Process optimization and characterization of dielectric, piezoelectric, and ferroelectric properties of 30% ScAlN thin films

材料科学 薄膜 微电子机械系统 铁电性 压电 氮化物 溅射沉积 溅射 基质(水族馆) 光电子学 表面粗糙度 工艺优化 复合材料 沉积(地质) 残余应力 表面光洁度 粒度 矫顽力 谐振器 压电系数 电子工程 铝 脉冲激光沉积 表征(材料科学) 氮化铝 陶瓷 腔磁控管
作者
Kapil Saha,Chuan Tian,Karl Grosh,Siddhartha Ghosh,Matteo Rinaldi
出处
期刊:Journal of vacuum science & technology [American Institute of Physics]
卷期号:44 (5) 被引量:1
标识
DOI:10.1116/6.0005636
摘要

Scandium-doped aluminum nitride (ScAlN) is a promising replacement for undoped aluminum nitride in MEMS vibration and acoustic sensors due to its higher piezoelectric coefficients, and for RF MEMS due to its enhanced piezoelectric response and ferroelectric switching capability. However, poor process conditions often lead to degraded film performance. In this work, we optimized the growth conditions of ScAlN thin films deposited by reactive pulsed-DC magnetron sputtering system by studying the impact of N₂ flow rate, target–substrate distance, substrate temperature, and substrate bias on film stress, crystallinity, and surface morphology. Based on stress measurements, XRD rocking curves along the c-axis (002), and roughness with AOG formation probability extracted from AFM and SEM images, an optimized deposition recipe was developed that balances stress, crystallinity, and AOG density. With this optimized recipe, samples were fabricated for dielectric, ferroelectric, and piezoelectric coefficient (d33,f and d31,f) measurements. To verify scalability, d33,f, εr, and tan(δ) were measured on 100, 150, and 200 mm substrates. Dual beam laser interferometry results showed d33,f values of around 18 pm/V, εr of 18, and lowest tan(δ) of 0.4%. Cantilever-based d31,f measurements yielded a value of −6.22 pC/N. The optimized ScAlN films also exhibited remnant polarization, Pr = 130 μC/cm², and coercive field, Ec = 3.5 MV/cm.
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