Magnetron Sputtered Scandium Doped Aluminium Nitride Thin Films with High Scandium Content : Structure and Piezoelectric Properties

Abstract

The topic of this master’s thesis is to investigate how the piezoelectric properties of magnetron co-sputtered ScAlN thin films are affected by the Sc content and sputtering process. Piezoelectric thin-film materials have become an important part of everyday life as they are used in several components e.g., in mobile phones, smart watches and in steering systems in the automotive industry. Aluminium nitride (AlN) is one of the most common piezoelectric materials used in surface, bulk acoustic wave devices such as filters and resonators and piezo-driven MEMS (microelectro-mechanical systems). During recent years scandium (Sc) doped AlN thin films (ScAlN) have gained much interest due to their enhanced piezoelectric properties as compared to pure AlN. The piezoelectric coefficients increase until the polar wurtzite crystal structure turns into a non-polar cubic structure above around 42% Sc content. ScAlN is typically deposited by a magnetron sputtering process, which is close to the well-established AlN process. In this thesis work reactive magnetron co-sputtering from Sc and Al targets was used in order to grow ScAlN thin films with different Sc content. It was investigated and confirmed that the Sc content depends linearly only on the target power ratio, independent from the total power. However, adding Sc into columnar, c-axis oriented AlN can lead to abnormally oriented grain (AOG) growth, which disturbs the piezoelectric properties. Those grains exhibit the correct wurtzite microstructure but their polar c-axis is slightly misoriented. The amount of AOGs is more pronounced when the Sc content increases and the film stress increases towards tensile. However, it was found that at a specific Sc content, the amount of AOG growth depends also on the absolute Sc sputtering power which can be adjusted. To evaluate the effect of the Molybdenum (Mo) bottom electrode (BE) quality on the co-sputtered ScAlN film growth, the ScAlN films were grown on Mo BEs of different thickness. The ScAlN films had less AOGs on thinner Mo BE, and thus 100–150 nm BE thicknesses were selected for following experiments. The highest Sc content of the ScAlN thin films deposited was measured as 33.5%. The transversal piezoelectric coefficient e31,f of co-sputtered ScAlN films were measured with a piezo-cantilever test set-up. This experiment showed that during piezoelectric thin-film process development it is important to measure not only the thin-film structure, but also the piezoelectric response of the film across the wafer. At some wafer positions no piezoelectric response was detected, which was not evident when looking only at the film microstructure. The highest value was determined to −2.4 C/m2 for a ScAlN film with 33.5% Sc content. This is 2.6 times higher than e31,f for measured reference AlN, and well-aligned with theoretical curve and literature values. The result of this work is a good foundation for future improvement

Tämän diplomityön aiheena on pietsosähköisten alumiininitridiohutkalvojen seostaminen korkealla skandiumpitoisuudella. Mobiili- ja älylaitteiden yleistyessä pietsosähköiset materiaalit ovat merkittävä osa monen jokapäiväisestä elämää. Pietsosähköisiä komponentteja käytetään esimerkiksi mobiililaitteissa, älykelloissa ja autojen ohjausjärjestelmissä. Alumiininitridi (AlN) on esimerkki materiaalista, jota käytetään yleisesti mm. radiotaajuusvastaanottimissa, mikromekaanisissa antureissa, mikrofoneissa ja ajastinpiirien resonaattoreissa. AlN-ohutkalvojen skandiumseostus on viime vuosina herättänyt laajaa kiinnostusta, sillä niiden pietsosähköiset ominaisuudet ovat paremmat kuin alumiininitridillä. On havaittu, että pietsosähköiset ominaisuudet paranevat kunnes skandiumalumiininitridin (ScAlN) wurtziitti-kiderakenne muuttuu kuutiolliseksi noin 42 % skandiumpitoisuudella, jolla tarkoitetaan metallisuhdetta Sc/(Sc+Al). AlN-ohutkalvot kasvatetaan yleensä magnetronisputteroinnilla, joka soveltuu myös ScAlN ohutkalvojen kasvatukseen. Tämän diplomityön seostetut ohutkalvot sputteroitiin kahdesta kohtiosta samanaikaisesti. Kohtioiden tehosuhdetta säätämällä kalvon skandiumpitoisuutta voitiin muuttaa. Diplomityössä todetaan, että skandiumpitoisuus riippuu lineaarisesti kohtioiden tehosuhteesta riippumattakokonaistehosta. Seostus aiheuttaa kuitenkin lisääntynyttä epänormaalia rakeen muodostumista, jonka seurauksena osa kiteistä kasvaa vinosti muun kalvon pylväsmäiseen kasvuun nähden. Näitä vikakiteitä ilmenee jo matalalla skandiumpitoisuudelle ja niiden määrä kasvaa pitoisuuden kasvaessa. Vikakiteet vaikuttavat ohutkalvon kokonaispietsosähköisyyteen ja siksi niiden määrä on tärkeää minimoida. Vikakiteiden määrän todettiin olevan sitä pienempi, mitä pienempi oli kohtioiden yhteenlaskettu kokonaisteho ja mitä enemmän kalvojännitys oli puristuksen puolella. ScAlN-ohutkalvot kasvatettiin pohjaelektrodille, jonka materiaalina käytettiin sputteroitua molybdeenia. Pohjaelektrodin paksuuden vaikutusta tutkittiin kasvattamalla ScAlN-ohutkalvo eri paksuisille pohjaeletrodeille. Koska ohuimmat, 100–150 nm paksut pohjaelektrodit tuottivat vähiten vikakiteitä, valittiin nämä tulevien pohjaelektrodin paksuudeksi. Korkein saavutettu skandiumpitoisuus oli tässä työssä 33,5 %. Ohutkalvojen pietsosähköisiä ominaisuuksia määritettiin mittaamalla elektrodi-skandiumalumiininitridi-elektrodiaktuaattorilla päällystetyn piipalkin taipumaa aktuaattorin jännitteen funktiona. Tämän avulla voidaan laskea taipumavoiman määrittävä pietsosähköinen jännityskerroin e31,f . Lisäksi huomattiin, että pietsosähköistä vastetta ei aina ollut koko ohutkalvon laajuudella hyvästä mikrorakenteesta huolimatta. Tästä pääteltiin, että vaste on syytä mitata ohutkalvon kehitysvaiheessa sen toimivuuden tarkistamiseksi. Tässä työssä mitattu korkein arvo oli −2,4 C/m2, joka mitattiin 33,5 % skandiumpitoisuudella seostetuille alumiininitridiohutkalvoille. Tämä arvo on 2,6 kertaa korkeampi kuin verrokkinäytteinä olleille seostamattomille alumiininitridinäytteille. Tulos on hyvä pohja jatkotutkimuksille.