衬底；2—AlN层；3—GaN帽层。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供的制备具有一定厚度的高质量无裂纹AlN薄膜的方法，核心在于在AlN上再外延生长一层GaN帽层以防止热张应力使薄膜开裂。
实施例1
参见图1，通过以下步骤制备AlN薄膜：
A.选择Si衬底1放入MOCVD反应室中，Si衬底1的阻值为0.02欧姆·厘米(Ω·cm)，厚度为975μm；
B.将反应室升温至1000℃，在67mbar的反应室压力和H2氛围下，对衬底进行5min的原位烘烤；
C.在1060℃的反应室温度和53mbar的反应室压力下，以4880的V/III和0.27μm/h的生长速度生长AlN层2，其厚度为500nm；
D.在1000℃的反应室温度和67mbar的反应室压力下，以735的V/III和0.65μm/h的长速继续生长GaN帽层3，其厚度为200nm；
E.降温后采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀的手段将GaN帽层3刻掉，从而获得FBAR用Si上AlN材料。
实施例2
参见图1，通过以下步骤制备AlN薄膜：
A.选择Si衬底1放入MOCVD反应室中，Si衬底1的阻值为0.02欧姆·厘米(Ω·cm)，厚度为975μm；
B.将反应室升温至1000℃，在67mbar的反应室压力和H2氛围下，对衬底进行5min的原位bake；
C.在1040℃的反应室温度和53mbar的反应室压力下，以2350的V/III和0.23μm/h的生长速度生长AlN层2，其厚度为800nm；
D.在1020℃的反应室温度和67mbar的反应室压力下，以735的V/III和0.65μm/h的生长速度继续生长GaN帽层3，其厚度为250nm；
E.降温后采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀的手段将GaN帽层3刻掉，从而获得FBAR用Si上AlN材料。
本发明采用独特的在AlN上外延生长GaN帽层的方法，可有效解决具有一定厚度的AlN薄膜的开裂问题，从而有助于获得高质量AlN材料，提升FBAR滤波器的性能。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，而本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附的权利要求的范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。因此，本发明的保护范围当以所附的权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种在硅上制备无裂纹AlN薄膜的方法，包括以下步骤：
1)将Si衬底放入MOCVD生长腔室中，对Si衬底进行原位烘烤后，高温外延生长所需厚度的AlN层；
2)维持高温，在AlN层上外延生长GaN帽层；
3)降温后将GaN帽层去除，得到硅上AlN薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)先升温至900℃～1100℃，在50～300mbar压力的H2氛围下对Si衬底进行原位烘烤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)在生长温度为800℃～1200℃，反应室压力为50～200mbar，生长速度为0.1～0.5μm/h，V/III为100～10000的条件下外延生长AlN层。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)在Si衬底上外延生长厚度为500～1500nm的AlN层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)在生长温度为900℃～1100℃，反应室压力为50～300mbar，生长速度为0.5～3μm/h，V/III为500～5000的条件下外延生长GaN帽层。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)在AlN层上外延生长厚度为50～300nm的GaN帽层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)外延生长的GaN帽层的厚度为100～250nm。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)采用刻蚀、研磨和/或抛光减薄的方法将GaN帽层去除。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的方法制备的硅上无裂纹AlN薄膜。
10.权利要求9所述的硅上无裂纹AlN薄膜在薄膜体声波谐振器中的应用。
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