朱宇波，母志强，陈玲丽，朱 雷，李卫民，俞文杰(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室，上海 200050; 2.中国科学院大学，北京 100049；.上海集成电路材料研究院，上海 200050)

0 引言

AlScN薄膜的声学和压电特性是设计和制造高频宽带BAW滤波器的重要性能参数。虽然可通过纳米压痕法和压电测试仪快速表征压电薄膜的弹性模量和压电常数，但是获得的材料特性参数较单一。而利用BAW谐振器不仅能表征压电薄膜的声学和压电等材料特性，还能提取谐振器的器件参数，提取的参数更全面可靠。目前常用的BAW谐振器类型包括薄膜体声波谐振器(FBAR)、固态装配型体声波谐振器(BAW-SMR)及高次谐波体声波谐振器(HBAR)[7-9]。其中，FBAR及BAW-SMR器件的谐振频谱能够直观反映压电薄膜的声电特性，但对器件设计和制备工艺均要求较高。与FBAR及BAW-SMR器件相比，HBAR器件工艺简单，结构可靠性强，有助于降低加工工艺对压电薄膜的影响。此外，HBAR器件的品质因数(Q)高，谐振信号较强，有利于频谱提取和分析。

1 HBAR仿真设计

图1 HBAR器件结构及材料参数

图2 HBAR的Mason等效电路模型

表1 Mason模型中输入的材料声学参数

图3 不同的HBAR器件阻抗谱仿真结果

2 HBAR器件制备

图4为制备HBAR器件的工艺流程。首先利用磁控溅射在蓝宝石衬底(厚约500 μm)上依次生长Mo底电极(厚为200 nm)、Al1-xScxN(x= 0，0.1，0.25)压电层(厚约850 nm)和Mo顶电极(厚为300 nm)，如图4(a)所示。通过离子束刻蚀(IBE)工艺将Mo顶电极层图形化，该层Mo用作后续湿法刻蚀Al1-xScxN薄膜的硬掩模，如图4(b)所示。然后使用质量浓度为25%的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液选择性刻蚀Al1-xScxN薄膜，形成通孔，如图4(c)所示。TMAH溶液对Al1-xScxN薄膜的各向异性刻蚀较好，且与Mo具有较高的选择比，如图5所示(数据来源于工艺测试片)。再在通孔侧壁及上台面边缘沉积一层氧化硅绝缘层，如图4(d)所示，以避免上下电极短路。通过Au将底电极引出，如图4(e)所示。最后再次使用IBE工艺刻蚀Mo顶电极，形成顶电极图形，如图4(f)所示。

图4 HBAR器件制备流程图

图5 TMAH刻蚀Al1-xScxN截面SEM图

3 器件测试与分析

3.1 射频测试和器件参数提取

制备的HBAR器件为单端口器件，通过矢量网络分析仪测试其射频特性。图6为测试的反射系数S11。该器件在0.5～5 GHz内具有多模谐振特性，且在2 GHz附近谐振较强。

图6 HBAR器件S11参数测试结果

(1)

式中fr，fa分别为谐振频率和反谐振频率。

图7 HBAR器件的

表2 不同Sc含量的Al1-xScxN HBAR性能参数

(2)

式中：fr,a为谐振频率或反谐振频率；φZ11为阻抗Z11的相位值。

随着Sc掺杂量的提高，HBAR谐振器的Q值逐渐下降，表明器件的损耗逐渐增加。根据相关研究，AlScN薄膜中出现的异常晶粒[10]和结构软化[11]等问题是导致BAW器件Q值随Sc掺杂量增加而下降[8]的主要原因。然而，与FBAR和BAW-SMR器件相比，HBAR器件中较厚的衬底也对器件的Q值存在影响,难以定量分析压电薄膜对Q值的直接影响。

3.2 AlScN薄膜声学及电学参数提取

为了准确提取Al1-xScxN薄膜的声电特性参数，本文通过Mason模型对实验测得的阻抗Z11及相位φZ11进行拟合，拟合所需材料参数如表1所示。为了提高参数提取的可靠性，每种掺杂选取12个器件进行拟合。

图8为测试数据和拟合结果。拟合曲线的峰位、峰强与测试数据基本一致，并且Z11和φZ11的均方根误差σdB和σphase表明模型与实验间的一致性较好。

图8 Z11和φZ11的拟合结果

表3 提取的Al1-xScxN薄膜的声学及压电性能参数

(3)

(4)

图9 通过HBAR与文献提取的Al1-xScxN薄膜的比较

本文还研究了Sc掺杂量对压电薄膜声学损耗的影响。在拟合过程中，由于分别提取压电薄膜和衬底的损耗较难，因此，在频谱拟合时，将整个系统的损耗简化为衬底的损耗。损耗因子为

α=α0·f2

(5)

式中α为电极、压电层及衬底材料中声学损耗的总和。

由式(5)可知，α与f2成正比。为了排除频率对压电薄膜损耗特性的影响，实际拟合参数为损耗因子中的频率无关项系数α0。提取结果如表4所示。对于不同Sc掺杂的压电薄膜器件，其电极和衬底材料的特性基本相同。因此，α0随Sc掺杂量增大而增大，主要影响因素来源于压电薄膜声损耗的增加。即Sc掺杂量提高为25%，α0增加1.7倍，从而导致器件Q值下降约50%。

表4 提取的衬底损耗因子系数

4 结束语

本文利用HBAR器件结构，研究了Sc掺杂量为0～25%的Al1-xScxN压电薄膜的材料特性与器件性能间的关系。结果表明：

1) 当Sc掺杂量提高至25%时，Al1-xScxN薄膜的压电应力系数e33增加69%，刚度下降27%，导致材料的机电耦合系数提升至15.8%，为未掺杂AlN的2.8倍，从而使谐振器的有效机电耦合系数为未掺杂时的3倍。

2) 随着Sc掺杂量增加，Al1-xScxN薄膜刚度的下降导致薄膜纵波声速的下降。Sc掺杂量为25%时，Al1-xScxN薄膜的纵波声速从10 443 m/s下降至9 055 m/s，从而导致器件的谐振频率降低。

3) 高Sc掺杂量的Al1-xScxN薄膜因异常晶粒等问题导致薄膜晶体质量下降、声学损耗增加，从而导致器件的Q值下降约50%。

本文不仅验证了HBAR作为一种方便且快捷的压电薄膜声电参数表征方法，且能同时提取谐振器的器件特性参数，有助于高频宽带BAW滤波器芯片的高效设计和制造。