CN109936343A

CN109936343A - 一种saw谐振器及其制备方法

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Publication number: CN109936343A
Application number: CN201910197046.XA
Authority: CN
Inventors: 杨成韬; 张必壮
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2019-06-25

Abstract

本发明提供一种SAW谐振器及其制备方法，属于微电子器件及制备技术领域。本发明谐振器将ErScAlN薄膜作为压电薄膜层进行电信号与声信号之间相互转换以实现滤波。由于ErScAlN薄膜中Er和Sc的相互作用使得材料本身机电耦合系数提高，进而使得器件在保持高声速的同时基于相同的线宽条件表现出高的有效机电耦合系数。另外，本发明通过调整ErScAlN薄膜中掺杂元素的含量可实现有效机电耦合系数的调节，进而得到不同的带宽，无需增加光刻工艺的难度，同时也利于实现微电子器件集成。本发明设计的谐振器件具有高频、宽带宽和温度稳定性高的优势，且生产工艺与现有工艺相兼容，原料成本低，适于大规模推广应用。

Description

一种SAW谐振器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子器件及制备技术领域，具体涉及一种SAW谐振器及其制备方法。

背景技术

随着第五代无线通信技术解决方案的成熟，智能手机需要增加滤波器来支持不断上升的频带数目，频带密集使得系统中上行之间的干扰问题变得突出。为了保证频谱之间的高质量数据通信，一款典型的高端智能手机至少需要配备50个射频前端滤波器。而随着通信技术的不断升级(5G手机)以及诸如载波聚合(CA)、多输入多输出(MIMO)等新技术的部署，通信频段不断增加，这个数字将呈现持续猛烈的增长态势。氮化铝薄膜基体声波(FBAR)谐振器由于其高Q和小型化，目前正在主导更适用于高频(>2.5GHz)波段过滤市场。然而，FBAR谐振器仍然存在不可忽视的缺点，主要就在于其谐振频率只能通过改变谐振器组的物理厚度来调整。但是实现氮化铝压电薄膜厚度的精确控制不仅难度大而且成本高，并且这种对于薄膜厚度的精确控制意味着集成两个以上的滤波器或双工器需要使用二次集成方案，这样在一个小范围内容纳上百个滤波器对FBAR技术来说是一个巨大的挑战。

声表面波(SAW)谐振器是利用压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能式无源带通滤波器。SAW谐振器因其体积小、抗辐射能力强、高速、低功耗和高可靠性，使其在通信电路设计中越来越受到重视。SAW谐振器的谐振频率可通过光刻技术在很宽的范围内进行精准调谐，并且其具有较小的形状系数、低连接损耗和较低的成本，非常适于不同频率滤波器的单片集成。然而，薄膜基SAW谐振器要想实现与FBAR谐振器相同性能水平则面临非常大的困难。现阶段手机中使用的SAW双工滤波器所采用的压电材料多为固有机电耦合系数大的单晶物质，诸如LiNbO₃或LiTaO₃晶体。LiNbO₃或LiTaO₃晶体声速低，并且随着温度升高发生软化，容易导致滤波器发生较大的频移。工业上一般采用SiO₂温度补偿的方法来解决上述温漂问题，但随之而来的是这种方法会大幅度减小谐振带宽。而随着无线通信技术的发展，目前这种SAW滤波器只适用于低频窄带场合，并且基于单晶基片形成的滤波器只能作为分立器件，难以实现微电子集成，同时还面临成本较高的问题。故而，如何满足目前和未来移动通信对高频、宽带声学滤波器的要求已然成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

Gongbin Tang等人在《Enhancement of effective electromechanicalcoupling factor by mass loading in layered surface acoustic wave devicestructures》这篇文章中提到，SAW滤波器的有效机电耦合系数(k² _eff)是影响器件带宽和插入损耗的主要因素。SAW器件的k² _eff与电路的设计有关，例如叉指电极的厚度和波长λ，但更大程度上取决于材料的压电系数和机电耦合性系数。目前在基片上最常用的压电薄膜材料主要是ZnO、AlN。据报道，ZnO/金刚石结构能达到10800m/s和12000m/s的高声速，达到了高频应用要求，但是ZnO薄膜活性高，在空气或者潮湿环境下不稳定，并且ZnO薄膜与金刚石的声速差别大，具有较大的插入损耗，会降低器件的稳定性和可靠性。而AlN薄膜凭借其高声速，化学稳定性好、热导率高、高温压电性、硬度大的优势、与CMOS工艺兼容等特点，被广泛应用在高频、高温领域。但是，相比其它压电材料，即便是c轴取向AlN薄膜的压电系数和机电耦合常数(k² _t)仍然很低。因此面临大带宽的需求，必须提高AlN薄膜的k² _t。

