一种用于AlN压电器件的表面保护与性能提升策略，该方法采用SiO2作为覆盖层

《Materials Science in Semiconductor Processing》：A surface-protection and performance-enhancement strategy for AlN piezoelectric devices using an SiO 2 overlayer

提出了一种SiO?保留的图案化策略以优化AlN薄膜的压电性能，通过沉积0-200nm SiO?层并测试表面形貌、晶体结构和压电系数，发现100nm SiO?层实现最佳c轴取向、晶格质量和最大d33值4.13 p.m/V。在压电微镜对比测试中，扫描角度提升4.7倍至4.71°，击穿电压增至250V，解决了传统掩模工艺的损伤问题。

　　

陈浩|丁欣宇|于乐奇|曹凯|薛博伦|李美荣|吴继彪|焦文龙|赵少宇|谢慧凯

北京工业大学集成电路与电子学院，北京，100081，中国

摘要

本文提出了一种SiO₂保护图案化策略，用于保护AlN薄膜的表面并增强其压电响应。制备了5个具有0-200纳米厚SiO₂的样品，并通过SEM、XRD、XPS和PFM对其表面形貌、晶体结构和压电性能进行了表征。结果表明，100纳米厚的SiO₂样品实现了最佳的c轴取向、晶体质量以及最高的d₃₃值（4.13 p.m./V），优于0、50、150和200纳米厚的SiO₂样品。对比测试表明，该策略将光扫描角度提高了4.7倍（从0.83°增加到4.71°，在24 V_pp下），并将击穿电压提高到了250 V，为未来基于AlN的器件制造提供了有用的方法。

引言

氮化铝（AlN）作为一种压电材料，具有宽禁带（6.2 eV）[1]、高电阻率（约10¹² Ohm?cm）[2]、高击穿场强（>1.2 × 10⁶ V cm^-1）[3]、高热导率（162 W m^-1 K^-1）[4]和声速（约11.000 m s^-1）[5]。更重要的是，AlN具有较高的有效机电耦合系数（约0.23）[6]，与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺具有良好的兼容性，并且不含铅（Pb）污染，因此已被用于制造各种基于微机电系统（MEMS）技术的微型器件[7,8]。在5G通信领域，基于AlN薄膜的固体安装谐振器（SMR）、薄膜体声谐振器（FBAR）和兰姆波谐振器（LWR）已成功集成到射频前端解决方案中[9]。AlN压电微机械超声换能器（pMUT）在便携式、可穿戴和生物医学应用中展现出巨大潜力[10]。AlN薄膜还在激光投影[11]、激光雷达[12]、卫星光通信[13,14]等领域有重要应用。

AlN薄膜的精确图案化是高性能MEMS制造的基础。虽然湿法刻蚀成本低廉，但为了实现压电转换所需的高纵横比垂直侧壁，通常选择电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀[16,17]。然而，AlN的化学不稳定性是一个根本性的加工挑战：四甲基氢氧化铵（TMAH）基碱性显影剂在光刻过程中容易与AlN表面发生反应并腐蚀AlN[18,19]。这种化学不相容性使得无法直接使用光刻胶掩模，因此需要采用替代的硬掩模策略。

目前，主要有两种硬掩模方案被广泛采用，但两者都存在固有的局限性。第一种方法使用顶部金属电极（例如Pt、Mo、W）作为自对准硬掩模（图1(a)）[20],[21],[22]。虽然这种方法减少了工艺步骤，但有两个关键缺点：首先，电极形状必须与底层AlN结构一致，严重限制了器件设计的灵活性；其次，顶部电极在长时间的AlN刻蚀过程中要承受高能离子轰击，这不可避免地导致电极严重物理退化，如厚度减小和表面粗糙。

为了解决这个问题，第二种方法采用牺牲性的SiO₂硬掩模（图1(b)）。由于SiO₂层在整个AlN干法刻蚀过程中必须独立于光刻胶存在，因此需要较厚的SiO₂层（通常>1 μm），因为AlN和SiO₂之间的刻蚀选择性有限[21]。这种厚的非压电层会导致显著的质量加载和电压分配效应，从而降低机电耦合系数[23,24]。因此，在图案化后必须去除厚SiO₂掩模。问题在于，去除过程（通常涉及氟基等离子体）往往会对底层AlN表面造成损伤，如氮缺陷和表面粗糙，从而降低压电响应并增加漏电流[25,26]。

为了解决这一难题，本文提出了一种新的SiO₂保护图案化方案，采用“复合掩模”策略。如图1(c)所示，在光刻前先沉积一层纳米级的超薄（约100纳米）SiO₂层。与传统硬掩模不同，这层薄SiO₂仅作为化学屏障保护AlN免受TMAH腐蚀，而上面的光刻胶则作为主要的物理掩模防止离子轰击。这种协同作用使得SiO₂层可以减少到纳米级别。根据串联电容模型[27]，这种超薄介质层上的电压降可以忽略不计。因此，图案化后可以保留SiO₂层，无需进行有害的掩模去除步骤。在本研究中，我们通过表征AlN的表面形貌、晶格质量、化学成分和压电系数，系统优化了SiO₂的沉积厚度。最终，使用这种无损伤的方法制备了AlN压电微镜，其优异的机电性能证明了所提方案的有效性。

方法

为了系统验证所提出的SiO₂保护图案化策略，本文从三个方面研究了SiO₂层的化学保护能力与其对AlN层机电性能影响之间的关键权衡。

首先，建立了一套全面的材料表征方法来优化SiO₂厚度。在AlN薄膜上沉积不同厚度的SiO₂层，并对其表面形貌进行了评估

AlN和SiO₂薄膜的制备

首先，研究了用作硬掩模的SiO₂薄膜的最佳厚度。首先在4英寸、400微米厚的（100）硅晶圆上沉积了1微米厚的AlN薄膜，使用磁控溅射工艺，基板温度设为300°C，溅射功率为7.5 kW，Ar与N₂的比例为29:87 sccm，腔室压力为3.2 × 10^-3 mbar。然后通过等离子体增强化学气相沉积法在AlN薄膜上生长了不同厚度的SiO₂薄膜，厚度分别为0、50、100、150和200纳米

结果与讨论

图2展示了具有0、50、100、150、200纳米SiO₂的AlN薄膜的平面SEM图像，以及相应的Si元素SEM-EDS光谱。AlN颗粒呈近似球形，其表观特征尺寸总结在表1中。需要注意的是，对于覆盖有SiO₂的样品，SEM图像显示的是SiO₂覆盖层的顶表面。由于PECVD沉积的SiO₂是非晶态的，表面特征反映了晶粒分布和生长情况

结论

我们提出了一种图案化方法，通过基于标准MEMS工艺的独特MIPM单形态压电执行器，多重保护了AlN薄膜的表面质量并显著提高了其压电响应。通过一系列实验测量确定了最佳的SiO₂厚度，并阐明了SiO₂保护AlN薄膜增强压电响应的机制。所提方法的有效性得到了验证

CRediT作者贡献声明

陈浩：撰写——原始草稿，正式分析，数据整理。丁欣宇：撰写——审阅与编辑。于乐奇：研究。曹凯：研究。薛博伦：研究。李美荣：研究。吴继彪：研究。焦文龙：方法学，研究。赵少宇：撰写——审阅与编辑，监督。谢慧凯：撰写——审阅与编辑，研究，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本文档由国家科学技术规划项目（2023YFB3507300）、国家自然科学基金（62350710218）和北京市自然科学基金（1S24084）资助。