一种用于高带宽低成本滤波器的Al(Sc)N薄膜及其制备方法

本发明属于半导体，具体涉及一种用于高带宽低成本滤波器的al(sc)n薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。滤波器器件包括表声波滤波器(saw)、体声波滤波器(baw)、金属腔体滤波器、介质滤波器等，利用不同工作原理进行频段选择的滤波器。随着4g和5g时代的兴起，对于滤波器频段的要求也越来越高。saw利用薄膜的表面声波在叉指电极之间的谐振以及各个滤波器之间的耦合技术，可以将频率提升至5g所需的部分频段。saw工艺较为成熟，但是由于其制作工艺受到光刻技术的限制，目前主要应用于2ghz以下的频段。而体声波滤波器中的薄膜体声波滤波器(fbar)，由于其使用的是机械微机械加工技术，可以兼具体积小、可集成、高q值、频段高的优势。得益于这些优势，fbar在5g所需的滤波器市场中逐步占据了市场优势。

2、在fbar的材料选择中，我们需要选取高声速、高压电常数，且可以应用于薄膜生长的材料。而al(sc)n就是这么一种材料。在生长要求方面，由于在形成多晶择优取向后就可以获得近似于单晶薄膜的压电性能，所以可以较为自由地选择各种符合要求的诸如金属有机化合物气相沉积(mocvd)、磁控溅射等各种化学气相沉积方法和物理气相沉积(pvd)方法。在晶向选择上由于(002)面择优取向的薄膜具有更好的抗氧化性，并且具有更好的压电性能，故而一般选取c轴方向作为择优取向。

3、那么微晶薄膜的c轴取向就至关重要，由于al(sc)n与许多衬底之间存在着晶格失配与热失配，在许多衬底上会出现开裂的问题。碳化硅(sic)衬底由于与al(sc)n具有较好的晶格常数匹配，相较于其他衬底，生长出来的al(sc)n薄膜通常会具有更好的c轴取向，但由于sic衬底存在价格高昂的劣势，通常很少被应用于al(sc)n薄膜的生产中。另一方面，为了在不开裂的前提下达到目标厚度并提升晶体质量，单单使用mocvd的方法进行生长时，虽然薄膜的c轴取向较好，但200nm左右便会开裂，而直接使用pvd的方法进行生长时，由于pvd薄膜具有不致密的特点，可以增厚到目标厚度且不开裂，但是会出现c轴取向极差的问题。我们发现先使用mocvd生长薄膜提供晶格取向，再使用pvd增厚的方法可以有效地提升c轴取向。但是出现了极性反转问题，从mocvd层的al极性到极性反转层再到pvd层中的n极性，那么薄膜内同时存在着+c轴、-c轴与混合极性，这会导致压电常数d33相消，从而影响后续制作滤波器的机电耦合系数。而提升压电常数能够提高谐振器的机电耦合系数进而增大滤波器带宽。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种单晶iii族氮化物保持氮极性外延的生长方法，从而制备用于薄膜体声波滤波器的压电薄膜材料，获得高带宽低成本的滤波器。

2、为了实现上述技术目的，首先在衬底选择上，本发明使用sic衬底。通过二氧化硅(sio2)等物质键合在其他衬底上，可以使用减薄的sic衬底，从而使得衬底的成本下降。在避免极性反转上，由于sic衬底有si面和c面两个不同的面，mocvd生长al(sc)n后分别为金属极性和n极性。选取sic的c面作为生长表面，使mocvd生长al(sc)n后便直接为n极性，同时由于在不主观引入含氧界面时，pvd会保持n极性生长(参见shojiki,k.,uesugi,k.,xiao,s.&miyake,h.polarity control of sputter-deposited aln with high-temperatureface-to-face annealing.materials science in semiconductor processing 166(2023)；hestroffer,k.,leclere,c.,bougerol,c.,renevier,h.&daudin,b.polarity ofgan nanowires grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on si(111).physical review b 84(2011)；akiyama,t.,saito,y.,nakamura,k.&ito,t.nitridationof al2o3 surfaces:chemical and structural change triggered by oxygendesorption.phys rev lett 110,026101(2013).)，故在mocvd生长后接着进行pvd生长，al(sc)n薄膜能够保持n极性的生长。

3、本发明技术方案包含以下步骤：

4、1)选取c面sic键合衬底；

5、2)使用mocvd生长n极性aln层；

6、3)在避免表层aln形成含氧层的情况下，使用pvd生长n极性aln或alscn加厚层，获得高质量的单晶压电薄膜材料。

7、上述步骤1)选取的c面sic键合衬底是包含功能层、键合介质层、支撑层的键合衬底，其中，所述功能层位于表层，其材料是4h-sic，且其表面是c面。

8、优选的，所述c面sic键合衬底的功能层的厚度是10～5000nm。

9、上述c面sic键合衬底中，键合介质层材料可以是氧化硅(sio2)、氮化硅(sinx)、多晶硅或氧化铝(al2o3)。

10、上述c面sic键合衬底中，支撑层材料是单晶si、sic、aln或al2o3，也可以是多晶aln、sic或si。

11、上述c面sic键合衬底中，支撑层的厚度可以是0.1～5mm。

12、上述步骤1)选取的c面sic键合衬底的大小和形状可以是从厘米级片状至12英寸晶圆形状。

13、上述步骤2)mocvd生长的n极性aln层厚度为1nm～5000nm，在保证晶体质量和不开裂的前提下其厚度优选为1～500nm，更优选为1～200nm。

14、上述步骤2)mocvd生长n极性aln层的生长温度为800℃～1300℃。

15、上述步骤2)中，n极性aln层生长结束后可选择进行高温退火，高温退火温度为1000℃至2000℃。

16、上述步骤2)至步骤3)两种生长方式之间进行切换时需要将样品快速传递到pvd设备中，或者在mocvd生长完后使用氢氟酸缓冲溶液清洗掉样品表面的含氧层的方式避免表面含氧。

17、上述步骤3)使用pvd生长n极性aln或者不同组分的alscn加厚层，其厚度可为50～20000nm。

18、上述方法制备的n极性aln或alscn薄膜可用于制备薄膜体声波滤波器(fbar)，获得高带宽低成本滤波器。

19、本发明的有益效果：

20、本发明充分利用了在c面sic上使用mocvd方法生长al(sc)n薄膜具有较好晶体质量和n极性的特点，以及pvd生长可以保持n极性生长并且生长速度较快的特点；使用键合衬底充分降低了单个sic衬底带来的高昂成本，并为之后的al(sc)n生长提供晶格取向；使用mocvd方法在c面的sic键合衬底上生长提供统一的极性取向，并为后续的生长提供了较好晶格取向；最后使用pvd方法生长，因其也保持了n极性的生长，保证了整体薄膜的较好c轴取向，有效地保证了压电常数d33不会因为c轴的反转带来的抵消，并由于pvd生长速度快的特点，进一步降低了成本。