现有研究表明，掺钪氮化铝薄膜(即ScAlN薄膜)由于Sc元素的引入能够提高薄膜的压电和机电耦合性能，从而提高SAW和BAW器件的有效机电耦合性能。比如，Wenbo Wang等人在文章《High performance AlScN thin film based surface acoustic wavedevices with large electromechanical coupling coefficient》中指出：在AlN薄膜中掺27at.％的Sc元素后，薄膜的压电系数d₃₃增加，基于瑞利波模式AlN薄膜SAW器件的k² _eff从0.7％提高到2.0％左右。F. Bartoli等在文章《Theoretical and experimental studyof ScAlN/Sapphire structure based SAW sensor》中制备得到的S_c0.1Al_0.9N和Sc0_.18Al_0.82N薄膜/蓝宝石结构SAW器件的有效机电耦合系数最高为1.7％；Satoshi Fujii等《Deposition of ScAIN thin film using RF-sputtering method》采用43at.％ScAl合金靶制备出的ScAlN/Si结构单端谐振器k² _eff可达2.7％，但牺牲了器件的 Q值。Lei Wang等《High performance 33.7GHz surface acoustic wave nanotransducers based onAlScN/diamond/Si layered structures》使用20at.％ScAl合金靶制备的AlScN/diamond/Si结构超高频瑞利波模式SAW器件的k² _eff值在1.21％～2.32％之间。Gianluca Piazza等人在《Piezoelectric aluminum nitride thin films for microelectromechanicalsystems》一文中表明，提高Sc含量能提高AlN薄膜的压电系数和材料的固有k² _t，从而增加器件的k² _eff，进而提高了双工器的带宽。但对AlN进行高含量Sc掺杂并不是提高材料压电系数和机电耦合常数的有效方案，ScAlN 薄膜在显著提升压电性能的同时也给谐振器设计带来了挑战。Takahiko Yanagitani等人发表的发章《Electromechanical coupling andgigahertz elastic properties of ScAlN films near phase boundary》以及SukritiManna等人发表的文章《Tuning the piezoelectric and mechanical properties of theAlN system via alloying with YN and BN》中认为，当Sc超过20at.％，会导致器件的声速衰减损耗过大，大幅度降低Q值。因此，Sc掺杂小于20at.％的ScAlN薄膜更适合作为谐振滤波器件。Enrique Iborra等人在文章《Piezoelectric and ElectroacousticProperties of V-Doped and Ta-Doped AlN Thin Films》的研究结果表明，随着AlN薄膜的晶粒取向相对于c 轴的倾斜度增加，即FWHM变大，器件的k² _eff降低。然而，TakahikoYanagitani等研究发现 Sc含量越高，薄膜越难以实现较高取向的薄膜。这将增加薄膜工艺难度，对沉积设备提出更高的要求。此外，Sc含量的提高会增加器件的成本。

综上所述，本发明基于高频、宽带声学滤波器的要求考虑提高压电薄膜固有机电耦合系数来提高器件工作性能。

发明内容

鉴于现有技术对于高频、宽带声学滤波器的需求，针对现有SAW谐振器所用压电材料存在的问题，本发明提供一种基于高机电耦合系数压电薄膜的SAW谐振器，该谐振器可应用于高频、宽带、高温领域，同时本发明还提供了该谐振器的制备方法，与现有工艺兼容，适于生产应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种SAW谐振器，其结构包括衬底层、设置在所述衬底层上的压电薄膜层以及设置在所述压电薄膜层上的叉指换能器，其特征在于，所述压电薄膜层为c轴取向的ErScAlN薄膜。

进一步地，所述ErScAlN薄膜的XRD图谱摇摆曲线半高宽(FWHM)小于6°。

进一步地，所述ErScAlN薄膜的厚度小于2.5μm，表面粗糙度小于2.4nm。

进一步地，所述ErScAlN薄膜的光频介电常数ε_∞在4～5之间。

进一步地，所述电极层的材料包括Al、Pt、Ti、Au、Mo或者W。

进一步地，所述衬底层的材料优选为α-Al₂O₃。α-Al₂O₃具有高声速，适应器件高谐振频率，同时也改善了衬底层与压电薄膜层的声速差别所带来谐振器插入损耗大的缺陷，提高了器件的稳定性和可靠性。

