[发明专利]一种高质量掺钪氮化铝薄膜模板的制备方法

说明书

本发明提供了一种高质量掺钪氮化铝薄膜模板的制备方法，包括如下步骤：S1、准备衬底；S2、在所述衬底上采用镀膜技术沉积薄膜过渡层；S3、采用高温面对面热处理技术对所述薄膜过渡层在纯氮气气氛下进行高温热处理形成高质量缓冲层；S4、采用反应式磁控溅射沉积法在所述缓冲层上沉积掺钪氮化铝薄膜。使用本发明的方法，能制备出高结晶性能的掺钪氮化铝薄膜，解决了高Sc浓度的掺入对氮化铝薄膜取向严重恶化的重要难题，并能实现不同膜厚下远超现有技术水平的结果，为更高频、增强型压电响应、更高机电耦合系数及更高Q值的SAW/BAW器件应用奠定了坚实的基础。

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种高质量掺钪氮化铝薄膜模板的制备方法。

背景技术

氮化铝(AlN)是广泛应用于声波电子器件领域的一种六方纤锌矿结构的III-V族氮化物，其直接带隙宽(禁带宽度＝6.2eV)较大，能与CMOS工艺兼容且具有高导热率。此外，由于氮化铝薄膜的声表面波(SAW)相速度高、材料温度系数(TCD)低等自身的特性，氮化铝薄膜在过去30年的时间里获得了飞速的发展。但由于AlN薄膜的横向有效机电耦合系数相对较小(≈0.5％)，其应用受到了限制。为了改善其机电耦合系数，而同时保留其他优良特性，一种有效的方法是向其掺杂产生一种新的三元氮化物，利用其它III族氮化物以及过渡金属来实现该目的。钪是IIIB族的元素，通常被认为是一种过渡金属。通常情况下，钪以ScN化合物的形式稳定存在，具有立方晶系盐石结构，由于钪原子与Al原子的大小相仿，且具有过渡金属所具有的稳定性，是当前副族元素研究的重点。

掺钪氮化铝薄膜在体声波器件(BAW)和SAW中具有突出的应用前景。例如，日本名古屋工业大学的Yanagitani和电装集团的Arakawa等人合作，使用射频磁控溅射设备分别制备了c轴优选取向(c轴垂直于基板表面)和c轴倾斜33°取向的高浓度掺钪氮化铝薄膜。通过拟合制备的体波器件，测得的利用c轴优选取向的掺钪氮化铝薄膜制备的器件的k₃₃²和k₁₅²分别可以达到15％和10％，这两个数值分别是使用无掺杂氮化铝薄膜制备的器件的2倍和1.4倍。日本千叶大学的Fujii教授研究团队采用高钪合金靶材(Sc_0.43-Al_0.57)获得具有32at％Sc浓度的高c轴取向ScAlN薄膜，XRD(0002)摇摆曲线半高宽为3.25°(11700弧秒)，并证明了基于ScAlN/Si结构的单端口表面声波(SAW)谐振器在2GHz时的K²值为1.7％，是AlN/Si结构的四倍。瑞典林雪平大学的Wingqvist研究团队还给出了当钪掺杂浓度分别为10％，20％，30％时，厚度谐振压电系数k_t²将由7％增大到7.5％，10％，15％的实验结果。同时，瑞典乌普萨拉大学的Meira研究团队使用双靶直流磁控溅射设备溅射了钪浓度分别为0％，3％，9％和15％的掺钪氮化铝薄膜，制备了FBAR器件，测得的有效机电耦合系数K_eff²分别为5.50％，6.89％，9.50％和12.07％(对应的厚度谐振压电系数分别为6.16％，7.55％，9.53％和12.00％)。日本千叶大学的Hashimoto教授研究团队首次使用高掺钪浓度的氮化铝薄膜(XRD(0002)摇摆曲线半高宽为1.7°(6120弧秒))制备了SAW器件，并通过拟合获取了器件的性能参数。实验表明，当钪浓度为46％，且基底为单晶金刚石时，制备的SAW器件具有较好的性能，实验结果证实了基于掺钪氮化铝薄膜的SAW器件具有作为高品质因数、宽带和能够工作于2GHz以上的高频频段的巨大潜力。