Auswirkungen von Sc-Gehalt, Sauerstoffgehalt und Abscheidungstemperatur auf ScAlN
Einzelziel-RF-Sputtern, 200 Grad, Bodendruck 1,0*10-4 Pa, Zielgröße 152,4 mm, Sc eingebettet in Al-Ziel, Sputterleistung 1500 W, N2-Konzentration 40 %
Doppeltarget-RF-Co-Sputtern, 400 Grad, Bodendruck 1,2 * 10-6 Pa, Targetgröße 50,8 mm
Bei BAW-Resonatoren wird zunächst {{0}},5 µm Cu auf der Oberfläche des Substrats abgelagert und als Opferschicht für den Luftspalt strukturiert. Eine 0,9 µm piezoelektrische Schicht, 0,15 µm Pt/Au/Pt obere und untere Elektrodenschichten und 0,1 µm PECVD SiN werden als Schutzschichten auf der Ober- und Unterseite der Sandwichstruktur angebracht.
Um den piezoelektrischen Koeffizienten zu testen, wird ein piezoelektrischer Film mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ohm∙ cm direkt auf einem Siliziumsubstrat abgelagert, gefolgt von einer Ti-Oberelektrode.
d33 wurde mit dem PM300 Piezotest gemessen, während d31 mithilfe einer Waferbiegemethode ermittelt wurde, bei der ein in z-Richtung auf den Film angelegtes Wechselstromfeld Spannungen in der xy-Ebene induziert und dadurch die Form des Substrats verändert. Die Substratverformung wurde mit einem Laser-Doppler-Vibrometer gemessen.
Der Streufaktor S11 wird mit einem Netzwerkanalysator und einer Detektionsstation mit Heizstufe gemessen. Die Streufaktoren wurden bei 23, 50 und 85 Grad gemessen und die Antiresonanzfrequenz sowie der Temperaturkoeffizient der elastischen Steifigkeit berechnet. Die aus den Messdaten des BAW-Resonators extrahierten piezoelektrischen Eigenschaften werden mit dem Mersenne-Ersatzschaltbildmodell (Übertragungsleitung) analysiert.
Der Maximalwert von d33 beträgt 28 pC/N von Sc0.4Al0.6N und der Maximalwert von -d31 beträgt 13 pm/V von Sc0.4Al0.6N.
Die relative Bandbreite beträgt 2(fp-fs)/(fp+fs)(%)
Elektromechanischer Kopplungskoeffizient k2=π2/4(fs/fp)(fp-fs)/fp (%)
Im Vergleich zu AlN ist der elektromechanische Kopplungskoeffizient von Sc{{0}}.35Al0.65N um das 2,6-fache erhöht und erreicht 15,5 %. Die niedrigere Resonanzfrequenz weist darauf hin, dass die elastische Steifigkeit geringer ist. Die relative Bandbreite von Sc0.35Al0.65N nimmt zu, aber der Temperaturkoeffizient der Antiresonanzfrequenz nimmt zu.
Longitudinalschallgeschwindigkeit VL=(c33/ρ)1/2
Im Vergleich zu AlN hat Sc{{0}}.35Al0.65N einen größeren piezoelektrischen Koeffizienten d33 und einen größeren Temperaturkoeffizienten der elastischen Steifigkeit sowie eine geringere longitudinale Schallgeschwindigkeit. Im Vergleich zu ZnO hat Sc0.35Al0.65N jedoch einen größeren piezoelektrischen Koeffizienten d33 und eine größere longitudinale Schallgeschwindigkeit sowie einen geringeren Temperaturkoeffizienten der elastischen Steifigkeit.
Mit zunehmendem Sc-Gehalt steigt a, c/a sinkt und die longitudinale Schallgeschwindigkeit nimmt ab.
ScxAl{{0}}xN (x =0, 0.1, 0.2, 0.3)-Dünnschichten wurden durch DC-Co-Sputtern auf Al2O3 (0001)-Wafer/TiN (111)-Keimschicht/Elektrodenschicht aufgebracht. Der Bodendruck beträgt 6*10-7Pa, der Prozessdruck 0,17Pa, 30 SCCM Ar und 19,8 SCCM N2 und der Zieldurchmesser beträgt 5 cm. Die Dicke der TiN-Keimschicht betrug 100–200 nm, die gesamte Sputterleistung betrug 150 W und die Substrattemperaturen lagen bei 400, 600 und 800 Grad. Die IV-Teststruktur besteht aus Au/Cr/ScxAl1-xN/TiN/Al2O3. Zum Testen der piezoelektrischen Eigenschaften werden Doppelstrahlinterferometrie (DBI) und Piezoresponse-Kraftmikroskopie (PFM) verwendet.
Die Gitterfehlanpassung zwischen TiN (d(101)= 3.00 A˚) und AlN (a=3.11 A˚) beträgt 3,67 %, und der a-Wert von Sc0.2Al0.8N beträgt 3,23 A. Eine größere Gitterfehlanpassung führt zu einer schlechteren Kristallqualität. Die Gitterfehlanpassung zwischen ZrN (d(101)= 3.27 A˚) und Sc0.2Al0.8N beträgt 1,2 %. Die Qualität des auf ZrN gewachsenen Sc0,2Al0,8N-Kristalls hat sich jedoch nicht verbessert, was möglicherweise mit der Oberflächenrauheit und den Atomen zusammenhängt. Zusammenhängend mit der Mobilität auf der Keimschicht.
Der Leckstrom von AlN ist extrem gering und ändert sich nicht mit der Abscheidungstemperatur. Der Leckstrom von bei 400 Grad gewachsenem ScAlN ist ebenfalls sehr gering. Der Leckstrom von über 400 Grad abgeschiedenen Filmen steigt mit steigender Abscheidungstemperatur und Sc-Gehalt. Strukturelle Verschlechterung und Phasentrennung durch hohe Substrattemperaturen beeinträchtigen die Kristallqualität und die dielektrischen Eigenschaften dünner Filme.
Sputterprozess
Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt verschlechtert sich die Orientierung von AlN, die Halbwertsbreite nimmt zu, die Wachstumsrate nimmt ab und die piezoelektrischen Eigenschaften ändern sich, was zu Änderungen der Polarisationsrichtung führen kann. Der Sauerstoffgehalt im Film steigt ebenfalls dramatisch an.
Hochwertige Scandium- und AlSc-Sputtertargets sind die wichtigsten Materialien zur Herstellung von ScAlN-Dünnschichten. HNRE hat erfolgreich fortschrittliche Technologien zur Herstellung von Scandium-Sputtertargets mit niedrigem Sauerstoffgehalt und hoher Reinheit sowie Aluminium-Scandium-Sputtertargets entwickelt. Bei unseren AlSc-Sputtertargets kann der Sc-Gehalt bis zu 40 Atom-% betragen, mit sehr homogener Verteilung und Kornausrichtung. HNRE bietet auch andere Formen von ScAlN-Vorläufermaterialien wie ScN- und AlScN-Pulver oder andere Sc-Verbindungen.