本发明中SAW谐振器的机电耦合系数随ErScAlN薄膜中Sc和Er元素的掺杂含量而改变。具体地，ErScAlN薄膜中Er和Sc掺杂总量占比为2at.％～30at.％；ErScAlN薄膜中Er和Sc的摩尔比在5∶1～1∶9之间，作为优选方式，ErScAlN薄膜中Er和Sc的摩尔比为1∶ 18～1∶1。

另一方面，本发明还提供了一种SAW谐振器的制备方法，其特征在于，采用溅射法在衬底表面沉积ErScAlN薄膜，然后在所述ErScAlN薄膜表面光刻转移目标导电图案形成叉指换能器，至此完成SAW谐振器的制备。

进一步地，所述溅射法沉积ErScAlN薄膜的具体操作如下：

步骤A：在镶嵌靶上安装金属铒锭、金属钪锭和和金属铝锭，安装完将镶嵌靶和衬底置于反应腔室内；

步骤B：在真空条件下加热所述衬底至溅射温度，向反应腔室中通入工作气体，然后进行溅射，溅射完成后得到ErScAlN薄膜。

进一步地，在步骤A之前还包括对衬底表面进行预处理、反应腔室清洗。

进一步地，在溅射法沉积ErScAlN薄膜的操作过程中，在通入工作气体之前还包括对反应腔室进行除湿处理。

进一步地，所述工作气体为氮气和氩气。

相比现有技术，本发明的有益效果概括如下：

本发明谐振器在保持高声速的同时基于相同的线宽条件也表现出高的有效机电耦合系数，机电耦合性系数水平与现有ScAlN薄膜相等甚至更高，有利于带宽的增加和整机输出功率也得到提高(即插入损耗的降低)，从而提高了器件的工作效率；本发明谐振器不仅有效机电耦合系数高而且适用带宽可调，减轻了光刻工艺的压力；本发明谐振器件具有高频、宽带宽和温度稳定性高的优势。本发明谐振器利于实现微电子器件集成，有利于器件小型化发展趋势；并且本发明谐振器的制备方法使用镶嵌靶可方便实现多种元素掺杂，相比传统合金靶能够实现掺杂浓度的调控，与现有生产工艺相兼容，生产成本低，适于大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明SAW谐振器的制备工艺流程图。

图2为本发明SAW谐振器的器件结构简图。

图3为本发明高机电耦合系数SAW谐振器压电薄膜的膜厚和光频介电常数ε_∞。

图4为本发明高机电耦合系数SAW谐振器压电薄膜的AFM图。

图5为本发明实施1至8制得SAW谐振器的S21曲线图，其中，f₀是叉指电极波长为16μm谐振器的谐振频率，k² _eff为实例对应的有效机电耦合系数。

图6为本发明实施1至8制得SAW谐振器压电薄膜的XRD图谱。

图7为本发明实施1至8制得SAW谐振器中ErScAlN薄膜的掠入射(GIXRD)图谱。

图8为本发明高机电耦合系数SAW谐振器压电薄膜的晶格常数B1/B2与器件k² _eff的关系。

具体实施方式

为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合附图和具体实施例进行详细描述。本发明的内容不局限于任何具体实施例，也不代表是最佳实施例，本领域技术人员所熟知的一般替代也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明提供的SAW谐振器是将ErScAlN薄膜作为压电薄膜层进行电信号与声信号之间相互转换以实现滤波。器件具体是由衬底、设置在衬底表面的ErScAlN薄膜以及设置在 ErScAlN薄膜表面的输入换能器和输出换能器所构成。其中：输入换能器将电信号转换为声信号，沿着压电薄膜表面传播，输出换能器再将接收到的声信号转换为电信号输出，滤波过程就是在电到声和声到电的转换过程中实现。本发明提供的ErScAlN压电薄膜有别于目前压材料，通过Er和Sc共掺杂改进传统AlN压电薄膜的性质，使得器件在保持高声速的同时基于相同的线宽条件也表现出高的有效机电耦合系数。上述良好的器件性能是由于ErScAlN薄膜中Er和Sc的相互作用，从而提高了材料本身的机电耦合系数，进而应用到器件中使其有效机电耦合系数也相应提高。器件有效机电耦合系数的提高不仅有利于带宽的增加，而且整机输出功率也得到提高(即插入损耗的降低)，从而提高了器件的工作效率。并且，本发明通过调整ErScAlN薄膜中掺杂元素的含量可调节器件有效机电耦合系数，进而得到适应不同应用场合的带宽，而无需增加光刻工艺的难度。同时，本发明谐振器的提出也利于实现微电子器件集成，有利于器件小型化发展趋势。此外，本发明谐振器的制备方法使用镶嵌靶可方便实现多种元素掺杂，相比传统合金靶能够实现掺杂浓度的调控，与现有生产工艺相兼容，由于Er的掺杂降低了原料成本，适于大规模推广应用。

实施例1至8：

本实施例提供一种高机电耦合系数SAW谐振器的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：靶材准备

在镶嵌靶上安装金属铒锭、金属钪锭和和金属铝锭，镶嵌孔的尺寸与金属锭的尺寸一致；

步骤2：衬底清洗

分别使用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声清洗单面抛光的(001)单晶α-Al₂O₃，超声时间分别为15min、15min、10min，清洗后的衬底使用氮气吹干；

步骤3：清洁真空腔体

分别使用400目、800目、1200目的金相砂纸打磨腔体内部，然后使用无尘布沾无水酒精清洗腔室；

步骤4：换靶并放入衬底

完成步骤3的腔体清洁后，按照步骤1设计进行金属锭镶嵌，金属锭镶嵌的位置尽量等距分布，然后将镶嵌好的靶材和放在载盘上的衬底置于腔室内，参见图1(a)；

步骤5：优化溅射参数，沉积薄膜层

使用均匀法掌握溅射设备特征，根据设备特征设计正交表；按照正交表参数优化不同掺杂元素和掺杂浓度薄膜的溅射参数；在正交法优化得到参数的基础上，使用溅射气压与氮气含量的比值及其它溅射参数进一步优化，获得表1每个实施例的优化地溅射参数。使用表1 的参数在所述衬底上沉积压电薄膜，参见图1(b)；

步骤6：光刻叉指电极层

在步骤5优化的薄膜表面按照表2设计的叉指电极参数光刻电极图案，参见图1(c)。最终得到未封装的SAW谐振器，参见图2。

表1各实施例中压电层的溅射参数

其中，实施例1的压电薄膜层为纯AlN薄膜，实施例2和8的压电薄膜层分别为单掺杂 Sc和Er的AlN薄膜，实施例3～7的压电层为Er、Sc共掺杂的AlN薄膜，即Er_xSc_yAl_1-x-yN_z压电薄膜(x为Er的摩尔百分比，y为Sc的摩尔百分比，1-x-y为Al的摩尔百分比，z为N的摩尔百分比)，本实施例在保持Al和N含量基本不变的情况下改变Er和Sc的掺杂量来实现晶体结构中金属原子的替换，理论上金属原子和N原子的比例为1∶1，即N的摩尔量默认为1，考虑到工艺导致形成物质为非化学计量比，本实施例将N的摩尔量采用角标z表示。本实施例中通过改变压电薄膜中Er/Sc掺杂比例来调整有效机电耦合系数。

表2各实施例叉指电极的参数。

参数名称	取值
		器件波长	16μm
叉指对数	80
		叉指孔径	2.56mm
叉指间距	8μm
		叉指宽带	4μm
输入和输出IDT的间距	80μm
		反射栅的对数	120
IDT到反射栅的距离	36μm
		电极材料	Al
电极厚度	100nm

图3为本发明实施例1至8制得SAW谐振器压电薄膜的膜厚和光频介电常数ε_∞。其中，实例的薄膜厚度在0.9～2.5μm之间。对于ErScAlN/蓝宝石结构的SAW谐振器，膜厚小，有利于瑞丽波速提高，即中心频率增加；其次，薄膜厚度低，则内应力较小，有利于提高器件的可靠性和小型化。实施例中ErScAlN压电薄膜的介电常数ε_∞较小，在4～5之间，有利于器件介电损耗的降低。

图4为本发明实施例1至8制得SAW谐振器压电薄膜的AFM图。其中，图4(i)为粗糙度与薄膜厚度的关系，薄膜厚度越小，粗糙度也就越小。由于声表面波的能量几乎只在从表面向内部一个波长之内，因此压电薄膜表面粗糙度越小，对声表面波能量的衰减越小。

图5为本发明实施例1至8制得SAW谐振器的S21曲线图，其中，f₀是叉指电极波长为16μm谐振器的谐振频率，k² _eff为实施例对应的有效机电耦合系数。随着ErScAlN薄膜中Er/Sc 比例(Er与Sc的摩尔比)的提高，器件的中心频率下降，结合图3膜厚的变化可知，对于ScAlN 薄膜基SAW器件，随着膜厚减小器件频率相应增加，而从S21曲线可以看到频率并不是增加反而是下降的，因此我们可得出，在ErScAlN薄膜中总掺杂量基本不变的情况下，Er掺杂比例的变化对SAW谐振器性能的影响起主导作用。随着ErScAlN薄膜中Er掺杂比例增加， SAW谐振器的k² _eff先增大再减小。

图6为本发明实施例1至8制得SAW谐振器压电薄膜的XRD图谱。图中各个实施例所对应的半高宽(FWHM)值由图中的(002)峰XRD摇摆曲线测得，即摇摆曲线1/2峰强出的宽度值。FWHM值越小，表明薄膜材料c轴取向度越高，在外加应力作用下，c轴方向上的应变与外加应力耦合更大，从而增大了薄膜的k² _t。

图7为本发明实施1至8制得SAW谐振器中ErScAlN薄膜的掠入射(GIXRD)图谱。图中的实线为拟合的图谱，点图为实际图谱。下表3中的晶胞参数由图6中各个实施例的GIXRD图谱拟合得出。

表3各实施例的晶胞参数数据

表3中χ²为各个实施例的卡方检验拟合优度。一般来说，拟合优度小于2.0表明拟合数据可信。晶格常数a、c，键长B2、B1以及键角α、β在图7中的晶胞结构简图上标出。

图8为本发明SAW谐振器压电薄膜的晶格常数B1/B2与器件k² _eff的关系。其中，左图为晶胞结构简图。由此可知，B1/B2与SAW谐振器的k² _eff成反比，实施例6可能是器件工艺导致k² _eff数据较低。当Er/Sc比例为1∶9时，B1/B2值最小，k² _eff最大。由晶体结构关系可知， B1/B2值最小时，晶体的键角α最小。因此，Er_0.01Sc_0.09Al_0.90N_z薄膜的晶体中局部纤锌矿晶体结构与六方ScN结构最接近，从纤锌矿结构变化为六方非极性结构的势能高度下降，C₃₃最小，使得Er_0.01Sc_0.09Al_0.90N_z薄膜对外界应力有更大的响应，进一步提高了Sc_0.10Al_0.90N_z薄膜的k² _t，从而使得制备出的SAW谐振器具有更高的k² _eff值。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims

1.一种SAW谐振器，其结构包括衬底层、设置在所述衬底层上的压电薄膜层以及设置在所述压电薄膜层上的声电换能器，其特征在于，所述压电薄膜层为c轴取向的ErScAlN薄膜。

2.根据权利要求1所述的SAW谐振器，其特征在于，所述ErScAlN薄膜的XRD图谱摇摆曲线半高宽(FWHM)小于6°；所述ErScAlN薄膜的厚度小于2.5μm，表面粗糙度小于2.4nm，光频介电常数ε_∞在4～5之间。

3.根据权利要求1所述的SAW谐振器，其特征在于，所述电极层的材料包括Al、Pt、Ti、Au、Mo或者W。

4.根据权利要求1所述的SAW谐振器，其特征在于，所述衬底层的材料为α-Al₂O₃。

5.根据权利要求1所述的SAW谐振器，其特征在于，所述ErScAlN薄膜中Er和Sc掺杂总量占比为2.0at.％～30.0at.％；所述ErScAlN薄膜中Er和Sc的摩尔比在5∶1～1∶9之间。

6.根据权利要求5所述的SAW谐振器，其特征在于，所述压电薄膜层为Er_0.01Sc_0.09Al_0.90N压电薄膜。

7.一种SAW谐振器的制备方法，其特征在于，采用溅射法在α-Al₂O₃衬底表面沉积ErScAlN薄膜，然后在所述ErScAlN薄膜表面光刻转移目标导电图案形成叉指换能器，至此完成SAW谐振器的制备。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述溅射法沉积ErScAlN薄膜的具体操作如下：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述ErScAlN薄膜中Er和Sc掺杂总量占比为2.0at.％～30.0at.％；所述ErScAlN薄膜中Er和Sc的摩尔比在5∶1～1∶9之间。